SCHATTENBLICK - KUTATÁS 387 Protozoa az olajos étrendről (MaxPlanckResearch)
MaxPlanckResearch - A Max Planck Társaság tudományos magazinja 3/2010
Olajdiétán élő protozoonok
Írta: Tim Schröder
A baktériumok szinte bármiről megélhetnek, egyesek még olajon is. Friedrich Widdel, Rendező be Max Planck Tengeri Mikrobiológiai Intézet, olyan mikrobákat kutat, amelyek oxigén nélkül lebontják az üledék mélyén az olaj szénhidrogéneket. Segíthetnének a tartályhajók baleseteiben?
A baktériumok a szépség terén olyan messzire jutottak "- mondja Friedrich Widdel, és néhány fekete-fehér fotót tesz le az asztalra. Az egyiken egy csomó vékony fekete vonal látható, a másikban egy kis szürke folt. A baktériumok kívülről adnak nem sokkal több, mint egy absztrakt raj. Mindazonáltal annyira izgalmasak Widdel számára, hogy több mint 30 éve kutatja őket. "Anyagcseréjük teljesen lenyűgöző. A baktériumok olyan dolgokat képesek megtenni, amelyeket egyetlen magasabb rendű lény sem képes.
Valójában közülük sok mindent tartogat: lebontják az állatok és az emberek számára emészthetetlen anyagokat, például a cellulózot, vagy mérgező anyagokat, például a hidrogén-szulfidot. Fogják a nitrogént a levegőből és ellátják vele az üzemeket.
Olajtartályban hidrogén-szulfiddal indult
Senki sem tudja, hogy hányféle baktérium létezik, és a legtöbbjüket valószínűleg még mindig nem fedezik fel. Valószínűleg nincs olyan hely a világon, ahol egyik vagy másik baktérium nem lenne kényelmes. Az egysejtű szervezetek kolonizálják a talajokat, az árkokat, a szennyvíztisztító telepeket, a forró mélytengeri forrásokat és a sarkvidéki tengeri jeget. Ezen mikroszkópos apró dolgok sok milliárdja egyedül a testünkben és a testünkön, a belekben vagy a bőrön kavargik. És ez jó. Mivel a mikrobák taszítják az ellenségeket, és létfontosságú anyagokkal látnak el bennünket.
Friedrich Widdelt elsősorban azok a bakteriális szakemberek érdeklik, akik oxigén nélkül is boldogulnak - az "anaerobok", akik ehelyett kén- vagy nitrogénvegyületeket szívnak a környezetből, hogy lélegezzenek. A bremeni Max Planck Tengeri Mikrobiológiai Intézet kutatója különösen lelkes azoktól a baktériumtörzsektől, amelyek lebonthatják az olajat és otthon érezhetik magukat egzotikus élőhelyeken: a tengerparton lévő olajszőnyegek alatt vagy a tengerfenéken lévő oxigénmentes, olajos üledékben.
Widdel nagyon régen, 1982-ben kapta meg a témát, amikor egy mérnökbarát átvezetett egy olajraktárba. Problémák merültek fel egy kőolajtartállyal, egy szeparátorral, amelyben a fúrásoktól elválasztják az olaj-víz keveréket. A rothadt tojás szagú mérgező hidrogén-szulfid összegyűlt a tartályokban, olyan maró anyag, amely akár acélcsöveket is megtámadhat, "savanyú gáz".
A hidrogén-szulfid sok olajlerakódásban fordul elő. Nagyon mély hőmérsékleten bekövetkező kémiai reakciókkal hozható létre ott, mélyen a föld alatt. De miért keletkezett a langyos tartályban hidrogén-szulfid is, annak nem volt értelme. Widdel elég hamar rájött, hogy az oxigénmentes tartályban anaerob baktériumoknak kell működniük, mert a hidrogén-szulfid az anaerob anyagcsere tipikus bomlásterméke. De miből táplálkozzanak? Az 1980-as évek elején még azt hitték, hogy a kőolajat csak oxigént fogyasztó, "aerob" baktériumok bontják le. A kőolaj szénhidrogénekből áll, főleg az úgynevezett alkánokból, hosszú szénláncú szénatomokból, amelyekhez csak hidrogénatomok kapcsolódnak. Az aerob baktériumok anyagcseréjében az alkánok lebomlása hasonló módon történik, mint az autó motorjában. A hosszú láncok darabokra szakadnak, majd oxigénnel reagálnak - csak a szén-dioxid és a víz marad.
