Микробы из горячих источников Исландии помогут превратить промышленные отходы в ценное сырье

Горячие источники извергают смесь газов, химический состав которых поразительно напоминает выбросы сталелитейных заводов, цементных предприятий и угольных электростанций. Именно это сходство легло в основу нового исследования: микроорганизмы, обитающие в гейзерах, на протяжении тысячелетий адаптировались к условиям, которые практически идентичны самым токсичным промышленным отходам современности.

Международная группа ученых под руководством Манчестерского университета провела масштабный анализ 73 метагеномов из термальных источников по всему миру, включая Исландию, Японию, Италию, Новую Зеландию и США. Исследователи изучали образцы в экстремальном диапазоне: от кислотной среды до щелочной (pH 1,5–10,0) и при температурах от 25 до 98 °C.

Биотехнология захвата CO2, вдохновленная природой

Ключевое открытие заключается в том, что микробные сообщества горячих источников, независимо от их географии, обладают генетическим кодом для фиксации углерода и синтеза высокоценных соединений. Способность захватывать CO2 и превращать его в органику оказалась универсальной чертой экстремофилов планеты.

В ходе исследования были обнаружены гены, отвечающие за производство важнейших химических веществ:

• Ацетон, молочная кислота и 1,2-пропандиол — компоненты для производства пластика, растворителей и лекарств.
• Витамин B2 и альгинаты — востребованные в пищевой промышленности.
• Эктоин — ценное вещество для косметики и противовоспалительных препаратов.

Микробы, живущие в самой агрессивной среде (выше 80 °C и высокая кислотность), оказались наиболее устойчивыми к сложным промышленным газам.

Как работает система трансформации выбросов?

Промышленные газы — это сложный «коктейль» из монооксида углерода, CO2, водорода, диоксида серы и оксидов азота. Сегодня такие выбросы либо выбрасываются в атмосферу, либо закачиваются в подземные хранилища, что требует колоссальных затрат энергии и денег.

Новая концепция предлагает использовать микробные сообщества гейзеров в качестве основы для биореакторов. Такие системы смогут работать с раскаленными промышленными газами напрямую, без необходимости их предварительного охлаждения или глубокой очистки. Вместо того чтобы просто утилизировать CO2, микробы перерабатывают его в полезные продукты.

Эта модель получила название «циклическая биоэкономика»: промышленный мусор не захоранивается, а возвращается в производственный цикл в виде ценного ресурса.

Преимущества исландских микробов перед альтернативами

Исландия стала идеальной природной лабораторией из-за своей вулканической активности. Гейзеры здесь служат естественным полигоном, где природа уже отобрала микроорганизмы, способные выживать в условиях промышленного типа.

Существующие методы переработки CO2 имеют слабые места. Например, микроводоросли гибнут при высоких температурах и чувствительны к оксидам серы и азота. Одиночные штаммы бактерий менее гибкие и производят ограниченный спектр веществ. В то же время сложные микробные сообщества из горячих источников работают по принципу «разделения труда»: разные виды берут на себя разные этапы процесса, что делает систему стабильной и эффективной.

Путь от лаборатории к заводу

На данный момент исследование является фундаментальным доказательством концепции и «дорожной картой» для будущих технологий. Сейчас ученые работают над созданием стабильных микробных культур в лабораторных условиях, используя симуляторы реальных промышленных газов.

В изученных образцах было найдено более 500 уникальных продуктов обмена веществ, включая антимикробные и противоопухолевые соединения. Хотя источники с более низкой температурой (ниже 70 °C) демонстрируют большее разнообразие потенциальных продуктов, именно экстремофилы обещают стать ключом к декарбонизации тяжелой промышленности.