На все руки микромастера

01 августа 1972 года, 00:00

На все руки микромастера

Однажды произошел такой случай. Отправили партию тракторов из Европы в тропическую страну. Перед отправкой отдел технического контроля тщательно проверил все — в том числе смазку каждого сочленения рулевых тяг, каждого подшипника колес. Тракторы прибыли к месту назначения, их выгрузили из трюмов теплохода на пирс, и примерно месяц они простояли там без движения: у заказчика случилась какая-то заминка. А через месяц на завод пришла негодующая телеграмма: как вы могли отправить трактора без единого грамма смазки?! Начальник отдела технического контроля и главный инженер срочно вылетели на расследование. Действительность превзошла самые мрачные их ожидания. Сочленения выглядели так, словно их разбирали и несколько раз мыли в керосине! Лишь кое-где блестящие поверхности были тронуты еле видимым налетом. По нему-то и удалось установить, что злоумышленниками были микробы, начисто съевшие смазку...

Обычно слово «микроб» в нашем сознании ассоциируется со словом «враг» — мы думаем прежде всего о болезнях. И не только люди, но даже, как видим, техника страдает от микроагрессора. Тем не менее друзей среди микробов у нас куда больше, чем врагов. Куда больше... И от того, насколько тесными станут наши взаимоотношения с микробами, в немалой мере зависит перспектива завтрашнего дня, сама судьба человеческого рода.

Микробы против голода

Мир земной жизни подобен айсбергу. На поверхности, доступные обычному взгляду, находятся все относительно крупные существа, начиная с каких-нибудь мошек и кончая слонами. Конечно, мы знаем — кто же этого теперь не знает? — что существует еще обширный мир микроорганизмов. Тем не менее обыденное сознание воспринимает биосферу прежде всего как совокупность зримых организмов и растений; микроскопические существа уходят при этом в тень, выглядят в сознании мелкой, а потому малосущественной деталью великой картины жизни. Это большое заблуждение.

Земля, вода, воздух, сами тела животных и растений буквально пропитаны микроорганизмами. В одном кубическом сантиметре жидкости их может быть больше, чем людей на Земле. Деятельность этих «ничтожных множеств» грандиозна настолько, что от нее, как мы увидим в дальнейшем, зависит даже рельеф планеты, Такая это могучая сила!

Могучая, не слишком изученная и поразительная. Микроорганизмы — предмет давней зависти химиков, ибо, во-первых, они осуществляют массу таких реакций, которые нам пока даже непонятны; во-вторых, все, что делают эти природные «химики», они делают с точки зрения технологии просто блистательно.

Понятно, что уже одно это обстоятельство заставляет нас искать секреты микробиологического «производства», пытаться сращивать работу микробиологических «предприятий» с предприятиями большой химии и, наконец, прямо и непосредственно все в больших масштабах использовать микробов в производстве. Выражение «идеальная химическая лаборатория» применительно к микроорганизмам не просто дань образности. Практически нет такого сырья, будь то органика или минералы горных пород, которое бы не использовали те или другие виды микроорганизмов. А производительность! Каждый микроорганизм способен переработать питательной среды в 30—40 раз больше веса собственного тела. Плюс, как уже говорилось, высокосовершенная, отработанная миллиардами лет эволюции технология производства стольких различных веществ, что их ассортимент наверняка богаче ассортимента нашей химической индустрии.

Уже сейчас перенесенные за последние 15—20 лет из лабораторных колб и пробирок в заводские установки мириады микроорганизмов выполняют для нас около тысячи (тысячи!) химических реакций. Только благодаря их помощи мы имеем сейчас многие антибиотики, витамины B12, А1, Д2 — иным, чисто химическим путем мы просто не можем их получить.

Но, как ни внушительны эти результаты, они ничтожны по сравнению с тем, что нам могут дать микробы в будущем.

Две трети населения земного шара недоедает — такова суровая истина сегодняшнего дня. По мнению одного зарубежного ученого, «суть сельскохозяйственного кризиса может быть выражена двумя словами, звучащими не менее угрожающе, чем водородная бомба, а эти слова — нехватка белков».

