CC BY
46
ДУХОВНОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ НАЦИИ
УДК579.695;546.85; 502.55;661.63 ГРНТИ 34.47.51
БИОДЕГРАДАЦИЯ БЕЛОГО ФОСФОРА —
ШАГ К РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ
А.З. Миндубаев, А.Д. Волошина, Э.В. Бабынин1, Е.К. Бадеева1, С.Т. Минзанова, Л.Г. Миронова, Й.А. Акосах1
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова ФИЦКазНЦРАН Россия, Республика Татарстан, 420088, г. Казань, ул. Академика Арбузова, 8 1 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Россия, Республика Татарстан, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18
Белый фосфор является одним из самых опасных загрязнителей окружающей среды. Тем не менее он применяется в промышленных и военных целях, поэтому не исключается попадание данного вещества в окружающую среду. Авторами впервые получены культуры микроорганизмов, растущих в средах с содержанием белого фосфора до 1 %. Это превышение ПДК в сточных водах в 5000 раз! Эти культуры уникальны. Впервые произведены посевы грибов в культуральные среды, содержащие белый фосфор в качестве единственного источника фосфора. В данных средах микроорганизмы росли и не испытывали фосфорное голодание, то есть окисляли белый фосфор до фосфата, необходимого для жизнедеятельности! Это первый в мире пример включения белого фосфора в биосферный круговорот элемента фосфора.
Ключевые слова: белый фосфор, биосферный круговорот, аспергилл, посев в культуральные среды.
WHITE PHOSPHORUS BIODEGRADATION — A STEP TOWARDS ENVIRONMENTAL PROBLEM SOLVING
A.Z. Mindubaev, A.D. Voloshina, E.V. Babynin1, E.K. Badeeva1, S. T. Minzanova, L. G. Mironova, Y.A. Akosah1,
A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of FRC Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences
Russia, Republic of Tatarstan, 420088, Kazan, ul. Akademika Arbuzova, 8
1Kazan (Privolzhsky) Federal University,
Russia, Republic of Tatarstan, 420008, Kazan, ul. Kremlevskaya, 18
White phosphorus is one of the most dangerous environmental pollutants. However, it is used in industry and for military purposes; therefore, it is impossible to overlook the fact that this substance is constantly released into the environment. We obtained cultures growing in media with a content of white phosphorus up to 1 % for the first time. This exceeds the MAC in aqueous wastes by 5000 times! These cultures are unique, and they are only in our possession. For the first time, cultures were grown in media containing white phosphorus as the sole source of phosphorus.
© Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Бабынин Э.В., Бадеева Е.К., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Акосах Й.А., 2019
81
ISSN2221-7711 Национальные приоритеты России. 2019. № 3 (34)
In these environments, microorganisms grew without experiencing phosphorus starvation. That is, they oxidized white phosphorus to phosphate, which is necessary for vital activity! This is the first example of the inclusion of white phosphorus in the biospheric circulation of the phosphorus element.
Keywords: white phosphorus, biospheric circulation, aspergilla, inoculating in culture media.
О белом фосфоре слышал, наверное, каждый. Кто-то напряжёт память и вспомнит школьный курс неорганической химии. Кому-то придут в голову недавние выпуски новостей про события в горячих точках — в Украине, Сирии, Ираке. Печально, что название химического вещества вспоминают, в основном, в связи с военными действиями, тем более что применение белого фосфора в составе боеприпасов (имеющих дурную славу фосфорных бомб) уже скоро сорок лет, как официально запрещено! Данное вещество ядовито и огнеопасно, способно самовозгораться на воздухе и формировать гиблый кислотный туман, поэтому сфера применения напрашивается сама (рис. 1, слева). А белый фосфор технической чистоты, так называемый «жёлтый фосфор», является краеугольным камнем всей химии фосфора, поскольку легко образуется при пиролизе фосфорных минералов, сравнительно дёшев и вступает в разнообразные химические превращения [1]. Поэтому, игнорируя опасность обращения с белым фосфором (а он относится к веществам первого, наивысшего класса опасности), его производят на химических предприятиях крупнотоннажно и превращают в огромнейшее разнообразие продуктов — от красного фосфора и полупроводников до удобрений и пестицидов.