Az olaj alkatrészei levegő nélkül is lebomlanak
Az oxigénnel való reakció során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. Ezért elég messzire el lehet jutni egy liter benzinnel. Az aerob baktériumok esetében az alkánok oxigénnel történő felhasználása egyenesen ünnepi étkezés. De anaeroboknak? Abban az időben sok szakértő feltételezte, hogy az anaerob alkán felhasználása lehetetlen. Ellenkező esetben a baktériumok évmilliók során megették volna ezeket az anyagokat az olajlerakódásokból.
Mint kiderült, ez a hipotézis, bár elfogadható, hamis. Friedrich Widdel olajtartalmú vizet vitt a tartályokból a laboratóriumba, és légmentesen bepakolta. Aztán várt. Valóban. Lassan, de biztosan hidrogén-szulfid képződött a mintatartó injekciós üvegben, és ez csak a nyersolaj kénvegyület-szulfáttal történő lebontásából származhatott. Hogy mi zajlik a baktériumok anyagcseréjében, a mai napig csak részben értették meg. Widdel ezért megpróbálja megtalálni azokat a fehérjéket is, amelyek részt vesznek a lebontásban.
Úgy tűnik, mintha az anaerobok először meghosszabbítanák a láncokat, majd darabokra szednék őket, hogy végül egyesével lélegezzék be a darabokat. Oxigén helyett az anaerobok például szulfátot használnak, amely a tengervízben sokkal nagyobb koncentrációban fordul elő, mint az oxigén. Még akkor is, ha az oxigén már régóta elfogyott, mint az olajleválasztó tartályban, az anaerobokban még mindig sok szulfát áll rendelkezésre. A szulfát és az alkánok reakciójának végtermékeként a metabolikus folyamatok bonyolult sorrendjén keresztül hidrogén-szulfid képződik a baktériumokban. Ezen és más nemkívánatos baktériumok elnyomása érdekében az olajtermelés során antibakteriális anyagokat adnak a vízhez, amelyet az olajtermelés során a tartályokba pumpálnak.
Sokak számára az anaerob alkán és az olaj lebomlásának tézise kezdetben túl merésznek tűnt. Widdelnek alátámasztania kellett eredményeit, elvégre elképzelhető volt, hogy az oxigén lassan behatolhatott a gumidugókon keresztül a szorosan lezárt baktériumokba. Mert nincs olyan, hogy teljesen áthatolhatatlan gumi vagy műanyag. "Ezután egyszerűen zsugorítottuk olajmintáinkat kis üveg ampullákká" - mondja mosolyogva Widdel. Nem lehet légmentesebb. És ezzel sikerült a végső bizonyítás: az alkánláncok anaerob módon szén-dioxiddá bomlanak, ezáltal a szulfát hidrogén-szulfiddá alakul át!
Az anaerobok többsége lassan fejlődik
Hogy miért nem evették meg a baktériumok a baktériumokat évmilliók alatt, azt eddig nem igazán lehet megmagyarázni. Lehetséges, hogy egyes olajtartályok nagyon felmelegedtek, ezért ma is szinte sterilek. Más esetekben nagyon jól látható, hogy baktériumok működtek. Az aprók ínyencek. A nyers olajban több száz különböző alkán keverékéből pontosan azokat a vegyületeket választják, amelyek a legjobban emészthetők, például a 16 szénatomot tartalmazó molekulaszerkezetű hexadekánt.
Tenyésztő baktériumok az olaj elleni védekezéshez?
Ha egy ilyen olajmintát gázkromatográf segítségével elemezünk, olyan készülék segítségével, amely pontosan képes felismerni bizonyos anyagok nyomait, láthatjuk, hogy néhány alkán hiányzik. Az a tény, hogy a különböző lerakódásokból származó nyersolajok tulajdonságai és tulajdonságai eltérőek, részben az anaerob őrlési munkának köszönhető.
Bárkinek, aki anaerobokkal dolgozik, türelemre van szüksége. A mikroorganizmusok között sok anaerob tartozik a lajhárhoz. Lassított felvételben nőnek és szaporodnak. Senki sem tudja, miért van ez. A jól ismert laboratóriumi baktérium Escherichia coli másrészt a biotechnológusok munkagépe igazi sprinter. Oxigénnel él és működik. Ha kényelmes, 20 percenként osztódik. Tíz óra alatt milliárdnyi utód származik egy ilyen baktériumsejtből.
A Widdels baktériumok nem is kezdtek ugyanabban az időben növekedni. Napokat vagy akár heteket is megengednek a megosztottságnak. "Lassan élnek és halnak meg" - mondja a kutató. Ez az ilyen mikrobák tenyésztését szifoszmunkává teszi. A mikrobiológusok célja tiszta baktériumtenyészetek előállítása a funkciójuk megértése érdekében. A víz- vagy üledékmintában azonban sokféle baktériumtörzs hemzseg egymástól. Annak érdekében, hogy megtaláljuk ebben a mikroszkopikus gubancban azt a baktériumtörzset, amely ténylegesen lebontja az olajat, a mintát egyre jobban hígítjuk, míg végül - pusztán statisztikai szempontból - csak egy baktérium úszik a laboratóriumi edényben.
