I gdy zgaśnie już nadzieja, przypomnimy sobie o nich: bakteriach

Wielka plama plastiku na Oceanie Spokojnym jest już trzykrotnie większa niż terytorium Francji. W samej Polsce z powodu smogu umiera rocznie ponad 40 tysięcy osób, zanieczyszczenie środowiska jest powodem co czwartego przedwczesnego zgonu na świecie. Jeśli chcemy przeżyć musimy oczyścić planetę. Wygląda na to, że w tym celu należy się zwrócić ku tym samych organizmach, które legły u podstawy ziemskiego życia: ku bakteriom.

3,8 miliarda lat temu pojawiły się na Ziemi pierwsze jednokomórkowe żywe organizmy - bakterie. W jednym gramie gleby jest ich nawet 40 milionów, w jednym mililitrze wody słodkiej około miliona. Nawet my sami bardziej składamy się z bakterii niż z własnych komórek: na każdą komórkę ludzkiego organizmu przypada aż 10 komórek bakterii. Masa tych "lokatorów" mieszkających w nas to aż dwa kilogramy. Ziemię zamieszkuje jakieś pięć kwintylionów bakterii (5x1030), czyniąc z nich prawdziwych właścicieli naszej planety. To bakterie stworzyły ziemskie życie. I to one mogą to życie uratować.

Smakosze toksyn

W Zatoce Kalifornijskiej, na głębokości dwóch tysięcy metrów, żyją mikroorganizmy, którym nie dość, że nie straszna jest im niska temperatura, to jeszcze badania wykazały, że żywią się węglowodorami, takimi jak metan i butan.

- Pokazuje to, że w głębiach oceanu można znaleźć cenną, wciąż nieodkrytą bioróżnorodność i mikroskopijne organizmy zdolne rozkładać ropę naftową i inne szkodliwe chemikalia - stwierdził Brett Baker, badacz związany z University od Texas w Austin. - Pod dnem oceanu znajdują się ogromne rezerwuary gazów węglowodorowych, w tym metanu, propanu, butanu i innych. A te mikroby zapobiegają ucieczce gazów cieplarnianych do atmosfery.

Jak się okazuje - nie tylko zatrzymują gazy cieplarniane przed wydostaniem się na powierzchnię, ale również mogą stać się ważną bronią w walce z globalnym ociepleniem. Jeśli naukowcom uda się wykorzystać ich zdolności w sposób kontrolowany, lub przetransferować je na inne organizmy, to może się okazać, że żyjące w gorącym środowisku kominów termalnych mikroby staną się naszą główną bronią przeciwko degradacji planety.

Aż 22 typy z odkrytych w Zatoce Kalifornijskiej mikrobów to organizmy nie znane wcześniej badaczom, o budowie genetycznej tak nietypowej, że odkrywcy sugerują, iż jest to całkiem nowa gałąź na drzewie życia. Odkrycie jest całkiem świeże, zostało opublikowane w ostatnich dniach listopada tego roku w Nature, a przed naukowcami jeszcze wiele lat badań, jednak są dobrej myśli. Bo skoro bakteriom raz udało się doprowadzić do rozkwitu życia na Ziemi, to może uda się im również doprowadzić do odzyskania planety i zniwelowania wszystkiego, co uczynili jej ludzie.

Plastik nam nie straszny

Pojawiające się regularnie w mediach zdjęcia najpiękniejszych zakątków świata zalanych plastikowymi odpadami budzą przerażenie. W listopadzie tego roku na plaży indonezyjskiej wyspy Kapota znaleziono martwego wieloryba. Olbrzym miał w żołądku ponad sześć kilogramów plastikowych śmieci: reklamówek, butelek, kubków.

W 2021 roku wejdzie w życie rezolucja zakazująca produkcji i rozpowszechniania na terenie Unii Europejskiej plastikowych przedmiotów jednorazowego użytku, jak plastikowe talerze lub sztućce. Jednak już teraz toniemy w śmieciach. Wykonana z PET butelka rozkłada się w naturalnych warunkach od stu do nawet tysiąca lat. Popularna "reklamówka" od 100 do 400 lat.