Одним словом, понятно, что риск загрязнения белым фосфором окружающей среды не так уж мал. Эффективные методы очистки почв и водоёмов от этого вещества до сих пор не созданы. Вот и получается, что в течение одного года на территории обанкротившегося ОАО «Фосфор» (Тольятти, Самарская область) зафиксировано 36 случаев возгорания содержащего белый фосфор шлама! Проблема не решена до сих пор. Вообще, на территории Российской Федерации все загрязнения белым фосфором находятся в бассейне Волги (Дзержинск, Новочебоксарск, Тольятти, Волгоград) и представляют угрозу для великой русской реки и проживающего по её берегам населения.
Но если снова напрячь память и вспомнить, чему учили в школе, то обнаружится, что элемент фосфор обладает уникальным свойством. В виде простого вещества это смертельный яд, но в окисленном состоянии, в форме фосфата, фосфор является важней-
шим для всего живого «кирпичиком жизни» (рис. 1, справа). Такое свойство открывает замечательную возможность полностью, без остатка и без последствий для природы очистить загрязнения белым фосфором! Главная задача, которую следует решить, чтобы обезвредить белый фосфор, — это подбор условий его окисления до фосфорной кислоты и её солей.
И вот тут следует вспомнить о явлении биодеградации — обезвреживания ядовитых веществ, в том числе производимых промышленностью, при помощи микробов [2]. На сегодняшний день известно немало бактерий и грибов, разлагающих полихлорированные бифенилы [3] и цианиды [4], пестицид гли-фосат [5] и капроновую ткань [6], сырую нефть [7] и азокрасители [8]. В той или иной степени биодеградации подвержено практически любое вещество, на каждое находится свой штамм полезных микробов.
Но для белого фосфора до недавнего времени биодеградация не была известна. Несколько лет назад наш коллектив взялся ответить на вопрос, могут ли микроорганизмы обезвреживать столь токсичное и агрессивное вещество. И оказалось, что не просто могут, а при внесении водной эмульсии белого фосфора в стерильную культуральную среду начинает расти плесневый гриб — чёрный аспергилл (рис. 2).
Взяться в среде он мог только из белого фосфора, т. е. само вещество оказалось обсеменённым спорами этого грибка [9, 10]. Но это ещё не всё. Питательная среда в своём составе содержала все необходимые микроорганизмам вещества, кроме источника фосфора. А без фосфора рост микробиоты невозможен. Единственным источником биогенного элемента в среде стал белый фосфор. То есть сам по себе рост грибов в такой среде свидетельствует о превращении белого фосфора, который во всех справочниках определяется как биоцид, в необходимый для них фосфат!
Нам удаётся выращивать грибы в среде, содержащей 1 % белого фосфора по массе. Это соответствует превышению предельно допустимой концентрации белого фосфора в сточных водах в пять тысяч раз, а в питьевой воде — в сто миллионов раз [11]! В этих условиях аспергилл растёт и даже размножается,
ДУХОВНОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ НАЦИИ
образует жизнеспособные споры. Вполне возможно, что он может расти и при более высоких концентрациях белого фосфора, но мы это не проверяли — просто не рисковали работать с более концентрированными эмульсиями этого вещества. Остаётся в очередной раз изум-
ляться приспособительным возможностям микроорганизмов. Этот, без сомнения, уникальный штамм микробов мы уже идентифицировали методами генетического анализа и в прошлом году направили во Всероссийскую коллекцию микроорганизмов (ВКМ).
а)
б)
Рис. 1. Многоликость фосфора: а) взрывы фосфорных боеприпасов (изображение с сайта https://giaoduc.net.vn ); б) предельно окисленная форма фосфора - фосфат - играет важнейшую роль в существовании абсолютно всех форм жизни. Голожаберный моллюск ТатЪ)а vercomis. Изображение с сайта https://news.softpedia.com
Рис. 2. Посев устойчивых к белому фосфору аспергиллов. Левая чашка - среда без источника фосфора. В ней наблюдается рост колоний аспергилла, испытывающих фосфорное голодание. Верхняя чашка - среда с фосфатом. В этих благоприятных условиях наблюдается рост и спороношение множества колоний A. niger. Правая чашка - среда с 0,05 % белого фосфора, причём в качестве единственного источника фосфора. Вопреки ожиданиям в ней наблюдается рост нескольких крупных, полностью развитых и покрытых спорами колоний A. niger!
Среда изначально была стерильной, и чёрный аспергилл мог появиться в ней только из белого фосфора, то есть само вещество оказалось обсеменённым спорами этого грибка. Место съемки: виварий микробиологической лаборатории ИОФХ. Снимок на цифровой фотоаппарат Samsung.