Közben azonban a baktériumoknak újra és újra szaporodniuk kell, hogy a kutatók ellenőrizhessék, egyáltalán van-e még az olajbontó baktérium a hígított mintában. Ehhez idő kell. Annyi idő, hogy az első néhány évben Widdel ritkán tudta doktoranduszt ültetni olajbontó anaerobjaira. Sokáig a hígítási sorozat inkább részmunkaidős munka volt számára és alkalmazottai számára.
A hidrogén-szulfid további problémákat okoz
Időközben a brémaiak számos tiszta törzset izoláltak. De még nem találtak igazán gyors anaerobot. A kutató biztos abban, hogy ezek a baktériumok ezért alkalmatlanok olajbaleset utáni tisztításra. Te túl lassú vagy. A Mexikói-öbölben előfordulóhoz hasonló tartályhajókban vagy balesetekben több ezer tonna nyersolaj szivárog ki néhány napon belül. Ezzel szemben még a fürge, aerob, oxigént fogyasztó unokatestvérek is kezdetben tehetetlenek. Az árapály az olaj és a kátrány tömegét a partra tereli, ahol gyakran alakulnak ki olajos iszap és homok zsírcsomók. A Widdels baktériumok végső soron aktívak mindenhol, ahol kevés az oxigén - például a tengerparton található fekete olajcsomagok alatt, de a tengerfenéken szivárgó természetes olajban vagy kőolajlelőhelyekben is.
Néha egy olajbaleset még oxigénszegény zónákat hoz létre közvetlenül a vízben, mert az aerob olajtermelők létfontosságú oxigént nyernek a tengervízből. A mindössze 0,2 milliliter olajcsepp teljes lebontásához az aeroboknak akár 80 liter víz oxigénjére van szükségük. Ha nagy mennyiségű olaj van a környezetben, az aerobok saját életelixírt rajzolnak. Amikor az oxigén végleg eltűnik, az anaerobok bekapcsolnak. Lassan átjutnak az olajkomponensekhez.
Ha az olaj tömegesen szivárog, akkor további problémák merülhetnek fel az ilyen helyeken. Az oxigénfogyasztás és az anaerob lebomlás hidrogén-szulfidot eredményez, amely alacsony koncentrációban is mérgező. "Minél többet foglalkozik az olajbányászat különböző kérdéseivel, annál világosabbá válik, hogy sokkal tudatosabban és felelősségteljesebben kell megküzdenünk az értékes nyersanyagolajjal" - mondja Widdel. "Egy olajbalesetnek mindannyiunkat érintenie kell, elvégre mindegyikünk olajat használ."
A vastag kőolajtömegek lebontása, ha az oxigénellátás elégtelen, évekig vagy akár évtizedekig tart, és valószínűleg továbbra is hiányos marad. Ezért egy baleset után hosszú ideig fekete zsíros olajmaradványok találhatók a tengerparti homokban. De az anaeroboknak van ideje. Évmilliók óta lassan táplálkoznak az olajjal, amely mindig természetes módon behatolt a lerakódásokból a tengerbe. Az anaerob olajépítők mindenütt megtalálhatók szénhidrogéntartalmú tengeri üledékekben, legyen az egy fríz kikötő iszapjában vagy a Kaliforniai-öbölben Mexikó nyugati részén.
Körülbelül 2000 méter mélyen forró víz emelkedik a földkéreg repedéseiből a tenger medencéjébe. Az elhalt algák maradványai a forróságban forognak, tömegesen csordogálnak a tenger felszínéről. Itt az olajkitermelés gyors mozgásban zajlik. A kőolaj általában a tenger mélyén keletkezik, több száz méteres hatalmas üledékcsomagok alatt, ahol magas hőmérséklet és óriási nyomás uralkodik. Egy ilyen geológiai gyorsfőzőben oxigénben gazdag cukrokat vagy zsírsavakat forralnak fel az elhalt biomasszából szénhidrogének előállítására.
Néhány mikroorganizmus metánra bontja a kőolajat
A Kaliforniai-öböl meleg óceánfenékén azonban szinte csak élőben tapasztalhatja meg, hogy az olaj csak néhány méter mélyen az óceán fenekén képződik. Még mielőtt 1992-ben Friedrich Widdel átvette a bremeni Max Planck Intézet mikrobiológiai osztályának irányítását, a kaliforniai expedíció során a massachusettsi Woods Hole Oceanográfiai Intézet alámerülője alatt a meleg forrásokba merült.