Tymczasem według danych Banku DNB Polska, sami tylko obywatele UE zużywają rocznie 100 miliardów reklamówek. Jedyną szansą, aby nie zatonąć w plastikowym morzu jest znalezienie sposobu na możliwie szybką i tanią biodegradację plastikowych odpadków.

Dwa lata temu w centrum utylizacji odpadów w japońskim mieście Sakai badacze dostrzegli coś zaskakującego: szczep bakterii, który żywi się politereftalanem etylenu, z którego produkuje się butelki na wodę i napoje PET. Bakterie Ideonella Sakaiensis były w stanie rozłożyć PET w przeciągu zaledwie kilku dni, choć - jak zaznaczyliśmy wcześniej - w normalnych warunkach tego typu produkt rozkłada się od 100 do nawet tysiąca lat.

Odkrycie rozpaliło wyobraźnię badaczy. Grupy naukowców z University of Portsmouth US Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory (NREL) oraz University of Campinas w Brazylii rozpoczęły badania nad wytwarzanym przez nią enzymem PET-azą. Eksperymenty pokazały, że enzym można usprawnić, co przyspieszy rozkład PET na prostsze elementy chemiczne. Być może już niedługo do rozkładu PET wystarczą piece podgrzewające plastik do 70 stopni, ciepła woda i szczypta produkowanego przez Ideonellę sadaiensis enzymu. Prace nad technologią - jak informuje czasopismo naukowe Proceedings of the National Academy of Sciences prowadzi równolegle kilka grup badaczy na całym świecie.

Casting na bakterię

Badania nad potencjałem bakterii do oczyszczania środowiska prowadzone są również w Polsce. Naukowcy z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego uważają, że skażoną substancjami toksycznymi glebę można oczyścić używając do tego wyselekcjonowanych z niej szczepów bakterii.

- Wybierając do bioremediacji skażonej przestrzeni bakterię wyizolowaną właśnie z tej przestrzeni mamy pewność, że najłatwiej odnajdzie się w tym środowisku - mówi dr Magdalena Pacwa-Płociniczak.

Wszystko zaczęło się od kwaśnej smoły porafinacyjnej z rafinerii nafty w Czechowicach-Dziedzicach. W 1971 roku piorun uderzył w zbiornik ropy. Wybuchł ogromny pożar, w którym zginęło 37 osób. Pozostała też skażona kwaśną smołą gleba. Czterdzieści lat po pożarze miejscem zainteresowała się dr Pacwa-Płociniczak.

- Pomysł był taki, aby przy użyciu bakterii oczyścić skażoną glebę, a do ich namnożenia użyć innych odpadów - wyjaśnia. - Takie doświadczenia prowadziliśmy we współpracy z prof. dr hab. Grażyną Płazą z Instytutu Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach.

Najpierw z terenu skażonego kwaśną smołą wyselekcjonowano bakterie zdolne do rozkładu węglowodorów do dwutlenku węgla i wody. Wyizolowano szczep Rhodococcus erythropolis CD 130, który próbowano namnażać na pożywkach przygotowanych z odpadów pochodzących z przemysłu browarniczego i gorzelniczego, jednak okazało się, że bakterie najlepiej namnażają się na melasie będącej produktem ubocznym przemysłu cukrowniczego.

Następnie wprowadzano je do gleby pobranej z terenu rafinerii i sprawdzano, jak radzą sobie z zanieczyszczeniami. Okazało się, że szczep ma moc oczyszczenia gleby z zanieczyszczeń. Ale na tym nie koniec. We współpracy z firmą Ekologus z Bielska-Białej doktor Pacwa-Płociniczak wraz z mężem dr Tomaszem Płociniczakiem rozwinęli koncepcję studni, w których bakterie namnażają się w miejscu występowania skażenia.

