Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Laboratoria środowiskowe

– Mam możliwość pracować w bardzo ciekawym regionie Polski. Ciężki przemysł doprowadził do tego, że w wielu miejscach właśnie tu, na Śląsku, znajdują się jedyne w swoim rodzaju laboratoria środowiskowe. Mówię o hałdach górniczych. Choć uciążliwe dla mieszkańców, dla nas, naukowców, okazują się niezwykle interesujące – mówi dr Piotr Siupka, lider projektu pn. „Struktura i potencjał biotechnologiczny mikrobiomu płonących hałd pogórniczych”.

Dostępność tych interesujących obszarów sprawiła, że młody naukowiec wrócił do Polski z Danii po zakończeniu stażu podoktorskiego i postanowił zająć się nowym tematem badawczym z dziedziny mikrobiologii środowisk związanych z węglem kamiennym.

– Od dawna interesowały mnie zagadnienia związane z życiem w środowiskach ekstremalnych. Środowisko hałd doskonale nadaje się do prowadzenia tego typu badań – przyznaje mikrobiolog.

Są to miejsca, w których panują ekstremalne warunki. Jest tam niezwykle dużo substancji toksycznych, takich jak: metale ciężkie, związki fenolowe i chlorofenolowe czy wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Są zagrożeniem zarówno dla człowieka, jak i dla środowiska naturalnego. Nie jest to zresztą jednorodna struktura. Naukowiec wyjaśnia, że często w materiale skalnym obecnym w hałdach występuje materia organiczna, a nierzadko również piryt, czyli związek siarki i żelaza, który zaczyna się utleniać i wydziela sporo ciepła. Gdy jest go coraz więcej, to wystarcza, aby hałda zaczęła… płonąć.

Wbrew pozorom w efekcie wymienionych procesów nie można mówić o spektakularnych obrazach góry żywego ognia, jak z filmów science fiction. Kto mieszka na Śląsku, ten wie, że płonące hałdy łatwo rozpoznać dzięki dymom unoszącym się nad ich powierzchnią.

Trzeba przyznać, że dr Piotr Siupka wybrał do analizy jedno ze środowisk najbardziej niesprzyjających jakimkolwiek organizmom. Już sama hałda, właśnie poprzez zawartość tak wielu toksycznych substancji, jest nieprzyjaznym miejscem dla wszelkiej fauny i flory. Tam, gdzie dodatkowo dochodzi jeszcze do zapłonu, przekraczane są wszelkie granice dla życia.

Taka hałda płonie punktowo. Czasem trwa to kilka miesięcy, czasem kilka lat. Pożar może się też wzdłuż niej przemieszczać.

– W zespole, którym mam przyjemność kierować, współpracuję m.in. z prof. Leszkiem Marynowskim i dr. Ádámem Nádudvarim. Oni zajmują się przede wszystkim analizą składu geochemicznego hałdy i zachodzących w niej procesów. Mnie z kolei interesuje mikrobiologia. Naszym wspólnym celem jest opisanie procesów biogeochemicznych zachodzących w płonących hałdach pogórniczych poprzez zbadanie mikrobiomu tych środowisk. W projekcie planowana jest ponadto izolacja mikroorganizmów z hałd oraz ocena ich potencjału biotechnologicznego – komentuje naukowiec.

Mieszkańcy hałd

Badacze już trochę wiedzą o mikroorganizmach zamieszkujących hałdy pogórnicze. Do tej grupy należą z pewnością różne szczepy bakterii, które w zadziwiający sposób potrafiły się przystosować do ekstremalnych warunków.

– Jedno z kluczowych pytań brzmi, które z nich były już wcześniej w materiale skalnym i zostały po prostu razem z nim „wydobyte” na powierzchnię ziemi, a które najzwyczajniej w świecie skolonizowały nową przestrzeń – mówi mikrobiolog. To bardzo ciekawe pytanie, dlatego tak ważną częścią projektu są badania porównawcze. Naukowcy mają do dyspozycji zarówno materiał pobrany bezpośrednio z hałdy, jak również ten pochodzący z kopalń, z różnych głębokości.

Oba typy bakterii potrafią całkiem nieźle funkcjonować w ekstremalnych warunkach. Organizmy, które zostały wydobyte wraz z urobkiem, musiały się dostosować do środowiska zewnętrznego. Z kolei te z zewnątrz świetnie odnajdują się w toksycznym środowisku. O ile obecność pierwszych jest zrozumiała, o tyle warto zastanowić się, co skłania te drugie do zasiedlania hałdy, mimo iż obok, po sąsiedzku, panują o wiele bardziej sprzyjające życiu warunki.

– To trudne pytanie. Najprostsza odpowiedź w odniesieniu do pierwszej i drugiej grupy brzmi chyba tak: bo mogą. Niektóre bakterie są wyposażone w mechanizmy pozwalające im radzić sobie świetnie tam, gdzie inne nie miałyby szansy przetrwać. I nie muszą się przejmować konkurencją. Obszary znajdujące się tuż obok, charakteryzujące się bardziej sprzyjającymi warunkami, przyciągną zdecydowanie więcej chętnych, a to już spora konkurencja – wyjaśnia mikrobiolog.

