Są takie gleby na terenie województwa śląskiego, na których z trudem wyrastają rośliny. Wszystkiemu winne jest skażenie środowiska, będące wynikiem działalności człowieka. Zespół naukowców pod kierunkiem prof. UŚ dr hab. Zofii Piotrowskiej-Seget, prodziekan Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ, od lat analizuje mechanizmy oporności mikroorganizmów na metale, aby wspomagać naturę próbującą samoistnie oczyścić się z zanieczyszczeń.

Członkowie zespołu, którzy brali udział w projekcie badawczym. Pierwszy rząd: mgr Anna Jarosławiecka, dr Katarzyna Hupert-Kocurek, prof. UŚ dr hab. Zofia Piotrowska-Seget. Drugi rząd: dr Mirosław Kwaśniewski i mgr Sławomir Sułowicz

Śląsk – naturalne laboratorium

Wśród wspomnień prof. UŚ dr hab. Zofii Piotrowskiej-Seget znalazło się jedno szczególne, które miało wpływ na wybór przedmiotu zainteresowań badawczych, jakim jest rola mikroorganizmów w oczyszczaniu środowisk skażonych metalami ciężkimi. Otóż, ponad 10 lat temu grupa naukowców z WBiOŚ oprowadzała swojego gościa z Holandii, światowej sławy mikrobiologa prof. Jana Dirka van Elsasa, po śląskich terenach, pokazując mu hałdy i tereny o wysokim stopniu zanieczyszczenia. Jego reakcja była zaskakująca: – Jakie wy macie wspaniałe laboratorium! Wykorzystajcie to! Słowa mikrobiologa nie tylko utkwiły w pamięci pani prodziekan, lecz również zaowocowały wieloma pracami poświęconymi występowaniu mikroorganizmów w glebach Górnego Śląska.

Jeden z projektów badawczych, prowadzonych przez zespół, którym kieruje prof. UŚ dr hab. Piotrowska-Seget, dotyczy mechanizmów warunkujących oporność bakterii glebowych na jony kadmu – toksycznego pierwiastka, który nie pełni żadnej biologicznej funkcji w komórkach organizmów. Wskutek rozwoju przemysłu na obszarze województwa śląskiego, stężenie kadmu i innych metali ciężkich w niektórych miejscach znacznie przekracza dopuszczalną wartość. Dzięki niezwykłym, wypracowanym przez naturę „narzędziom”, środowisko może się samo oczyścić, jednakże jest to proces długotrwały i niezwykle skomplikowany. Jeżeli działalność ludzi doprowadziła do skażenia gleb i wód, to, w przekonaniu naukowców, również człowiek powinien naturę wspomagać w jej samooczyszczaniu. Taka postawa sprawia, że wielu z nich decyduje się na pracę poświęconą odkrywaniu naturalnych mechanizmów usuwania zanieczyszczeń i wykorzystaniu ich w przyspieszaniu procesów bioremediacji.

Jak wyjaśnia prof. UŚ dr hab. Piotrowska- -Seget, w praktyce materiał do badań izoluje się z terenów silnie zanieczyszczonych, na przykład z Szopienic, Miasteczka Śląskiego czy okolic Huty Katowice w Dąbrowie Górniczej. Głównym przedmiotem zainteresowań mikrobiologów są bowiem bakterie, które zaadaptowały się do tych trudnych warunków życia. Skażenie terenu doprowadziło do wyselekcjonowania się grupy mikroorganizmów opornych na metale ciężkie, takie jak kadm, srebro, nikiel czy ołów. Zadanie naukowców obejmuje izolację szczepów bakterii, określenie poziomu ich metalotolerancji oraz poznanie mechanizmów pozwalających im przeżyć w skażonej glebie, przy czym takich obronnych działań jest wiele. Niektóre bakterie zatrzymują toksyczne pierwiastki na powierzchni komórek, nie pozwalając na wnikanie metali ciężkich do wnętrza organizmu, lub wiążą je w nietoksyczne kompleksy wewnątrz komórek. Innym interesującym mechanizmem jest tak zwany wyrzut pierwiastka z komórki na zewnątrz – niektóre bakterie posiadają pompy wyłapujące metal w komórce i wyrzucające go z organizmu. – Podobnie działa mechanizm oporności bakterii na niektóre antybiotyki – wyjaśnia prof. UŚ dr hab. Piotrowska-Seget. – Okazało się, że wiele z genów kodujących oporność bakterii na metale ciężkie, jest ulokowanych w plazmidach, pozachromosonowych elementach genetycznych, które warunkują różne specyficzne właściwości mikroorganizmów. Taką właściwością jest właśnie zdolność radzenia sobie bakterii z metalami ciężkimi.