В настоящее время мы исследуем, как грибку удаётся адаптироваться к жизни в столь неблагоприятных условиях и «кушать» белый
фосфор. Наша задача, конечно, заключается не в том, чтобы выращивать грибы на белом фосфоре, а в том, чтобы обезвреживать его.
ISSN2221-7711 Национальные приоритеты России. 2019. № 3 (34)
С целью проверить, что происходит в культу-ральных средах, мы снимали с них спектры ядерного магнитного резонанса на протяжении роста микроорганизмов. Оказалось, что в средах с живыми микробами белый фосфор и его токсичные производные и впрямь окисляются до фосфата быстрее, чем в контроле — в стерильной среде! Остаётся надеяться на то, что данный научный факт не останется курьёзом,
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Cummins C.C. Phosphorus: From the Stars to Land & Sea // Daedalus. 2014. Vol. 143. No. 4. P. 9-20.
2. Миндубаев А.З. Кто съел полиэтилен? // Наука и жизнь. 2018. № 4. С. 32-38.
3. Seah S.Y.K., Labbe G., Kaschabek S.R., Reifenrath F., Reineke W., Eltis L.D. Comparative Specificities of Two Evolutionary Divergent Hydrolases Involved in Microbial Degradation of Polychlorinated Biphenyls // J. Bacteriol. 2001. Vol. 183, No. 5. P. 1511-1516.
4. Knowles K.J. Microorganisms and Cyanide // Bacteriological Reviews. 1976. Vol. 40. No. 3. P. 652-680.
5. Шушкова Т.В., Ермакова И.Т., Свиридов А.В., Леонтьевский А.А. Биодеструкция глифосата почвенными бактериями: оптимизация процесса культивирования и способ сохранения активной биомассы // Микробиология. 2012. Т. 81. № 1. С. 48-55.
6. Есикова Т.З., Волкова О.В., Таран С.А., Бо-ронин А.М. Ключевая роль dca-генов в катаболизме epsilon-капролактама у бактерий рода Pseudomonas // Микробиология. 2015. Т. 84. № 5. С. 616-619.
7. Atlas R.M. Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbons: an Environmental Perspective // Microbiological Reviews. 1981. Vol. 45. No. 1. P. 180-209.
8. Saratale R.G., Saratale G.D., Chang J.S., Go-vindwar S.P. Bacterial decolorization and degradation of azo dyes: A review // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2011. Vol. 42. No. 1. P. 138-157.
9. Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Валидов Ш.З., Яхваров Д.Г. Биодеградация белого фосфора // Природа. 2017. № 5. С. 29-43.
10. Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Бабынин Э.В., Бадеева Е.К., Хаяров Х.Р., Минзанова С.Т., Яхваров Д.Г. Микробиологическая деградация белого фосфора // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22. № 1. С. 33-37.
11. Алексеенко В.А., Бузмаков С.А., Панин М.С. Геохимия окружающей среды. Пермь : Изд-во Пермского гос. национ. исслед. ун-та. 2013. 359 с.
Антон Зуфарович Миндубаев — кандидат химических наук, старший научный сотрудник. Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, mindubaev-az@yandex.ru.
Эдуард Викторович Бабынин— кандидат биологических наук, старший научный сотрудник,
интересным, но непрактичным, а станет основой для эффективного метода решения экологических проблем.
В целом, наше исследование на сегодняшний день является единственным примером того, что белый фосфор может включаться в состав живого организма, а в конечном итоге — в природный круговорот элемента фосфора.
REFERENCES
1. Cummins C.C. Phosphorus: From the Stars to Land & Sea // Daedalus. 2014. Vol. 143. No. 4. P. 9-20.
2. Mindubaev A.Z. Kto s'el polietilen? // Nauka i zhizn'. 2018. № 4. S. 32-38.
3. Seah S.Y.K., Labbe G., Kaschabek S.R., Reifenrath F., Reineke W., Eltis L.D. Comparative Specificities of Two Evolutionarily Divergent Hydrolases Involved in Microbial Degradation of Polychlorinated Biphenyls // J. Bacteriol. 2001. Vol. 183, No. 5. P. 1511-1516.
