Wiele razy słyszeliśmy o tak zwanych dobrych bakteriach. Niektóre z nich utrzymują w niezłej kondycji nasz organizm, inne przyczyniają się do oczyszczania skażonych gleb i wody. Różne rozwiązania z tego zakresu badają w swoich projektach biolodzy z Uniwersytetu Śląskiego pod kierunkiem dr hab. Danuty Wojcieszyńskiej, prof. UŚ oraz dr hab. Urszuli Guzik, prof. UŚ, które mówią o tym, w jaki sposób mikroorganizmy mogą wspomóc pracę oczyszczalni ścieków w usuwaniu niesteroidowych leków przeciwzapalnych.

Fotografia komórek szczepu Bacillus thuringiensis B1(2015b) wchodzącego w skład szczepionki mikrobiologicznej, wybarwionych barwnikiem fluorescencyjnym GFP

Jednym z wyzwań, przed którymi stoją naukowcy, jest znalezienie skutecznych sposobów oczyszczania wody z substancji mogących mieć negatywny wpływ na organizmy żywe. Do tej grupy należą m.in. niesteroidowe leki przeciwzapalne (NLPZ). Są dostępne bez recepty pod wieloma nazwami handlowymi, takimi jak Ibuprom, Gripex czy APAP. Często są pierwszą bronią w walce z bólem czy gorączką. Nasz organizm nie potrafi ich całkowicie metabolizować, w wyniku czego część z nich przedostaje się w praktycznie niezmienionej formie do środowiska naturalnego. Wydalane z organizmu, znajdują się także w ściekach trafiających do oczyszczalni. W biologicznych oczyszczalniach nie dochodzi do skutecznego usuwania NLPZ, stąd część tych substancji dostaje się do rzek, a czasem wraz z wodą wodociągową do kranów.

Nic więc dziwnego, że naukowcy intensywnie poszukują naturalnych metod, które mogłyby okazać się skuteczne w procesie oczyszczania wody z NLPZ. Jedną z nich jest bioremediacja z wykorzystaniem odpowiednio dobranych szczepów bakterii. Tego typu mikroorganizmy od wielu lat bada zespół pracujący pod kierunkiem dr hab. Danuty Wojcieszyńskiej, prof. UŚ z Wydziału Nauk Przyrodniczych w składzie: dr Anna Dzionek, dr hab. Urszula Guzik, prof. UŚ, dr hab. Katarzyna Hupert-Kocurek, prof. UŚ, dr Ariel Marchlewicz, dr Agnieszka Nowak.

Zestaw mikroorganizmów

Jednym z sukcesów zespołu jest opracowanie specjalnej szczepionki, która będzie mogła zasilić systemy bioremediacyjne oczyszczalni w szczepy bakterii mające zdolność degradowania związków z grupy NLPZ. Określenie „szczepionka” wzięło się z czynności zaszczepiania mikroorganizmami różnych podłoży – w tym przypadku bakteriami środowiska oczyszczalni ścieków.

– Wiemy jednak, że bakterie źle znoszą zmienne warunki panujące w środowisku oczyszczalni ścieków, takie jak zmiany temperatury, pH, skład ścieków. Dlatego aby mikroorganizmy mogły pełnić swoją funkcję, trzeba je chronić po wprowadzeniu do systemu bioremediacji – wyjaśnia prof. Danuta Wojcieszyńska.

Istnieje kilka możliwych rozwiązań tego problemu. Jedno z nich jest przedmiotem badań realizowanych w ramach projektu pn. „Mikrobiologiczna szczepionka wspomagająca osad czynny oczyszczalni ścieków w usuwaniu niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ)”, którym kieruje prof. Danuta Wojcieszyńska. Badając poszczególne szczepy bakterii, łączy się je w taki sposób, aby mogły stanowić skuteczną szczepionkę do walki z określonymi zanieczyszczeniami. Nie ma jednak uniwersalnych rozwiązań. Okazuje się, że skład szczepionki powinien być dostosowany do określonego typu ścieków. Aby zweryfikować skuteczność opracowanej szczepionki, konieczne jest nawiązanie współpracy z wybranymi oczyszczalniami. Umożliwi to sprawdzenie, jak poszczególne zestawy bakterii poradzą sobie w niesprzyjającym środowisku zawierającym nie tylko różne substancje toksyczne, lecz również autochtoniczne mikroorganizmy.

Fotografia komórek szczepu Pseudomonas moorei KB4 unieruchomionych na powierzchni gąbki roślinnej

– Chciałabym podziękować panom mgr. inż. Michałowi Fafińskiemu i mgr. Dorianowi Zakrzewskiemu z Biura Współpracy z Gospodarką Uniwersytetu Śląskiego, dzięki którym będziemy mogły kontynuować badania już we współpracy z wybranymi oczyszczalniami ścieków – mówi prof. Danuta Wojcieszyńska.