Wszelkie zanieczyszczenia przechodzą do wody gruntowej, w tej samej wodzie żyją również bakterie zdolne te zanieczyszczenia unieszkodliwić. Trzeba im tylko w tym pomóc. Stąd pomysł budowania napowietrzanej i ogrzewanej studni z zamkniętym obiegiem wody, do której wprowadza się wyselekcjonowane z danego terenu bakterie, które po namnożeniu są rozprowadzane po zanieczyszczonym terenie.

- Współpracowaliśmy przy tworzeniu kilku takich studni i możemy powiedzieć, że skuteczność oczyszczania jest bardzo duża. W przeciągu roku jakość wody wyraźnie się poprawiła, nawet o kilka klas czystości - mówi dr Tomasz Płociniczak.

- Usuwanie zanieczyszczeń za pomocą mikroorganizmów, czyli bioremediacja, to wciąż mało doceniana gałąź nauki. Wielu ludzi sądzi, że aby poradzić sobie z tym, co zrobiliśmy środowisku, konieczna jest zaawansowana technologia. Ale uwierzmy naturze, jej zdolności do samoregulacji. Mamy możliwości, by jej w tym pomóc i chciałabym, żeby osoby odpowiedzialne za politykę ekologiczną dostrzegły potencjał, jaki stoi za bioremediacją - mówi prof. zw. dr hab. Zofia Piotrowska-Seget, dziekan Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego.

Pecunia non olet

Ci, którzy w dzieciństwie oglądali popularny serial "Domek na prerii" być może pamiętają, że rodzina Ingallsów wykorzystywała do budowy domu m.in. wysuszone na słońcu łajno bydlęce. Ponoć również na terenach polskich zalecano używanie łajna krowiego i końskiego do wykończenia domów. A co powiecie na dom zbudowany z... ludzkiej uryny?

Dr Dyllon Randall wraz ze swoimi studentami z Uniwersytetu w Cape Town znalazł sposób na tanią produkcję trwałych cegieł. Robią je własnie z ludzkiej uryny. Dochodzi do tego w trakcie naturalnego procesu, analogicznego do tego, w jaki mięczaki formują muszle.

Jak robi się cegły z moczu? Całkiem prosto. Badacze z Cape Town osiedlają wyselekcjonowane bakterie produkujące enzym ureaz na żwirze podlanym uryną. Enzym wpływa na mocznik, z którego tworzy się węglan wapnia pozwalający utwardzać piasek i kształtować go w dowolną formę. Ponoć eko-cegły są wyjątkowo trwałe i - co ważne - do ich wyrobu nie jest konieczna wysoka temperatura. Standardowe cegły wypalane są w temperaturze powyżej 1000 stopni Celsjusza, bio-cegły z uryny powstają w temperaturze pokojowej.

A może pójść za ciosem i dom zbudowany przez bakterie oświetlić również bakteriami? Dwa lata temu świat obiegła informacja, że francuski start-up Glowee zamierza oświetlić paryskie ulice latarniami wypełnionymi bioluminescencyjnymi bakteriami.

- Chcemy zmienić sposób produkowania i używania światła - powiedziała magazynowi "New Scientist" Sandra Rey z Glowee. - Wydaje nam się, że znaleźliśmy rozwiązanie pozwalające zmniejszyć o 19 procent światową konsumpcję energii niezbędnej do produkcji światła.

Do produkcji światła firma używa bakterii Aliivibrio fischeri, tych samych, które pozwalają morskim zwierzętom, takim jak kałamarnica Euprymna scolopes świecić w ciemności. Bakterie żyją na żelowej pożywce i "zapalają się" samodzielnie wraz z nastaniem nocy.

Co więcej, taki żywy bioluminescencyjny materiał może przyjmować różne kształty i być używany na przykład pod wodą. Ulega całkowitej biodegradacji i jest przyjazny dla wzroku. Miękkie, zielonkawe światło wytwarzane przez bakterie nie ma negatywnego wpływu na wzrok.

