Бактерии добыли редкоземельные металлы из базальта на борту МКС

Эксперименты на Международной космической станции показали, что бактерии Sphingomonas desiccabilis могут эффективно извлекать металлы из базальта даже в условиях низкого тяготения. Если ученые сумеют оптимизировать этот процесс, его можно будет использовать для обеспечения полезными ископаемыми колоний на Марсе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Микроорганизмы играют важную роль в выветривания горных пород на Земле: они могут окислять или восстанавливать входящие в состав минералов элементы, а также ускорять коррозию. Люди научились использовать эти свойства бактерий для добычи полезных ископаемых (биомайнинга), и очистки загрязненных почв (биоремедиации). Например, тиобактерии можно использовать для извлечения золота и меди из горных пород, что является хорошей альтернативой традиционной добыче с помощью ядовитых цианидных растворов.

Год назад ученые из восьми стран объединились под руководством Чарльза Кокела (Charles Cockell) из Эдинбургского Университета, чтобы выяснить, будет ли работать биомайнинг за пределами Земли. Если такой процесс удастся осуществить на практике, это может существенно облегчить, например, колонизацию Марса: необходимые металлы можно будет получить прямо на месте. Однако, Кокел и его коллеги сомневались в том, что бактерии смогут так же эффективно работать при пониженной гравитации: чем ниже гравитация, чем медленнее смешиваются жидкости и тем сложнее бактериям захватывать пищу и избавляться от отходов. Больше всего ученых интересовала возможность добычи редкоземельных металлов (РЗМ). Это общий термин для 17 металлов: 15 лантанидов, а также скандия и иттрия, которые очень важны для человечества: они используются в производстве современной микроэлектроники, катализаторов и других высокотехнологичных отраслях.

Эксперименты по биомайнингу прошли на Международной космической станции летом 2019 года — их осуществил европейский астронавт Лука Пармитано (Luca Parmitano). На орбиту доставили образцы пород, штаммы бактерий, а также специальные биореакторы, снабженные центрифугами для контроля гравитации. Всего было протестировано три вида бактерий — Bacillus subtilis, Cupriavidus metallidurans и Sphingomonas desiccabilis. С каждым видом бактерий проводили по три эксперимента — в условиях микрогравитации, в условиях, имитирующих гравитацию Марса (сила тяжести на Марсе составляет приблизительно 38 процентов земной, в эксперименте использовали значение 40 процентов), и в условиях, имитирующих нормальную земную гравитацию. В качестве питательной среды использовали слабощелочной (pH=7,2) раствор глюкозы, крахмала, дрожжевого экстракта и солей магния и калия. Кроме того, авторы провели контрольные эксперименты с питательным раствором без микроорганизмов — также при трех значениях гравитации. Породу во всех экспериментах использовали одинаковую — базальт, который относительно богат РЗМ, и при этом присутствует в больших количествах на Марсе и Луне. Чтобы максимально приблизиться к условиям реального биомайнинга, ученые решили базальт не измельчать. Количество извлеченных металлов измеряли на Земле с помощью метода масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

Лучшими «шахтерами» оказались бактерии Sphingomonas desiccabilis. Количество всех извлеченных РЗМ кроме церия было выше, чем в случае контрольного эксперимента. При этом разница между эффективностью Sphingomonas desiccabilis в различных гравитационных условиях оказалась статистически незначимой. Эффективность биомайнинга под действием Cupriavidus Metallidurans не отличалась от контрольного эксперимента, а Bacillus subtilis показали самую низкую эффективность.

Как именно Sphingomonas desiccabilis извлекает металлы из базальта, пока не известно — чтобы выяснить это, ученые планируют провести дополнительные эксперименты в земных лабораториях. Известно, что эта бактерия выделяет полисахариды, которые связываются с металлами. Ученые отметили, что Sphingomonas desiccabilis более эффективно захватывает тяжелые РЗМ — в частности гадолиний Gd и лютеций Lu. Это может быть вызвано предпочтительным связыванием таких металлов с фосфатными фрагментами полисахаридов.

Ученые предполагают, что одной из причин эффективности Sphingomonas desiccabilis в различных гравитационных условиях был избыток питательных веществ. Несмотря на низкую скорость захвата питательных веществ при низкой гравитации, их все равно было достаточно для того, чтобы число бактерий в колонии достигло максимума. При недостатке питательных веществ эффективность извлечения металлов может снизиться — поэтому ученым и инженерам еще предстоит придумать, как обеспечить бактерий питанием на протяжении всего процесса биомайнинга.

В целом работа Кокела и его коллег продемонстрировала принципиальную возможность использования бактерий для добычи полезных ископаемых на других планетах. Насколько этот процесс рентабелен и как его можно оптимизировать, ученым еще предстоит выяснить.

В прошлом месяце мы писали про исследование китайских химиков, которые с помощью бактерий синтезировали электроды для получения кислорода из воды. Ученые показали, что такие бактерии покрывают поверхность электродов частицами сульфида железа, которые облегчают адсорбцию кислорода, поэтому электролиз можно проводить при более низком значении потенциала. О судьбе проектов по добыче полезных ископаемых на астероидах читайте в нашем материале «Астероиды вылетели в трубу».