Nové možnosti bioremediace rtuti pomocí technik genového inženýrství

Znečištění rtutí ohrožuje zdraví živočichů a člověka na celé planetě (Science Daily, 11.8. 2006). Její hlavní nebezpečí spočívá ve schopnosti vypařovat se za běžné teploty a tlaku za vzniku oxidu rtuťnatého (Science Daily, Mercury poisoning). Vodní ekosystémy mají tendenci akumulovat rtuť. Ta se do nich dostává  nepřirozeně spadem z atmosféry, i přirozeně rozpadem různých minerálů a činností mikroorganismů se v sedimentech mění na vysoce toxický methyl rtuti.  Vzhledem ke schopnosti rtuti akumulovat se v potravním řetězci (tzv. bioakumulace) může docházet až k otravám člověka, způsobeným zejména konzumací mořských ryb a mořských plodů.  Rtuť v sobě akumulují všichni živočichové. Znečištění rtutí tudíž představuje jednu z pravděpodobných příčin poklesu populace mnoha druhů živočichů na Zemi se všemi socioekonomickými následky, které tento děj přináší (Science Daily, 11.8. 2006). Rtuť poškozuje nervový systém člověka a řadu jeho vnitřních orgánů. Nejvíce toxická je pro lidský plod a malé děti (Wikipedia, Mercury poisoning).

V současnosti obsahuje spad z atmosféry průměrně třikrát víc rtuti, než před průmyslovou revolucí. V posledních třiceti letech se emise sloučenin obsahujících rtuť uvolněné z rozvojových zemí výrazně zvýšily a převažují snížené emise zemí rozvinutých (Science Daily, 11.8. 2006). Celosvětově největším přispěvatelem ke znečištění atmosféry rtutí je Čína. Pomyslné druhé a třetí místo drží Indie a USA. Ovšem součet jejich podílů nedosahuje ani třetiny podílu Číny. Celkové emise rtuti v roce 2005 činily 1930 tun. Z toho asijský příspěvek činil 1281 tun, evropský 150 tun, severoamerický 153 tun a africký 95 tun (UNEP Chemical branch, 2008).

V roce 2010 byl roční antropogenní příspěvek rtuti do atmosféry odhadován na 2320 tun. Obsah rtuti v atmosféře z přírodních zdrojů činil 5270 tun. Největším znečišťovatelem jsou elektrárny spalující fosilní paliva s ročním příspěvkem 810 tun. Na druhém místě se 400 tunami ročně, se nachází těžba zlata v malém měřítku. Jedná se o aktivitu, do které je celosvětově zapojeno přibližně 13-20 miliónů lidí, zejména v rozvojových zemích. Třetí místo s 310 tunami ročně zaujímá výroba neželezných kovů (Pirrone a kol. 2010).

K odstraňování rtuti z vody se v současné době používají nejrůznější chemicko-fyzikální metody. Jedná se zejména o precipitaci, adsorpci, membránovou filtraci a mikrobiologické čištění, které nad výše uvedenými metodami vyniká nízkou cenou a neškodností pro životní prostředí (EPA 2003).

Použití transgenních bakterií v procesu odstraňování rtuti bylo až doposud limitováno řadou problémů. Zejména nízkým celkovým množstvím rtuti, kterou byly bakterie schopné akumulovat a nízkou hladinou rtuti v růstovém  médiu, kterou snášely. Přesto se bakteriální bioremediace rtuti stala předmětem zájmu mnoha vědeckých skupin po celém světě. Nedávno se vědcům z  univerzity v Portoriku podařil zásadní průlom v této technologii.

Pomocí technik genového inženýrství se jim podařilo do bakterií integrovat geny zvyšující jejich odolnost ke koncentraci rtuti v médiu. Jednalo se o geny kódující proteiny schopné absorbovat těžké kovy, zejména metalothioneniny a polyfosfáty. Metalothioneiny jsou nizkomolekulární proteiny bohaté na cystein, mají schopnost vázat těžké kovy a přeměňovat je na biologicky neaktivní formy. Jsou kódovány genem mt. Zatímco polyfosfáty jsou negativně nabité polymery ortofosfátů, vznikající enzymatickou činností polyfosfát kinázy, která je u bakterií kódována genem ppk, rovněž váží kovové ionty.

V minulosti byla bohužel u bakterií produkujících proteiny genů mt i ppk pozorována omezená rezistence na rtuť a jen malá schopnost její akumulace. Velice nadějná se proto jeví myšlenka zvýšit stabilitu produktů genů mt a ppk kromě proteinové úrovně i na úrovni messenger RNA. Vědcům se podařilo vyvinout technikami genového inženýrství systém, optimalizovaný pro zvýšení transkripce, stabilitu cílových mRNA i z nich vznikajících proteinů. Exprese polyfosfátové kinázy a metalothioneinu poskytla bakteriím rezistenci k 80-120 µM rtuti respektive, v médiu obsahujícím 120 µM rtuť. Zatímco bakterie, které nenesly ani jeden z výše uvedených genů, byly schopné vydržet pouze 5 µM koncentraci rtuti. Transgenní bakterie nesoucí mt-1 gen byly o něco odolnější proti rtuti než ty, nesoucí ppk gen.

Absorbce rtuti byla u obou typů transgenních bakterií provázena změnou barvy a buněčnou agregací. Jedná se o výhodné znaky pro použití v průmyslovém měřítku, protože mohou usnadnit rozpoznání okamžiku, kdy je bakteriální kultura rtutí nasycená a je potřeba ji vyměnit.

Celkově se jedná o systém, který poskytuje bakteriím vysokou rezistenci vůči rtuti a umožňuje její akumulaci do vysokých hodnot, při minimalizaci uvolňování rtuti do ovzduší. Tento systém by mohl velice brzy představovat efektivní technologii bioremediace rtuti z tekutých médií a proto rozhodně zasluhuje další výzkumnou pozornost (Ruiz O.N. a kol. 2011).

Autor: RNDr. Klára Kazdová

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Science Daily, 11.8. 2006: http://www.sciencedaily.com/releases/2006/08/060811191845.htm

Science Daily, Mercury poisoning: http://www.sciencedaily.com/articles/m/mercury_poisoning.htm

Wikipedia, Mercury poisoning: http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury_poisoning

Epa, 2003: http://www.epa.gov/tio/download/remed/542r07003.pdf

Ruiz O.N., Alvarez D., Gonzales-Ruiz G., Torres C. (2011): Characterization of mercury bioremediation by trangenic bacteria expressing metallothionein and polyphophate kinase. BMC biotechnol.11:82.

UNEP Chemical Branch, Geneva, 2008. The global atmospheric mercury assesment: sources, emissions and transport. UNEP-Chemicals. Geneva.

Pirrone N., Cinnirella S., Feng X., Finkelman N.B., Friedli H.R., Leaner J., Mason R., Mukherjee A.B., Stracher G.B., Streets D.G., Telmer K. (2010): Global mercury emission to the atmosphere from anthropogenic and natural sources. Atmos. Chem. Phys. Discuss. 10: 4719-4752.

Obrazové přílohy:

http://www.sxc.hu

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/MercuryFoodChain-01.png?uselang=cs