– Mówiąc w skrócie, wybieramy odpowiednie szczepy zdolne do rozkładania niesteroidowych leków przeciwzapalnych i dodajemy do tego zestawu mikroorganizmy mające zdolność radzenia sobie na przykład ze związkami aromatycznymi lub mogące zmienić formę jonów metali ciężkich na taką, która jest mniej toksyczna – wyjaśnia liderka projektu. – Musimy pamiętać także o tym, że szczepy bakterii współwystępujące w takiej szczepionce nie mogą być dla siebie konkurencją – dodaje.

Celem projektu jest stworzenie szczepionki, która może być wprowadzona do oczyszczalni ścieków, aby usuwać obecne w ściekach: diklofenak, paracetamol, naproksen i ibuprofen. Dodatkowo będzie wspomagała rozkład wybranych związków aromatycznych i detoksykację jonów metali. Zespół badawczy określi też warunki graniczne dla szczepionki, w których będzie ona skuteczna, oraz jej datę ważności, uzależnioną od wybranej technologii. W zależności od zaproponowanego rozwiązania ten termin może wynosić od dwóch tygodni do nawet kilku lat.

Zastosowanie nośnika

Kolejnym, równie interesującym rozwiązaniem jest immobilizacja mikroorganizmów polegająca na zastosowaniu odpowiedniego nośnika, który przypomina kombinezon ochronny dla szczepu bakterii. Dzięki niemu unieruchomione mikroorganizmy narażone są na mniejsze stężenia toksyn oraz mają większe szanse przeżycia w otoczeniu autochtonicznego mikrobiomu.

– To ciekawe zjawisko. Osiągamy bowiem taki efekt, że wyselekcjonowane przez nas szczepy bakterii nie dostają od razu pełnej „dawki” różnych toksycznych związków, lecz mogą sobie z nimi radzić stopniowo, w dostarczanych porcjach – mówi prof. Danuta Wojcieszyńska.

Badania nad konstrukcją preparatu opartego na immobilizowanych bakteriach podjęto w ramach projektu pt. „Preparat stymulujący degradację niesteroidowych leków przeciwzapalnych w oparciu o immobilizowane na naturalnym nośniku szczepy bakterii”, kierowanego przez prof. Urszulę Guzik.

– Podstawą naszych działań były badania, z których wynikało, że proces immobilizacji szczepów bakterii zwiększa ich szanse na przeżycie w warunkach panujących w oczyszczalniach ścieków. Stosowany nośnik powinien być trwały, nietoksyczny i tak skonstruowany, aby nie wpływał negatywnie na działanie urządzeń pracujących w oczyszczalni ścieków. Takich nośników jest wiele. Mogą to być trociny, materiały ilaste, polimery pochodzenia organicznego i nieorganicznego itd. W tym projekcie wybór padł jednak na luffę – gąbkę roślinną, którą najczęściej można spotkać w… sklepach kosmetycznych. Jest biodegradowalnym, naturalnym, nietoksycznym materiałem, który na pewno nie będzie zalegał w oczyszczalni ścieków – mówi prof. Urszula Guzik.

W ramach badań naukowcy sprawdzą, jak długo szczepy bakterii są w stanie utrzymać się na takim podłożu, zanim zostanie rozłożone, i jakie powinno mieć rozmiary, aby nie zakłóciło pracy urządzeń oczyszczalni.

Innym przykładem nośnika jest polimer ksantanowy. Ma wiele zalet, choć nie jest biodegradowalny. Szczepy bakterii mogą się na nim utrzymać dłużej, skutecznie chroni je przed innymi mikroorganizmami i może być wykorzystywany wielokrotnie. Autorkami tego rozwiązania, objętego ochroną patentową, są: dr Anna Dzionek, prof. Danuta Wojcieszyńska oraz prof. Urszula Guzik. Aby przetestować wynalazek, biolożki zaprojektowały w warunkach laboratoryjnych środowisko o parametrach zbliżonych do tych, które cechują prawdziwą oczyszczalnię ścieków. Wstępne wyniki badań są obiecujące, co pozwala myśleć o prowadzeniu dalszych analiz w warunkach naturalnych i o komercyjnym zastosowaniu preparatu.

Autorki badań podkreślają, że opracowane produkty mogą się świetnie sprawdzić również w przydomowych oczyszczalniach, w których przecież także występuje problem z zanieczyszczeniami niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi.

Oprócz realizowanych projektów zespół planuje kontynuować badania służące ocenie stopnia zanieczyszczenia wód związkami z grupy NLPZ. Jest to szczególnie ważne w kontekście trwającej już kilka lat pandemii koronawirusa, mającej znaczący wpływ na wzrost poziomu tego typu zanieczyszczeń.