Oporne i kapryśne

Systemy oporności u bakterii wykształciły się zanim jeszcze człowiek zaczął zanieczyszczać środowisko. Mikroorganizmy miały kontakt z metalami ciężkimi w zasadzie od początków powstawania życia na Ziemi. Działalność ludzi doprowadziła jednak do zwiększenia stężenia pierwiastków toksycznych w glebie, gdzie działają toksycznie na organizmy ją zamieszkujące. W wyniku wieloletniej presji na Śląsku, ukształtowała się swoista mikroflora, a prowadzone badania wykazują, że w niektórych glebach nawet 80% wszystkich bakterii stanowią szczepy metalooporne.

Ze względu na przedmiot badań, ważna okazuje się również współpraca między naukowcami reprezentującymi różne dziedziny nauki. Realizację projektu wspierali dr Katarzyna Hupert-Kocurek z Katedry Biochemii i dr Mirosław Kwaśniewski z Katedry Genetyki WBiOŚ. Dr Hupert-Kocurek zajmowała się izolowaniem plazmidów, identyfikacją genów kodujących systemy odpowiedzialne za oporność bakterii czy klonowaniem tych genów. Jak sama przyznaje, są to jednak działania żmudne: – Najtrudniej jest zacząć, znaleźć punkt wyjścia. Plazmidy występujące u dzikich szczepów bakterii sprawiają dużo kłopotów. Często są bardzo duże, a im większy plazmid, tym trudniej go wyizolować. Trzeba więc być cierpliwym i się nie zniechęcać. Za pierwszym razem rzadko kiedy osiąga się oczekiwany efekt.

Bardzo wiele cennych informacji o jednym z plazmidów zawdzięczamy dr. Mirosławowi Kwaśniewskiemu, który zsekwencjonował megaplazmid wyizolowany z metaloopornego szczepu Streptomyces sp., a także przeprowadził jego bioinformatyczną analizę. Badania wykazały, że analizowany plazmid zawiera szereg genów kodujących białka związane bezpośrednio z metabolizmem jonów metali, m.in. kadmu, cynku, manganu, kobaltu i miedzi.

Co więcej, bakterie okazują się… kapryśne i nieprzewidywalne. Zwraca na to uwagę koordynatorka projektu: – Czytając artykuły naukowe, wszystko wydaje się proste, wyizolujemy i już, gotowe. A w praktyce izolujemy, izolujemy, izolujemy… i nic. To wiele godzin spędzonych w laboratorium. Bakterie też są kapryśne. Mamy bakterię, która rośnie, rośnie i nagle przestaje, mówi: dziękuję, teraz nie rosnę!

Badane mikroorganizmy, mimo iż hodowane są w specjalnych pomieszczeniach, w których zapewnia się im stałe warunki, doskonale zdają sobie sprawę ze wszystkich zmian, jakie zachodzą za oknem laboratorium. Wyczuwają zmiany pór roku i często lepiej rosną wiosną, gdy topnieją śniegi. Póki co, jest to zjawisko niewytłumaczalne.

Istotnym okazuje się również transfer genów między mikroorganizmami. Badania wykazały bowiem, że bakterie mogą sobie przekazywać niektóre plazmidy. W procesie koniugacji bakterii, polegającym na poziomym, bezpośrednim transferze genu DNA z jednej komórki do drugiej, mikroorganizm może „zarazić” swoją opornością inny mikroorganizm. W ten sposób powstaje populacja bakterii opornych na metale ciężkie. Pozostałe, metalowrażliwe, w tak skażonych glebach po prostu nie przetrwają.