Белок — основной элемент питания человека и животных. Можно наедаться досыта, но если в пище не хватает белка, то организм слабеет и плохо противостоит инфекциям. В мире же ежегодно не хватает около трех миллионов тонн животного белка (это 15 миллионов тонн мяса) и около полутора миллионов тонн белка растительного. А население земного шара стремительно растет... И не ясно, удастся ли достаточно быстро поднять сельское хозяйство в экономически и социально отсталых странах. Перспективы тут, во всяком случае, не слишком лучезарные.

К счастью, в последнее десятилетие наметился иной, не традиционный путь. Нет существ, которые бы синтезировали белок более интенсивно; чем микроорганизмы. Причем исходным сырьем для такого микробиологического производства белка могут быть, с нашей точки зрения, никчемные отходы, начиная с шелухи семечек, кончая отбросами нефтепереработки. В принципе задача выглядит очень просто: надо найти подходящие микроорганизмы, дать им подходящее сырье, поместить в благоприятные условия, и тогда мы будем иметь белка столько, сколько пожелаем.

На деле задача оказалась невероятно сложной. «Охотники за микробами» буквально обшарили землю, пытаясь отыскать в нефтяных пластах, иле, воде, почвах таких микробов, которые охотно делали бы то, что нам надо, и так, как надо. Собственно, первые отрадные успехи наметились примерно лет десять назад. Тогда удалось найти, приспособить такие микроорганизмы, которые успешно перерабатывали углеводороды нефти в кормовой белок. Это было первой крупной победой. Уже работают целые заводы, которые выпускают кормовой продукт, синтезированный микробами из парафиновой фракции нефти. Он уже широко применяется на многих птицефабриках страны. Точно так же во многих совхозах скот сейчас питается кормом, в котором пятнадцать и более процентов микробного белка. Это оказалось настолько выгодным, что вскоре у нас будет построено несколько новых заводов производительностью порядка 240 тысяч тонн кормового, изготовленного микробами продукта в год (что равноценно появлению нескольких сотен тысяч гектаров новых и отличных лугов).

Но мысль ученых стремится дальше. Хотя нефть — сравнительно дешевый корм для микробов, все же ее надо добыть, получить определенные фракции. А что, если попробовать кормить микробов газами? Ведь во многих случаях эти газы просто сжигаются или выбрасываются в атмосферу.

Попытки заменить нефть метаном многие годы терпели неудачу. Оказалось, что любителей этой пищи трудно выделить в чистом виде и затем создать для них соответствующие условия роста. Несколько лет микробиологи бились над этой проблемой и наконец достигли задуманного. В одной из лабораторий Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР в городе Пущино сейчас можно увидеть колбы с мутной светловатой жидкостью. Здесь в бульоне с минеральными солями (средой обитания микробов), через который пропускают метан, и размножаются эти удивительные существа. И хотя сегодня биомасса лучше накапливается на нефти, ученые считают, что выращивание микробов на газообразных углеводородах будет рентабельнее.

Так или иначе, съедая за завтраком яйцо, а за обедом бифштекс, мы нередко уже сегодня пользуемся услугами прирученных микроорганизмов, которые поставили пищу снесшей яйцо курице и откормили давший бифштекс скот. Но это промежуточное состояние; в недалеком будущем между нами и пищевыми микробами не всегда будет посредник. Дело тут вот в чем. Выход животноводческой продукции по отношению к затраченным кормам не превышает 20—30 процентов у молодых, быстро растущих животных и всего 5—10 процентов у взрослых особей. Иными словами, непосредственно готовит нам мясную пищу в лучшем случае лишь один животновод из пяти: четверо работают только на самих животных.

Естественно, возникает вопрос: так ли уж необходимо посредничество животных?

Разумеется, речь идет не о том, чтобы кормить людей тем же, чем микробы кормят скот. Но микробы в принципе могут производить и такую пищу, которая после дополнительной обработки ничем — ни видом, ни вкусом, ни запахом — не будет отличаться от привычной.

