Mikroorganismy spolupracují při rozkladu ropy

V minulém článku jsem popisoval důsledky ekologické havárie způsobené únikem ropy z vrtné plošiny „Deepwater horizon“ v Mexickém zálivu, ke které došlo v dubnu 2010 (Nabídnou nám mikroorganismy pomocnou ruku při likvidaci ropných havárií?). Zmínili jsme některé mikroorganismy, které dokážou odbourávat ropu a tím pomáhají postižené oblasti vrátit do původního stavu. V tomto článku poodhalíme podstatu celého procesu rozkladu ropy, podíváme blíže na to, co je vlastně ropa zač a jakými mechanizmy ji mikroorganismy rozkládají.

Surová ropa je velmi heterogenní směs. Odhaduje se, že obsahuje až 20 tisíc různých druhů uhlovodíků od nevětvených alifatických až po polycyklické aromatické uhlovodíky (tzv. PAU, Obr. 1). Menší část pak tvoří sloučeniny obsahující síru, dusík a fosfor. V některých druzích rop nalezneme dokonce i sloučeniny s těžkými kovy jako je vanad nebo nikl. Složení surové ropy se tedy liší v závislosti na místě nálezu. Toto odlišné složení dává ropě také různé fyzikálně chemické vlastnosti zahrnující viskozitu, rozpustnost ve vodě, absorpci a s tím související biologickou dostupnost a toxicitu pro mikroorganismy. I když jsou ropné uhlovodíky relativně stabilní molekuly, jejich „energetická hodnota“ a přítomnost v prostředí po miliony let vedla k vývoji mnoha mikroorganismů, které je dokáží opět „aktivovat“ a využít jako hlavní zdroj uhlíku a energie. V současné době bylo identifikováno více než 175 bakteriálních rodů, mnoho eukaryotních mikroorganismů a několik halofilních archaeí, které to dokážou.

Poslední výzkumy ukazují, že biodegradace ropných látek probíhá v součinnosti mnoha taxonomických skupin mikroorganismů, které vzájemně spolupracují (Obr. 2). Neplatí tedy původní představa, že se na degradaci podílí jen specializovaná skupina mikroorganismů přichycených na částice ropy (tzv. primární degradéři). Je pravda, že vše začíná u primárních degradérů a jejich pomocníků, kteří nejprve produkují biosurfaktanty (viz Široké spektrum využití biosurfaktantů), s jejichž pomocí se lépe dostanou k málo rozpustným ropným látkám.  Ovšem bez pomoci ostatních mikroorganismů to sami nedokáží. V jednom mikrolitru povrchové mořské vody, který si velikostí můžeme představit jako zrnko máku, žije cca 600 bakterií, 150 sinic, 9 malých řas, 1 prvok a cca 10.000 virů. Vědci se zabývají vzájemnými mezidruhovými interakcemi, které udržují v běhu „mikrobiální smyčku“ a řídí biogeochemické cykly důležité pro efektivní rozklad ropy (Obr. 2). Bakterie osidlují nejen ropu, ale i těla rozsivek a buchanek. Na delší vzdálenost spolu bakterie dokáží komunikovat pomocí chemických signálů nebo vytvářejí na ropě specializované biofilmy, ve kterých každá vrstva plní dílčí funkce při rozkladu.

Obr. 2: Primární rozklad pomocí bakterií Alcanivorax a Cycloclasticus probíhá přímo na povrchu ropy. Sekundární konzumenti jsou ti, kteří čekají ve druhé linii na meziprodukty z primární degradace, které využijí pro svůj růst a rozmnožování. Nedílnou složkou jsou viry a prvoci. Ty podobně jako v jiných prostředích napadají a ničí bakterie (viry) nebo se jimi živí (prvoci). Jejich přítomnost a množství tedy může výrazně ovlivnit celý proces degradace. Tyto interakce jsou naznačeny přerušovanou čarou. Plnou čarou jsou zvýrazněny hlavní toky živin. Pro zjednodušení je na schématu přiřazena jednomu mikroorganismu jen jedna funkce. Je třeba si však uvědomit, že mikroorganismy mají více funkcí, které můžou provádět souběžně. Např. můžou uvolňovat fosfor (P) z minerálů a zároveň degradovat ropu. Primární degradéři ropy musí neustále soupeřit o životně důležité živiny (např. P) s ostatními mikroorganismy, na druhé straně sekundární degradéři jsou zase závislí na tom jaké metabolické “zbytky” jim primární degradéři připraví (upraveno podle Head et al., 2006).

Klíčový krok při aerobní degradaci ropných uhlovodíků, enzymatická aktivace uhlovodíků pomocí molekulárního kyslíku, je znám již řadu let. Aktuálně vědeckou obec zaujal objev anaerobních aktivačních mechanismů a metabolických drah. To jak mikroorganismy reagují na přítomnost ropných látek, závisí na mnoha faktorech, jako je složení ropy, teplota a množství dostupných živin. Nicméně existují společné indicie, podle kterých lze probíhající rozklad ropy rozpoznat. Jednou z nich je např. rychlý nárůst indikátorových bakteriálních rodů Alcanivorax a Cycloclasticus. Alcalivorax je schopný degradovat větvené a nevětvené alkany, kdežto Cycloclasticus rozkládá polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU). Vědci pod vedením prof. Yakimova z Ústavu pro ochranu pobřeží v Italské Messině podrobně analyzovali genetický potenciál bakterie  Alcanivorax borkumensis.

„K našemu překvapení jsme zjistili, že tato bakterie je opravdový specialista na rozklad ropných uhlovodíků, svůj metabolismus přizpůsobila výhradně rozkladu alifatických řetězců alkanů. Využívá k tomu několik metabolických drah a speciálních enzymů alkan hydroxyláz a alkan monooxygenáz. Na druhé straně není schopna využívat běžné uhlíkové zdroje, tzn., že bez přítomnosti ropných látek její počty opět rapidně klesnou“, dodává prof. Yakimov.  

Další Gamaproteobakterie Cycloclasticus je na tom z metabolického hlediska podobně. Soustředí se ale převážně na aromatické látky jako naftalen, fenantren a další PAU (Obr. 1). Schopnost rozkládat PAU byla nově zjištěna také u Deltaproteobakterí zahrnující převážně sirné bakterie a u kmene Bacteriodes. „To ukazuje na velkou metabolickou diverzitu mikroorganismů rozkládající ropu. Každý nově popsaný druh nás překvapí schopností degradovat určitý ropný uhlovodík. Zajímavé jsou i bakterie, které sice ropné látky nerozkládají, ale dokáží je zpřístupnit ostatním tím, že produkují extracelulární polymery a biosurfaktanty“, dodává prof. Yakimov.

Opět se tedy potvrdilo, že spolupráce různých specializovaných skupin při řešení problému, jako je v tomto článku popsaný rozklad ropy, je pro všechny zúčastněné mnohem výhodnější. Samostatně by jedinci cíle nikdy nedosáhli.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

McGenity TJ, Folwell BD, McKew BA and Sanni G. 2012. Marine crude-oil biodegradation: a central role for interspecies interactions. Aquqtic Biosystems 8, 1-19.

Head IM, Jones DM and Röling WFM. 2006. Marine microorganisms  make a meal of oil. Nature Reviews Microbiology 4, 173–182.