Z laboratorium ku naturalnemu środowisku

Część naukowa prowadzonych badań sprowadza się przede wszystkim do izolowania, identyfikacji i charakterystyki plazmidów warunkujących oporność bakterii na metale ciężkie. Zgromadzony materiał pozwala jednak poszerzyć spektrum zainteresowań ku praktycznym zastosowaniom otrzymanych wyników. Badania w obrębie biotechnologii środowiskowej umożliwiają wykorzystanie mikroorganizmów do bioremediacji skażonych środowisk, technologii usuwania zanieczyszczeń z gleb skażonych metalami ciężkimi czy węglowodorami aromatycznymi. Alternatywnym rozwiązaniem są metody fizykochemiczne, jednak biologom inspiracji dostarcza sama natura. Bioremediacja jest, bowiem, metodą bliższą środowisku naturalnemu, mniej kosztowną, nie zmieniającą struktury gleby czy wreszcie mającą większą akceptację społeczną. Działalność bakterii może okazać się jednak niewystarczająca. Jak wyjaśnia prof. UŚ dr hab. Piotrowska-Seget, nie można ich wykorzystać do bezpośredniego oczyszczania gleb z metali ciężkich, ponieważ nie ma sposobu usunięcia z gleby tych bakterii, które związały metale. Po śmierci mikroorganizmu jony metali uwalniają się z komórki i znów przejawiają swoje toksyczne działanie.

Najefektywniejszą biologiczną metodą usuwania metali ciężkich z gleb jest fitoekstrakcja, która opiera się na zdolności roślin do kumulowania jonów metali ciężkich. W metodzie tej szczególnie wykorzystuje się rośliny gromadzące metale w nadziemnych częściach. Po zakumulowaniu metali, rośliny można zebrać i zutylizować. Okazuje się, że do zwiększenia wydajności fitoekstrakcji można wykorzystać również mikroorganizmy. Prowadzone badania pozwoliły wyizolować pewne szczepy bakterii, które, wprowadzone do gleby, zwiększały „moc akumulacyjną” roślin, w wyniku czego rośliny gromadziły więcej toksycznych metali.

Badania laboratoryjne to jeden z etapów. Kolejnym jest sprawdzenie otrzymanych wyników w praktyce. – Liczymy na to, że uda się nam w najbliższym czasie sprawdzić wyniki badań przeprowadzonych w laboratorium w warunkach polowych. Próbujemy również nawiązać współpracę z jedną z firm, która chce oczyszczać swoje tereny skażone związkami ropopochodnymi – wyjaśnia koordynatorka zespołu. Nie zawsze, bowiem, mikroorganizmy zachowują się w sposób przewidywalny w naturalnym środowisku.

Rozwój mikrobiologii dokonuje się wraz z wprowadzaniem metod umożliwiających poznanie rzeczywistej bioróżnorodności i aktywności mikroorganizmów w trakcie bioremediacji. Im więcej można zbadać, tym szersze możliwości zastosowania w praktyce – chociaż w tej dziedzinie, zgłębiającej tajemnice natury, trudno mówić o absolutnej pewności. – Otrzymane dotychczas wyniki są efektem zaangażowania całego zespołu, w którym pracowali: dr Katarzyna Hupert-Kocurek, doktoranci mgr Anna Jarosławiecka oraz mgr Sławomir Sułowicz, a także prof. dr hab. Ursula Kurzik-Dumke z Uniwersytetu w Meinz, nasza mentor w dziedzinie biologii molekularnej, i wspierający zespół, wspomniany wcześniej genetyk dr Mirosław Kwaśniewski – zaznacza prof. UŚ dr hab. Piotrowska-Seget. Wybrane miejsce badań rzeczywiście okazało się wspaniałym naturalnym laboratorium, dokładnie tak, jak ponad 10 lat temu przewidział prof. van Elsas.