Согласен, сегодня такая перспектива вряд ли способна вызвать большой энтузиазм. И меньше всего я хочу тут кого-нибудь упрекать в консерватизме. Хочу пояснить только одну вещь: бифштекс, произведенный микробами, продукт ничуть не более искусственный, чем тот, который приготовлен из мяса животного. Речь идет всего-навсего о замене (частичной или полной, сказать пока нельзя) одних стад другими. И если новые «сельскохозяйственные животные» дадут во всех отношениях пищу не хуже, а то и лучше, то о чем сожалеть? Впрочем, нет, сожалеть есть о чем; мне тоже не хотелось бы лишаться того, что тысячами нитей связано с духовным миром человека, — сельских стад. Но тут ничто не мешает нам оставить при себе сельских животных, но уже не с целью убоя, а просто потому, что без них жизнь как-то беднее.

Но все такого рода проблемы пока дело будущего. Сегодня есть вот что. Есть микробиологические белки, полученные из всевозможных отходов, которые по составу почти не уступают лучшим белкам мяса и молока. Эти белки оказались вполне пригодными для изготовления искусственной икры. В США сейчас делают искусственную «курятину» из соевого белка (в спросе недостатка нет). В последние годы жителей Центральной Америки приучают к «никапарине» — обогащенному белками продукту из смеси кукурузы, семян хлопчатника, сухих дрожжей, синтетических витаминов и других добавок. К этому продукту приходится именно приучать взрослое население голодающих районов. Дети же едят «никапарину» (она приготовлена в виде вкусной каши) с большим удовольствием.

По подсчетам, изготовление пищи из отходов, минуя животноводство, позволит увеличить производство белка сразу в пять раз.

Микробы — это рудокопы и санитары будущего

Микроорганизмы — сила поистине геологическая. На дне Мирового океана океанологи обнаружили колоссальные скопления железомарганцевых конкреций микробиологического происхождения. Все важнейшие мировые месторождения железа, по мнению ряда ученых, имеют бактериальную основу. Велико участие микробов также в образовании нефти и газа. Ну а коль эти бесконечно малые существа ведут такую титаническую геологическую деятельность в масштабах нашей планеты, то их, естественно, нужно заставить работать на человека не только в химической, пищевой, фармацевтической промышленности, в сельском хозяйстве, но и в горнорудной и металлургической индустрии.

В раздумьях на тему, что будет делать человечество, когда кончатся запасы серы, исписано немало чернил, но выход нашелся совершенно неожиданно. Ученым было известно, что арабы, живущие у озера Айнез-Зауя в Северной Африке, много лет добывают на его берегах серу. Но ее запасы не иссякают! Та же картина наблюдается и на озере Серном Куйбышевской области, в котором еще при Петре I добывали серу для производства пороха. Чтобы постичь тайну возобновления серы, ученые построили миниатюрную модель африканского озера и поставили ряд опытов: в обычную колбу засыпали гипс и сульфат натрия, затем в этот же сосуд поселили сульфатредуцирующих и так называемых пурпурных бактерий. Первые образовали из исходных веществ сероводород, а вторые переводили его в серу. Модель работала ничем не хуже своего гигантского прототипа: на стенках и дне колбы выпадал осадок серы!

Позвольте, может сказать читатель. Одно дело осаждение серы в естественных водоемах, другое — получение ее в стеклянной колбе. Хватит ли сил у микробов, чтобы поставить такое дело на индустриальную ногу? Это ведь не производство пенициллина. Речь тут идет о сотнях тысяч и миллионах тонн! Но не будем спешить о выводами. Обратимся к расчетам ученых. А они показывают, что, если воспроизвести условия лабораторных экспериментов в озере глубиной 5 метров и площадью один квадратный километр, то за сто дней серобактерии выработали бы от 100 до 500 тысяч тонн серы! Как видите, эти цифры довольно убедительно говорят о высокой «производительности труда» рабочих-невидимок. Значит, все дело в том, чтобы создать микробам подходящие условия, и тогда они будут работать лучше любых титанов. Такие условия не так уж трудно найти или создать. Английские ученые Батлин и Посгейт предложили, например, «заразить» серобактериями некоторые озера Африки и Австралии, чтобы превратить их в подобие озера Айнез-Зауя. Не менее подходящей, а главное — дешевой средой для «прокормления» созидателей залежей серы могут стать сточные воды. Здесь можно получить двойной выигрыш: микробы будут, вырабатывать серу и одновременно уничтожать городские отбросы.