4. Knowles K.J. Microorganisms and Cyanide // Bacteriological Reviews. 1976. Vol. 40. No. 3. P. 652-680.
5. Shushkova T.V., Ermakova I.T., Sviridov A.V., Leont'evskiy A.A. Biodestruktsiya glifosata poch-vennymi bakteriyami: optimizatsiya protsessa kul'tivirovaniya i sposob sokhraneniya aktivnoy bio-massy // Mikrobiologiya. 2012. T. 81. № 1. S. 48-55.
6. Esikova T.Z., Volkova O.V., Taran S.A., Bo-ronin A.M. Klyuchevaya rol' dca-genov v katabolizme epsilon-kaprolaktama u bakteriy roda Pseudomonas // Mikrobiologiya. 2015. T. 84. № 5. S. 616-619.
7. Atlas R.M. Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbons: an Environmental Perspective // Microbiological Reviews. 1981. Vol. 45. No. 1. P. 180-209.
8. Saratale R.G., Saratale G.D., Chang J.S., Go-vindwar S.P. Bacterial decolorization and degradation of azo dyes: A review // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2011. Vol. 42. No. 1. P. 138-157.
9. Mindubaev A.Z., Voloshina A.D., Validov Sh.Z., Yakhvarov D.G. Biodegradatsiya belogo fosfora // Priroda. 2017. № 5. S. 29-43.
10. Mindubaev A.Z., Voloshina A.D., Babynin E.V., Badeeva E.K., Khayarov Kh.R., Minzanova S.T., Yakhvarov D.G. Mikrobiologicheskaya degradatsiya belogo fosfora // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2018. T. 22. № 1. S. 33-37.
11. Alekseenko V.A., Buzmakov S.A., Panin M.S. Geokhimiya okruzhayuschey sredy. Perm': Izd-vo Permskogo gos. natsion. issled. un-ta. 2013. 359 s.
Anton Zufarovich Mindubaev — Cand. Sc.{Chemistry}, S.R. at A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences; mindubaev-az@yandex.ru.
Eduard Viktorovich Babynin— Cand. Sc. {Biology}, Senior Researcher, Associate Professor;
доцент; Казанский (Приволжский) федеральный университет; edward.b67@mail.ru.
Александра Дмитриевна Волошина— кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, заведующая лабораторией микробиологии. Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань; microbi@iopc.ru.
Керемли Ашырмухаммедович Сапармыра-дов — аспирант, лаборант-исследователь. Казанский (Приволжский) федеральный университет.
Елена Казимировна Бадеева — кандидат химических наук, научный сотрудник. Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань,
Салима Тахиятулловна Минзанова — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент. Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань.
Любовь Геннадьевна Миронова— инженер-исследователь. Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань.
Йав Абайе Акосах— аспирант, научный сотрудник; Казанский (Приволжский) федеральный университет.
Kazan (Privolzhskiy) Federal University; edward.b67@mail.ru.
Aleksandra Dmitrievna Voloshina — Cand. Sc. {Biology}, S.R., Head of Microbiolgical Laboratory. A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Kazan; microbi@iopc.ru.
Keremli Ashyrmukhammedovich Sapar-myradov — Ph.D. student, laboratory researcher. Kazan (Privolzhskiy) Federal University.
Elena Kazimirovna Badeeva — Cand. Sc. {Chemistry}, Research Scientist. A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Kazan.
Salima Takhiyatullovna Minzanova— Cand. Sc. {Engineering}, Senior Researcher, Associate Professor. A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Kazan.
Lubov Gennadievna Mironova — Research Engineer. A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Kazan.
Iaw Abayie Akosah — Ph. D. student, Research Scientist; Kazan (Privolzhskiy) Federal University.
Статья поступила в редакцию 28.06.2019 г.
Ваша библиотека
Капанадзе А.Л. Опытным путём : Эксперименты, изменившие мир. — М. : Наука, 2019. — 319 с.
В книге рассказывается об основных вехах в развитии экспериментальных методов в самых разных областях наук о природе, человеке и обществе — физике, химии, астрономии, биологии, физиологии, медицине, археологии, социологии, психологии, экономике. Охвачен период с античных времен до наших дней. Читатель узнает о знаменитых и малоизвестных опытах, оказавших огромное влияние на формирование наших представлений о мире и о нас самих. Большое внимание автор уделяет не только истории приборов и технологий, но и истории идей. Затрагиваются проблемы отличия классического эксперимента от наблюдения (когда опыт «ставит» сама природа), преемственности технических инноваций, влияния общественного климата на работу экспериментатора, роли случайности в этой работе.
Для широкого круга читателей.