W przypadku płonących hałd dużym wyzwaniem dla mikroorganizmów są także panujące tam wysokie temperatury. Jak wyjaśnia naukowiec, teoretyczny limit wartości, przy której możemy jeszcze mówić o występowaniu jakiejkolwiek rozmnażającej się formy życia, to 125°C. Tymczasem w przypadku płonących hałd temperatura materiału potrafi osiągnąć poziom nawet kilkuset stopni Celsjusza przy ich powierzchni. W tych miejscach nie można się spodziewać już żadnych mikroorganizmów.

Pożyteczne mikroorganizmy

Bakterie są fascynujące, ponieważ mają największą elastyczność metaboliczną, która pozwala im się w miarę szybko dostosować do najróżniejszych warunków, w tym tak trudnych, jak występujące na hałdach.

Naukowcy obecnie starają się wyizolować i sekwencjonować DNA mikroorganizmów z pobranych próbek, co okazuje się dosyć dużym wyzwaniem ze względu na nagromadzenie metali ciężkich i różnych związków organicznych. Na tej podstawie będą mogli odpowiedzieć m.in. na pytanie, jakie mikroorganizmy żyją w płonących hałdach, w miejscach, w których temperatura nie przekracza przyjętych 125°C. Chcieliby również sprawdzić, co potrafią zrobić w tak ekstremalnym środowisku.

– Jest to bardzo ważne pytanie, ponieważ wierzę w to, że w przyszłości posłużą jako źródła nowych enzymów lub zostaną wykorzystane do usuwania różnego rodzaju zanieczyszczeń, w tym być może bioremediacji samych hałd – mówi naukowiec.

Głównym miejscem prowadzonych badań jest hałda w miejscowości Czerwionka-Leszczyny. Występują w niej zarówno punkty z trwającym wciąż pożarem, jak i miejsca przepalone.

– Chcemy je porównać ze sobą, są to bowiem różne środowiska, w których żyją inne mikroorganizmy – dodaje lider zespołu.

Do zespołu dr. Piotra Siupki dołączył m.in. dr Ian Marshall z Aarhus University (Dania). Pochodzący z Australii biolog uczestniczył w pracach zespołu, który opisał niezwykle ciekawe mikroorganizmy łączące środowiska tlenowe z beztlenowymi. To tak zwane cable bacteria. Jak wyjaśnia naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego, wyjątkowe u tych bakterii jest to, że bytując na granicy środowiska tlenowego i beztlenowego, tworzą długie filamenty, którymi przekazują elektrony (innymi słowy tworzą kable przewodzące prąd, stąd ich nazwa). Są w stanie w warunkach beztlenowych przeprowadzać procesy charakterystyczne dla warunków tlenowych, ponieważ tlen jest potrzebny do wyłapania (zaakceptowania) tych uwolnionych elektronów.

– Biorąc pod uwagę charakterystykę hałd, spodziewamy się występowania tego typu mikroorganizmów – mówi badacz z Uniwersytetu Śląskiego.

Jak dodaje, są one bardzo ważne, ponieważ wiąże się z nimi nadzieję na walkę z efektem cieplarnianym. Środowiska beztlenowe są bowiem źródłem metanu, a wspomniane mikroorganizmy mają zdolność rozkładania go do dwutlenku węgla.

– Liczę na to, że uda się je zidentyfikować, a następnie dokładnie opisać. Wiemy, że są trudne w hodowli, spodziewamy się kolejnych wyzwań, ale nie chcemy rezygnować z ważnego wątku towarzyszącego prowadzonym badaniom. Nasze oczekiwania względem nich są duże – mówi naukowiec.

Lepsze poznanie wpływu warunków panujących na hałdach na mikroorganizmy i mikroorganizmów na strukturę hałd może być znaczącym krokiem w kierunku lepszego zabezpieczania odpadów będących skutkiem górniczej działalności człowieka. Biorąc pod uwagę, jak ekstremalnie szkodliwe są te miejsca dla ludzi i środowiska, należy jeszcze bardziej zintensyfikować poszukiwania możliwie najlepszych rozwiązań. Zaprezentowane badania są przykładem takiego właśnie działania.

Projekt pn. „Struktura i potencjał biotechnologiczny mikrobiomu płonących hałd pogórniczych” realizują: dr Piotr Siupka (lider), dr Ádám Nádudvari oraz dr Ian Marshall. Analizy w ramach projektu prowadzą również: dr Tomasz Krzykawski i dr Hakim Rabia (INoZ, UŚ), a także studenci Agnieszka Bylina (INoZ) oraz lic. Mateusz Pala (IBBiOŚ). Część badań była prowadzona w laboratorium prof. dr. hab. Leszka Marynowskiego.

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 8 (298) maj 2022]