Jesteśmy młodym zespołem, ale działamy prężnie. Nasi doktoranci prowadzą świetne badania – zapewnia prof. dr hab. Zofia Piotrowska-Seget, kierownik Katedry Mikrobiologii WBiOŚ UŚ. Spotykają się podczas seminariów, każdy prezentuje efekty swoich prac badawczych. Przygotowują wnioski grantowe, publikacje, wystąpienia. Sukcesem zakończyły się starania o grant Narodowego Centrum Nauki (NCN) na badania doktorantki Magdaleny Pacwy-Płociniczak, która zajmuje się wykorzystaniem bakterii produkujących biosurfaktanty w bioremediacji gleby skażonej związkami ropopochodnymi.

U góry – przejaśnienia powstałe w wyniku kontaktu biosurfaktantu obecnego w zawiesinie bakteryjnej z powierzchnią zawierającą ropę naftową. Na dole – emulsje wytworzone w wyniku zmieszania zawiesiny bakteryjnej zawierającej biosurfaktant z wybranymi węglowodorami.

Pożar w rafinerii nafty

Podczas burzy, która przeszła nad Czechowicami- Dziedzicami w czerwcu 1971 roku, piorun uderzył w tak zwany kominek oddechowy zbiornika ropy. Wybuchł olbrzymi pożar rafinerii nafty, który pochłonął 37 ofiar. W wyniku gwałtownych reakcji, będących następstwem eksplozji, na strażaków spadło kilka tysięcy ton płonącej ropy. Skutki zdarzenia okazały się tragiczne także dla środowiska naturalnego. Od wybuchu gromadzone są tam bowiem odpady kwaśnej smoły porafinacyjnej, które zatruwają pobliskie gleby.

Gdzieś na horyzoncie pojawia się jednak szansa bioremediacji skażonej przestrzeni. Właścicielem terenu jest bowiem firma, która zajmuje się utylizacją odpadów, między innymi zgromadzonej tam smoły. Gdy substancja zostanie zebrana, firma planuje rekultywację owego terenu. W tym punkcie rozpoczyna się możliwość nawiązania współpracy między przedsiębiorstwem i uczelnią. Jak wyjaśnia doktorantka, autorka badań, została już podpisana odpowiednia umowa, dzięki której możliwe będzie zastosowanie wyników prowadzonych eksperymentów w terenie. Jest to ważne nie tylko ze względu na poszukiwanie nowych metod bioremediacji i sprawdzanie ich w praktyce, lecz również na możliwość oczyszczania środowiska ze związków ropopochodnych.

Magdalena Pacwa-Płociniczak zajmowała się w ramach pracy magisterskiej zagadnieniami związanymi z metalami ciężkimi. Potem jednak zainteresowała się biosurfaktantami – związkami powierzchniowo czynnymi, produkowanymi przez bakterie, mającym szerokie zastosowanie. Są składnikiem kremów kosmetycznych, szamponów, środków piorących, czyszczących. Okazały się również przydatne w walce z zanieczyszczeniami środowiska. – A ponieważ żyjemy na Śląsku, gdzie nie brakuje gleb zanieczyszczonych związkami ropopochodnymi, naturalne wydało się podjęcie takiego właśnie tematu – dodaje.

– Badania okazały się bardzo ciekawe. Są też zaawansowane. Magda jest osobą aktywną, zaangażowaną w pracę. Dużo czasu spędza w laboratorium. Zaproponowałam jej, żeby została z nami w Katedrze Mikrobiologii. W związku z tym napisała grant, w ramach którego może być u nas zatrudniona – wyjaśnia prof. Piotrowska-Seget.