Eleinte csak szürke üledéket látott a fedélzeti fényszórók fényében. Aztán hirtelen sárgásfehér foltok jelentek meg, palacsinta méretű kénlerakódások - a baktériumok biztos jele. "A robotkarral szúrtuk a földet, és hirtelen kis sárgás olajcseppek emelkedtek fel, mint az olívaolaj a vizespohárban" - mondja Widdel. Érdekes anaerobokat talált ott. Ma többet művel.
Apró laboratóriumi lakói sokszor meglepik. Abban az időben például, amikor azt vizsgálta, hogy a hosszú szénláncú szénhidrogénekkel is történne-e valami szulfát hozzáadása nélkül is. Ennek során tulajdonképpen teljesen más mikroorganizmusok fejlődtek ki, amelyek a hosszú szénláncú szénhidrogéneket bontják a nyersolajtól a metánig, amely a földgáz fő alkotóeleme. Amikor Friedrich Widdel a laboratóriumban tenyésztette anaerob mikrobáit, egyértelmű volt számára, hogy a nyomás nő, ahol a gáz keletkezik. Ennek ellenére alábecsülte az egysejtű organizmusokat.
Egy nap, amikor az inkubátorba nézett, egy üvegpattanás tört ki, és annak tartalmát kiosztották. Widdel még mindig kis szomorúsággal emlékszik egy produkciós baktériumkultúra elvesztésére, amelyet régóta tenyésztett. Teljes "mikrobiális alkángázosítással" a térfogat több százszorosára nőhet. Talán ilyen baktériumok járultak hozzá az olajtartályokban lévő gázhoz.
Természetesen Friedrich Widdel nemcsak az olajat lebontó baktériumokkal foglalkozik. Mert az anaeroboknak sokkal többet kell kínálniuk. Tenyészkamrájának polcán szorosan lezárt palackok vannak, amelyekben fémcsíkok nyugszanak. A fémlemez az anaerobok táplálékforrása, amelyek közvetlenül felhasználják a fémes vasat és korrodálódnak. Widdel meg akarja érteni a vasvezetékek biokorróziójának problémáját.
A szénhidrogének témája azonban minden bizonnyal a leghosszabb ideig foglalkoztatja. Friedrich Widdel továbbra is új, érdekes tulajdonságokkal rendelkező baktériumtörzseket keres - mintákban, amelyeket ő maga vesz a Watt-tenger üledékéből, vagy szemüvegekben, amelyeket kollégái hoznak neki kutatási utakról. Feltételezi, hogy az egyik vagy másik baktérium meg fogja lepni képességeivel. Csak egy dologban nem hisz: "A szuper baktérium, amely rekord idő alatt megemészti az olajszennyezést. A lebomlási sebességnek és a baktériumok anyagcseréjének természetes korlátai is vannak."
Anaerobok
Az élőlények, amelyek az aerobokkal ellentétben oxigén nélkül metabolizálnak. Néhányuk közül az oxigén még mérgező is.
Gázkromatográf
Eszköz, amely elválasztja az anyagok keverékét. Az elegyet egy vivőgázzal egy finom, 10-50 méter hosszú csövön keresztül küldik, tekercsbe tekerve. A kapilláriscsövet olyan anyaggal bélelik, amelyen az anyagok a polaritásuktól és a gőznyomástól függően különböző ideig tartózkodnak. Ennek megfelelően különböző időpontok után jönnek ki a csőből.
Alkanes
Vegyületek, amelyek szénből és hidrogénből állnak, és nem tartalmaznak kettős kötést. A szénatomok egy láncból képeznek egy keretet, amely szintén elágazó és lezárható gyűrűt alkotva. Minden szabad kötési helyen van hidrogénatom. Főleg kőolajból nyerik.
Forrás:
MaxPlanckResearch - a Max Planck Társaság tudományos folyóirata
3/2010. Szám, 78–83
Szerkesztő: Osztály sajtó- és közönségkapcsolati osztálya
Max Planck Társaság a Tudomány Fejlesztéséért e.V.
Szerkesztőségi cím: Hofgartenstrasse 8, 80539 München
Tel .: 089/2108-1562, fax: 089/2108-1405
E-mail: [email protected]
A magazin PDF formátumban: www.magazin-dt.mpg.de
A füzet németül és angolul jelenik meg
(MaxPlanckResearch), évente négy kiadással.
A tudományos folyóirat ingyenes.
megjelent a Schattenblickben 2010. december 31-én