На протяжении всей геологической истории микроорганизмы были главными «санитарами» планеты. Но сейчас процессы самоочищения уже не могут справиться с обилием индустриальной грязи, с новыми для природы химическими веществами. Но полностью ли иссякли потенциальные возможности мира простейших, невидимых глазом существ? Нельзя ли мобилизовать резервы самой жизни, чтобы справиться с очисткой планеты?

К счастью, как выяснилось, микробы и здесь могут прийти к нам на выручку. Вот один из самых тяжелых случаев — осевшие в почве ядохимикаты. У нас нет способов удаления таких веществ, а природе они, как правило, чужды, следовательно, и в природе трудно найти силы, которые бы их нейтрализовали. Трудно, но все-таки можно.

Удалось установить, что почвенные микробы способны перестраивать обмен веществ в своем крошечном организме так, что даже неизвестные природе синтетические вещества разлагаются и перерабатываются. Это отрадная новость. Сейчас в ряде стран ведутся микробиологические исследования по разложению ядохимикатов в почве, по выведению наиболее активных культур микробов, которые вызывают такое разложение.

Нашлись среди микробов и «специалисты-санитары» по очистке воздуха. Так, в Японии, например, недавно открыто вещество бактериального происхождения, позволяющее уменьшить загрязнение воздуха выхлопными газами.

Из всех бытовых отходов больше всего хлопот доставляют пластмассы: сами они почти не разлагаются, а уничтожить их нелегко.

И тут ученые вынуждены были обратиться за помощью к микроорганизмам. Не так давно из Англии пришла обнадеживающая новость. Удалось вырастить четыре вида микроорганизмов, превращающих полихлорвиниловые пленки в углерод. Сотрудники Техасского (США) микробиологического института вывели породу микроорганизмов, с ненасытным аппетитом пожирающих почти любую пластмассу. Ученые надеются, что эти бактерии наконец решат проблему городских свалок, забитых «вечными» пластмассовыми пакетами и другими синтетическими изделиями. Оригинальный метод уничтожения пластмассовой тары разрабатывают шведские ученые. Они выводят специальные бактерии, которые будут «вводиться» в пластмассу при ее изготовлении. Некоторое время бактерии должны находиться в состоянии покоя, а когда тара будет выброшена, они активизируются и разрушат пластмассу!

Сильнейшей загрязнитель воды — нефть. Опасность уже нависла над морями и океанами — и снова помочь нам тут могут микробы. Советские ученые нашли 37 видов своеобразных пожирателей нефти. Их переселили в лаборатории, где они стали успешно размножаться на «диете» из мазута, нефти и солярового масла. Вскоре их пошлют на нефтеналивные суда, где они под наблюдением специалистов будут чистить танки. Сходные работы ведутся в США.

Вернемся, однако, к добытчикам руды. Как видим, трудно найти вещества — будь то естественные или искусственные, которые противостояли бы тем или иным видам микроорганизмов. «Неприступной крепостью» в этом смысле до недавнего времени казалось золото. Казалось совершенно невероятным, что на золото могут воздействовать какие-то там бактерии. Но невероятное стало фактом.

В Сенегале на берегу реки Ивары есть золотоносный холм Ити. Месторождение это промышленного значения не имеет, так как размер частиц самородного золота не превышает микрона и концентрация его чрезвычайно низка. Лишь местные старатели, затрачивая массу сил и времени, стоически продолжают копать и промывать землю, получая в награду за свой поистине сизифов труд мизерные пылинки желтого металла. Казалось бы, за многие десятилетия хотя и кустарной разработки тощие запасы золотоносной породы должны были бы иссякнуть. Но не тут-то было! Впечатление создавалось такое, будто кто-то все время пополняет запасы золота. Как в серных озерах...

«Безумную гипотезу», что запасы рудной зоны пополняют особые микробы, которые, каким-то образом растворяя золото, концентрируют его в породе, высказал директор Бюро геологических изысканий и шахт в Дакаре Р. Мартинэ. Были поставлены опыты — и они подтвердили гипотезу!

Правда, до сих пор не очень ясно, как именно микробы воздействуют на золото. Но сам способ уже запатентован. Если эксперименты в промышленных масштабах оправдают надежды лабораторных опытов, то горнодобытчики, понятно, не будут ждать разгадки секрета — они просто начнут использовать микробов на золотых приисках.