Związki toksyczne, związki oczyszczające

Zacznijmy od tego, że bakterie występują praktycznie wszędzie. Nie przeszkadzają im ani metale ciężkie, ani związki ropopochodne. Przenieśmy się ponownie na obszar położony w pobliżu Rafinerii Nafty w Czechowicach- Dziedzicach. Są tam gleby zanieczyszczone węglowodorami, a w glebach tych występują bakterie, mające zdolność rozkładu owych substancji do dwutlenku węgla i wody. Jak wyjaśnia doktorantka, kontakt bakterii ze związkiem węglowodorowym jest jednak utrudniony. Powierzchnia komórek bakteryjnych jest bowiem hydrofilowa (może łączyć się z wodą), natomiast zanieczyszczenia węglowodorowe charakteryzują się silnymi właściwościami hydrofobowymi (są niezwilżalne przez wodę). Aby kontakt był możliwy (oraz, w dalszym etapie, rozkład szkodliwego związku organicznego), bakteria radzi sobie, wytwarzając specyficzne związki – biosurfaktanty.

Skoro więc znany był mechanizm działania bakterii, naturalną wydała się możliwość wykorzystania tych właściwości mikroorganizmów do oczyszczania skażonych terenów. Im więcej takich bakterii, tym oczekiwany lepszy efekt. Pierwsze zadanie polegało więc na opracowaniu taniej metody namnażania bakterii produkujących owe biosurfaktanty. Tradycyjnie odbywa się to na podłożach mikrobiologicznych. Jeśli jednak bierze się pod uwagę masową „produkcję” tych mikroorganizmów, z zachowaniem produkcji związków powierzchniowo-czynnych, konieczne wydało się naukowcom poszukiwanie tańszych metod. Pozostało więc sprawdzić, czy bakterie zechcą się namnażać na… odpadach. – Zgromadziliśmy dwadzieścia jeden ścieków, odpadów oraz produktów ubocznych z przemysłu mleczarskiego, browarniczego, cukrowniczego, alkoholowego i z przetwórstwa warzywno-owocowego – wyjaśnia Pacwa-Płociniczak.

Magdalena Pacwa-Płociniczak wraz z promotorką rozprawy doktorskiej prof. dr hab. Zofią Piotrowską-Seget w laboratorium

Pierwsze etapy projektu i, tym samym, dwa lata studiów doktoranckich, to badania w warunkach laboratoryjnych. Przed testowaniem odpadów bakterie zostały wyizolowane z gleby przywiezionej z okolic rafinerii. Najpierw sprawdzona została ich zdolność do produkcji związków powierzchniowoczynnych. Doktorantka stosowała różne metody analizy, by zwiększyć prawdopodobieństwo otrzymania wyników. Metody pośrednie pozwalają na szybkie sprawdzenie dużej liczby szczepów: doktorantka nanosiła na płytkę Petriego wodę, następnie nakrapiała ropę naftową, która tworzy cieniutką warstewkę na powierzchni. Za pomocą pipety nanosiła wreszcie określoną objętość zawiesiny bakteryjnej i sprawdzała, czy powstają przejaśnienia na skutek kontaktu cieczy zawierającej związek powierzchniowo- czynny z ropą naftową. Zostały również sprawdzone zdolności emulsyfikacyjne wyizolowanych szczepów bakterii. Na zdjęciu zamieszczonym na str. 16, w dwóch probówkach widoczne są wytworzone emulsje oraz w trzeciej – brak takiej emulsji (czyli widoczne dwie warstwy: wodna ze szczepem i organiczna z węglowodorem). Mieszanina bakterii zmieszana z wybranym związkiem organicznym, a następnie pozostawiona na dwadzieścia cztery godziny sprawia, że może wytworzyć się emulsja widoczna jako pianka, o ile szczep posiada zdolności emulsyfikacyjne. Im wyższa „pianka”, tym lepsze zdolności.

Wykorzystywane były również posiewy szczepów bakterii na podłoża selekcyjne. – Warto zwrócić uwagę na zdjęcie zamieszczone na okładce gazety, na którym widoczny jest posiew szczepów na podłoże z agarem krwistym. Obserwowane tam strefy przejaśniania, powstałe w wyniku lizy erytrocytów, świadczą o potencjalnej zdolności wyselekcjonowanych szczepów do produkcji biologicznych związków powierzchniowo- czynnych – wyjaśnia doktorantka.

