Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Zdaniem naukowców mikroorganizmy są świetnymi markerami zmian w środowisku. Szybko reagują na to, co się wokół nich dzieje. Pozwalają więc lepiej rozumieć, jaki wpływ może mieć na przykład zbyt duża ilość stosowanych nanomateriałów.

– Nanocząstki są czymś naturalnym, występują w środowisku od dawna. Jednak to my, naukowcy, sztucznie je syntetyzujemy, aby móc wykorzystać w najróżniejszy sposób. Trudno się dziwić. Budzą duże zainteresowanie w przemyśle. Mają świetne właściwości i poprawiają jakość wielu produktów, które używamy na co dzień. Nie jest jednak tajemnicą, że wszystko w nadmiarze może szkodzić, dlatego ważne są również badania odpowiadające na pytanie, w jaki sposób nanocząstki wpływają na różne rodzaje organizmów – wyjaśnia dr Sławomir Sułowicz, który wraz z zespołem analizuje, w jaki sposób bakterie reagują na coraz bardziej popularne nanomateriały.

Zapytany, dlaczego wybrał akurat bakterie, naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego przyznaje, że są wdzięcznym obiektem badań.

– Stosunkowo szybko reagują na to, co dzieje się w środowisku. Jeśli pojawi się w nim jakiś rodzaj zanieczyszczenia, one od razu to sygnalizują, na swój sposób oczywiście. W tym sensie bakterie są bardzo dobrymi sensorami zmian w środowisku – podkreśla badacz.

Takimi zanieczyszczeniami czy też stresorami mogą być nie tylko nanomateriały, lecz również metale ciężkie, pestycydy czy węglowodory aromatyczne. Reakcje mikroorganizmów są jednak różne i trzeba nauczyć się je rozpoznawać. Nie ma jednej odpowiedzi na czynnik stresogenny. Dr Sławomir Sułowicz podaje kilka przykładów. W wyniku pojawienia się jakiejś substancji, szczególnie w nadmiernych ilościach, może dojść do zmniejszenia lub, co ciekawe, do zwiększenia populacji mikroorganizmów. Może zwiększyć lub zmniejszyć się ich aktywność enzymatyczna.

– Choć brzmi to paradoksalnie, nie wszystkie substancje toksyczne z naszego punktu widzenia muszą być szkodliwe dla mikroorganizmów. Zdarza się, że tego typu zanieczyszczenia mogą być całkiem niezłym źródłem pożywienia, a więc i energii dla bakterii. Stąd ich większa aktywność oraz intensywniejszy podział – wyjaśnia mikrobiolog.

Wszystko zależy od składu różnych związków. Przykładowo nanocząstki metali ciężkich nie da się rozłożyć na prostsze substancje. Powyżej pewnego poziomu nanocząstki mogą wywoływać różne niepożądane skutki także dla mikroorganizmów. – Nanomateriały w formie ostrych drobinek mają zdolność przecięcia błony komórkowej. Jak to wpływa na bakterię? Te mikroorganizmy same z siebie nie giną, nie mają „wdrukowanej” takiej instrukcji. Mogą się dzielić w nieskończoność. Jeśli jednak ich błona zostanie uszkodzona, wnętrze wypływa na zewnątrz. Ten proces nazywa się lizą komórki. Problem polega na tym, że każda bakteria to organizm jednokomórkowy. Taki incydent oznacza więc jej koniec – mówi badacz z Uniwersytetu Śląskiego.

Ponadto w momencie, gdy nanocząstka dostaje się do wnętrza komórki, może przyczynić się do powstawania reaktywnych form tlenu, które z kolei mogą prowadzić do uszkodzenia enzymów i innych komponentów komórki, a to oczywiście także wpływa na jej funkcjonowanie.

Ciekawym zjawiskiem, jak wyjaśnia naukowiec, jest również wiązanie niektórych nanocząstek, na przykład metali ciężkich, na powierzchni komórki. Jest to możliwe dzięki jej osłonie i ścianie, która przecież nie jest aż tak cienka. Pewne rodzaje zanieczyszczeń mogą więc być związane w sposób trwały, czyli po prostu zatrzymane na stałe na powierzchni komórki.

Nanomateriały to takie struktury, które mogą się składać z różnych komponentów, przy czym przynajmniej jeden wymiar któregoś z nich musi być mniejszy od 100 nanometrów. Kombinacji jest więc sporo. Jak mówi naukowiec, jednym z interesujących go przykładów takich struktur są nanopestycydy.