Bakterie na straży dóbr kultury

A gdyby tak zatrudnić zastępy bakterii do ochrony naszych dóbr? Wystawić je na straży, ot choćby dziedzictwa kulturowego?

Zdaniem Elisabetty Caselli, mikrobiolożki z uniwersytetu we włoskiej Ferrarze, kordon wyselekcjonowanych bakterii może ustrzec obrazy sztalugowe przed niszczycielskim wpływem środowiska. A wszystko zaczęło się od trzęsienia ziemi, które nawiedziło Ferrarę w 2012 roku.

Wówczas ze sklepienia bazyliki Świętej Marii spadło płótno z obrazem Carlo Bononiego "Koronacja Dziewicy" z początku XVII wieku. Płótno poddano analizie biologicznej, a badacze wyizolowali z pobranego materiału szereg grzybów oraz szczepy bakterii Staphylococcus i Bacillus.

Zespół prowadzony przez mikrobiolożkę pracował wcześniej nad nieszkodliwym dla zdrowia detergentami eliminującymi chorobotwórcze mikroby. Już wówczas zwróciła uwagę na bakterie Bacillus, które świetnie radziły sobie z eliminowaniem potencjalnie chorobotwórczych bakterii i zarazków. Dzięki możliwości przeanalizowania materiału pobranego z obrazu okazało się, że ten szczep potrafi również ochronić płótno przed niszczycielskim wpływem grzybów i bakterii.

Zdaniem Elisabetty Caselli analiza mikrobiologiczna powinna stać się standardową częścią procesu konserwacji cennych dzieł sztuki. - Można byłoby zacząć od pokrywania rewersu płótna roztworem alkoholowym zawierającym bakterie Bacillus, co chroniłoby obraz przed rozwojem potencjalnie groźnych mikrobów - zaznaczyła w pracy opublikowanej w periodyku naukowym "Plos".

Tak ożywimy Marsa

W możliwości bakterii wiarę pokłada NASA. Naukowcy związani z agencją są przekonani, że atmosferę Marsa można "natlenić" używając do tego bakterii i glonów. W 2020 roku na Czerwoną Planetę wyruszy kolejny łazik marsjański, wzorowany na Curiosity Mars 2020.

Jego głównym zadaniem będzie szukanie podziemnych źródeł wody oraz ewentualnych śladów po życiu na naszej sąsiedniej planecie. Ale nie tylko. Badacze zaprojektowali eksperyment, który - jeśli zakończy się pomyślnie - może stać się podstawą do stworzenia kolonii na Marsie. Na czym polega? Łazik ma zabrać ze sobą wytwarzające tlen bakterie i glony, które następnie "zasadzić" w marsjańskiej glebie.

Jeśli się przyjmą, zaczną mnożyć i produkować tlen, może stać się to jednym z czynników prowadzących do tzw. terraformacji Marsa, czyli po prostu w dostosowania planety do warunków zbliżonych do Ziemskich. Czy bakterie, pierwsze organizmy żywe na naszej planecie, odpowiedzialne za rozkwit całego bogatego życia na Ziemi, ożywią również Marsa? Wydaje się nieprawdopodobne?

Fakt, trudno w to uwierzyć. Jednak z drugiej strony Ziemia, zanim pojawiły się na niej bakterie również nie była przyjaznym środowiskiem.

Jednokomórkowe bakterie, które narodziły się w środowisku kominów termalnych wczesnej Ziemi były przez wiele milionów lat jedynymi stworzeniami na naszej planecie. 3,5 miliarda lat temu sinice nauczyły się zmieniać światło słoneczne w pożywienie. Ten proces nazywamy fotosyntezą wykorzystuje potęgę światła, żeby zmienić dwutlenek węgla i wodę w glukozę, prosty cukier. W czasie tej magicznej transformacji powstaje produkt uboczny, gaz zwany tlenem. Stromatolity wypełniają ocean tlenem. Każdy oddech zawdzięczamy tym koloniom prehistorycznych bakterii.

Może więc warto zaufać im ponownie?