Następnie przeprowadzono badania nad wykorzystaniem ścieków, odpadów i produktów ubocznych z przemysłu jako podłoży do namnażania bakterii produkujących biosurfaktanty. Powodzeniem cieszyły się odpady z przemysłu browarniczego (co ciekawe, przemysł alkoholowy nie wzbudził większego zainteresowania bakterii). Najlepsze efekty przyniósł przemysł cukrowniczy. Mikroorganizmy najlepiej czuły się na pożywce z melasy i to ona została wyselekcjonowana jako najlepsze podłoże do namnażania bakterii i produkcji biosurfaktantów.

Namnożone i przebadane bakterie zostały następnie wprowadzone do zanieczyszczonej gleby. To kolejny etap badań, który obejmował tak zwane doświadczenie doniczkowe. Do doniczek dodano zanieczyszczoną glebę, a następnie, w różnych układach, wprowadzono bakterie, wyselekcjonowane w pierwszym etapie badań. Konieczne okazało się również sprawdzenie, w jaki sposób te szczepy wpływają na mikroflorę występującą w naturalnych glebach. – Od tego zależy sukces lub porażka całego projektu. To, co uzyskujemy w warunkach laboratoryjnych, niestety, nie zawsze może być osiągnięte w środowisku naturalnym. Póki co, skończone doświadczenie doniczkowe i wprowadzenie jednego ze szczepów spowodowało prawie pięćdziesięcioprocentowy ubytek węglowodoru – wyjaśnia Pacwa-Płociniczak. Ważna jest również przeżywalność takiego szczepu. Doświadczenie trwało 91 dni, wykorzystane zostały dwa szczepy bakterii. Przeżył tylko jeden z wprowadzonych szczepów. Drugi wytrzymał w glebie jeden dzień, mimo że wcześniej na pożywkach z dodatkiem węglowodorów namnażał się bardzo dobrze.

Badania rozpoczęły się w 2009 roku. Część prac została już zakończona. Przyznany przez Naukowe Centrum Nauki grant obejmuje końcowy etap badań, umożliwia również wykorzystanie droższych i skuteczniejszych metod analizy aktywności bakterii, zdolnych do rozkładu toksycznych związków organicznych. Rozkład węglowodorów jest procesem długotrwałym. Ostatni etap będzie obejmował badania w środowisku naturalnym. W ramach grantu, dzięki zastosowaniu innej metody, ponownie zostały wyizolowane kolejne szczepy bakterii, charakteryzujące się lepszymi właściwościami. Kolejne analizy będą przeprowadzane do 2015 roku.

Doktorantka przygotowała szereg publikacji naukowych i poszerzała swoją wiedzę na University of Helsinki w Finlandii, podczas półrocznego wyjazdu w czasie studiów, w ramach programu Erasmus. Współpracę z tym ośrodkiem naukowym kontynuowała podczas stażu odbywanego już na studiach doktoranckich. Dzięki udziałowi w projekcie, uczyła się między innymi wykorzystywania metod molekularnych, które stosuje w prowadzonych obecnie badaniach.

Promotorka rozprawy, prof. Piotrowska- Seget, nie boi się o swoich doktorantów.

– Niech wyjeżdżają, niech się uczą, ale muszą do nas wrócić. Zresztą, gdzie im będzie tak dobrze, jak tutaj? Nigdzie nie ma takiej atmosfery! – przekonuje.

Doświadczenia w ramach badań związanych z biosurfaktantami i opracowaniem efektywnej metody ich produkcji z wykorzystaniem odpadów prowadzone były w Instytucie Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach pod kierunkiem dr hab. Grażyny Płazy, prof. IETU.