– Wiemy, że intencjonalne wprowadzanie do środowiska setek tysięcy ton pestycydów rocznie nikomu na dłuższą skalę nie może służyć. Mamy też świadomość tego, że mieszkańców naszej planety trzeba wyżywić, dlatego producenci muszą zadbać o plony. Rozwiązaniem problemu mogą być właśnie nanopestycydy, chociażby dlatego, że ze względu na swoje bardzo dobre właściwości i selektywność mogą być stosowane w dużo mniejszych ilościach i być równie lub nawet bardziej efektywne. To jeszcze nie wszystko. Można je zaprojektować w taki sposób, żeby działały tylko w określonym czasie występowania danego szkodnika albo aby wiązały się na przykład na powierzchni liścia w taki sposób, żeby nie zostały spłukane podczas deszczu. Znów jednak wracamy do tego samego pytania: co się stanie, gdy wraz z plonami trafią do organizmów ludzi lub zwierząt i jak tego uniknąć? – zastanawia się naukowiec.

Badania trwają, dlatego wciąż jeszcze nanopestycydy nie są powszechnie stosowane, a tylko nieliczne zostały dopuszczone do produkcji.

– I tu znów pojawiają się mikroorganizmy. Wiemy bowiem, że to one jako pierwsze będą się mierzyć z tym wyzwaniem, aby przetrwać. Obecnie wymagania Unii Europejskiej w procesie rejestracyjnym pestycydów dotyczą właśnie ich ekotoksyczności. W tym uwzględnione są badania wpływu danego związku na mikroorganizmy zasiedlające na przykład glebę. Kluczowe pytanie brzmi, jakie normy powinniśmy zaproponować w odniesieniu do nanopestycydów. Potrzebne są także nowe metody badania ekotoksyczności i to jest jedno z pytań, które stawiamy sobie w naszym Zespole Nano-Mikrobiologii – mówi dr Sławomir Sułowicz.

Wciąż jeszcze poziom wiedzy jest zbyt niski, aby można było mówić o wprowadzeniu tego typu substancji ochronnych na skalę masową.

– My wiemy, że ryzyko środowiskowe będzie występowało zawsze, ale naszym zadaniem jest zaprojektować takie nanomateriały, a w tym przypadku nanopestycydy, które pod każdym względem będą lepsze od stosowanych obecnie pestycydów. Uważam, że to jest w zasięgu naszych możliwości. Chcemy chronić plony i chronić ekosystemy tak bardzo, jak to będzie możliwe. Trzeba więc podjąć decyzję, na jaki negatywny efekt się zgadzamy, wiedząc, że korzyści będą wielokrotnie wyższe. W wielu krajach toczą się obecnie takie strategiczne dyskusje – dodaje.

Oczywiście ważnych argumentów dostarczają naukowcy. Zespół, z którym związany jest dr Sławomir Sułowicz, na potrzeby analizy wpływu nanopestycydów na mikroorganizmy zsyntetyzował związki, w skład których wchodziły aktywne substancje organiczne związane z nieorganicznym nanonośnikiem. Mikrobiolodzy sprawdzali następnie, w jaki sposób wybrane nanopestycydy oddziaływały na bakterie. Na tej podstawie będą mogli rekomendować metodę badania oceny środowiskowej opartą na wykorzystaniu mikroorganizmów jako markerów zmian środowiskowych. Wyniki tego typu badań są bezcenne, ponieważ nie ma jeszcze zbyt wielu prac naukowych na ten temat. – Wykorzystujmy nowoczesne metody i szukajmy możliwie najlepszych rozwiązań z wykorzystaniem nanomateriałów, bo jest w nich ogromny potencjał. Potrzeba tylko czasu, aby dowiedzieć się o nich więcej i na tej podstawie dopiero móc podejmować bardziej świadome decyzje – podsumowuje badacz.

Wraz z dr. Sławomirem Sułowiczem w Zespole Nano-Mikrobiologii pracują: dr Anna Markowicz oraz dr Sławomir Borymski. W projekcie badającym wpływ nanopestycydów na mikroorganizmy zaangażowali byli także: dr Anna Nowak z Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ oraz dr hab. Mateusz Dulski, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ.

Małgorzata Kłoskowicz

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 8 (318) maj 2024]