После этого вряд ли кого удивят многочисленные сообщения о том, что микроорганизмы, как у нас, так и за рубежом, уже «зачислены в горняки». В Онтарио (Канада) бактериальным способом получают ежемесячно более пяти тонн окиси урана. Подобным способом добывают сейчас уже медь, железо, марганец, цинк, молибден, хром и некоторые другие металлы.

Особенно важно, что, например, в опытах на Дегтярском руднике (Урал) десятки тонн меди были получены с отработанных участков. Важно это вот почему. За четыреста суток обычного химического окисления минерала халькопирита (важнейшего промышленного источника меди) оттуда извлекается только 18 процентов металла. Бактерии за тот же срок извлекли 58 процентов. Когда же исследователи получше разобрались в том, что благоприятствует работе бактерий, а что ей мешает, то им удалось резко ускорить процесс: сейчас бактерии извлекают из халькопирита 90 процентов меди всего за 35 часов! Не фантазия и 98-процентное извлечение меди...

Беру на себя смелость утверждать, что в этих успехах кроется революционный сдвиг в добыче полезных ископаемых. Металлургам все чаще и чаще приходится иметь дело с бедными рудами, иногда на 99 процентов состоящими из пустой породы. Впереди еще более тяжелые времена, так как, судя по всему, уже в 80—90-х годах промышленность будет испытывать острую нехватку некоторых цветных металлов. Значит, придется разрабатывать совсем уж бедные руды, чья добыча сейчас давала бы чистый убыток. И еще. Как правило, в отработанных месторождениях остается от 5 до 20 процентов руды, брать которую либо невозможно, либо невыгодно. Использование бактерий меняет ситуацию. Микробиологический метод позволяет даже в рамках сегодняшнего дня с выгодой добывать металлы из очень бедных руд или с отработанных участков. Именно таким образом, например, из старых заброшенных забоев одного мексиканского рудника за год было извлечено 10 тысяч тонн меди! Там же, в Мексике, бактерии заставили добывать медь из отвалов, хотя меди содержалось в них всего 0,2 процента. Результат — 650 тонн металла в месяц.

Бактерии могут добывать не только металлы, но и нефть. Было известно, что образование газов в некоторых месторождениях нефти есть результат деятельности микробов. Возникла идея использовать эту деятельность для добычи «мертвой», никак уже не извлекаемой нефти. Идея себя оправдала. Специальные бактерии — газообразователи, «командированные» в нефтяной пласт, стали образовывать из нефти метан, водород, азот, углекислоту. По мере накопления газов их давление нарастало, кроме того, растворяясь в нефти, они снижали ее вязкость. И скважины ожили! Одноразовой микробиологической обработки нефтяного пласта хватило на два года...

Но, возможно, микробы проявят себя даже не столько под землей, сколько под водой.

В Мировом океане есть все элементы (даже золота там десять миллиардов тонн). По существу, моря и океаны — это гигантский склад любых нужных нам веществ, будущее «экономическое сердце» планеты. Затруднения в одном: концентрация подавляющего большинства ценных веществ в морской воде ничтожна.

Но для микроорганизмов это далеко не всегда препятствие. Известно, например, что некоторые виды бактерий воздвигают в океане целые острова, осаждая из морской воды соли магния и кальция. Есть организмы, приспособленные к накоплению цезия, некоторых радиоактивных элементов и ряда других веществ. Как им удается концентрировать тот же цезий, которого в воде ничтожно мало, мы не знаем. Но можно согласиться с известным океанологом академиком Л. А. Зенкевичем, который считает, что методу биологической концентрации нужных человеку веществ из морской воды принадлежит будущее. Не за горами время, когда в морях и океанах появятся подводные плантации бактерий-металлургов и мириады микроорганизмов будут добывать людям все, начиная с магния и кончая тяжелой водой.

Микробы становятся энергетиками

Перспективы применения микробов столь обширны и разнообразны, что волей-неволей приходится говорить лишь о самых важных, так сказать, стратегических направлениях. Ранее приведенные примеры, вероятно, достаточно поясняют место микробиологии и ее роль в развертывании научно-технического прогресса, что отражено и в Директивах девятой пятилетки. Но чтобы показать широту проблемы, я все же остановлюсь на двух частных случаях, взятых из далеких друг от друга областей.

Известно ли жителям села, что микробы могут помочь им в строительстве прудов? Речь идет вот о чем. В некоторых местах грунт недостаточно плотен, вода фильтруется, заболачивая местность, и водоем создать не удается, даже если он очень нужен. Известно, однако, что на дне болот благодаря анаэробным (бескислородным) бактериям образуется водонепроницаемый слой. Это навело сотрудников Грузинского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации на мысль использовать анаэробов для создания прочного ложа искусственных водоемов. Способ оказался весьма эффективным. Доступен он любому хозяйству. Нужно снять бульдозером покров земли, уложить соответствующее количество соломы, сена или стеблей кукурузы, отходы, богатые клетчаткой, и снова засыпать их землей. Ложе будущего водоема готово. Влага, проникая сквозь земляной покров в слой клетчатки, способствует интенсивному размножению в нем анаэробных бактерий, которые, изменяя структуру почвы, создают грунт, практически не пропускающий воду.

Теперь несколько слов о бактериях-энергетиках. Идея использования «живого электричества» в век атомной энергетики может показаться смехотворной. Ведь и раньше пытались создавать биоэлементы, в которых бактерии возбуждали бы реакции, могущие давать ток (достаточно, например, вспомнить биоэнергетическую установку, созданную в конце прошлого века инженером Н. Мельниковым). Но биоэлементам не сопутствовал успех. О чем же может идти речь теперь? О широком использовании биоэлементов на Земле и в космосе.

Все дело в том, что для питания разнотипных, биоэлементов в принципе годятся листья, трава, опилки, сок кокосовых орехов... Короче говоря, заряжать такие источники тока можно где угодно и, в общем, чем угодно, так как вполне можно создать биоэлементы, требующие для подзарядки лишь солнечный свет и некоторые соли.

Не стану уверять, что биоэнергетика сулит какие-то небывалые перспективы. Но биохимические элементы уже сейчас работают в морских буях, автоматических гидролокаторах, маяках, то есть там, где требуются долгодействующие, автономные, не слишком мощные источники тока. Здесь они успешно конкурируют даже с атомными батарейками. Судя по зарубежной печати, разработка новых биоэлементов ведется и для космоса.

Мир микроорганизмов пока изучен гораздо хуже, чем мир животных и растений. Можно утверждать, что микробиологам сейчас известно не более десятой доли видов микроорганизмов, населяющих водоемы и почву. Поиск полезных бактерий, которых можно было бы «приручить», заставить работать на человека, в сущности, только начинается. Предстоит выделить и изучить сотни новых видов, которые раньше было невозможно обнаружить на питательных средах, применявшихся со времен Луи Пастера и Роберта Коха. Одной из важнейших проблем ближайшего будущего является выведение микробов «домашних пород», обладающих повышенной активностью. Исходя из этого, ученые намечают провести в 70-х годах большую работу по окультуриванию «диких» форм микробов и созданию новых, более полезных культур путем радиационных и химических мутаций и гибридизации. По эффективности и производительности они будут, как полагают микробиологи, в сотни раз превосходить своих «диких» собратьев. Они смогут выполнять функции, не свойственные ни одному природному микробу, выполнять их направленно и с большим успехом. Наука сможет дать новые методы получения микробов по заказу — для каждой области практики будет создана своя культура микроба...

Фантасты, а теперь уже и ученые обсуждают возможность существования во вселенной «нетехнических», например «биологических», цивилизаций, то есть таких, где производство осуществляется не машинами и автоматами, а управляемыми и создаваемыми искусственно живыми сообществами. Для таких гипотез, как видим, есть основания. Нет сомнения, что производство XXI века будет разительно отличаться от современного. Возможно, во мне говорит пристрастие бионика, но мне кажется, что перспектива заключается в биологизации техники и технизации биологии; производство не столь отдаленного будущего видится мне как биотехническое. И важнейшую роль в нем будут играть те самые «ничтожные» микроорганизмы, которые по традиции рассматриваются нами преимущественно как враги.

Изот Литинецкий, кандидат технических наук

Рубрика: Без рубрики
Просмотров: 4706