Современное минералообразование при участии микроорганизмов: 2021 г. этап 3

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ проведено изучение
современного минералообразования при участии микроорганизмов (микроскопических грибов, органотрофных и
тионовых бактерий, цианобактерий, лишайников и микробных ассоциаций). Изучение морфогенетических
закономерностей биоминерализации и факторов, контролирующих этот процесс, проводили с применением
комплексного оригинального подхода, предполагающего получение генетической информации на основе совместной
интерпретации результатов полевых наблюдений и моделирования, которое проводили в двух вариантах: 1. При
участии монокультур грибов и бактерий, а также их ассоциаций, варьируя питательность среды биоминерализации; 2. В
модельных системах определенного состава, позволяющего выявить закономерности влияния органических и
неорганических компонент биообрастаний на биоминерализацию. Предварительно в условиях эксперимента
производили отбор штаммов микроорганизмов, исследуя их метаболизм Биоминералы и их синтетические аналоги были исследованы с использованием широкого комплекса методов, включающего оптическую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), порошковую рентгенографию, монокристальный рентгеноструктурный анализ, Рамановскую спектроскопию, ИК-спектроскопию. энерго-дисперсионную рентгеновскую (EDX) –спектроскопию, хромато-масс-спектрометрию (ГХ-МС), масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и рентгенфлюорисцентную спектроскопию, а также современные биологические методы и подходы.

описание для неспециалистов

Изучены минералы биопленок (оксалаты, карбонаты , сульфаты) на поверхности различных горных пород и минералов. С участием микроскопических грибов. бактерий и ассоциаций микроорганизмов в лабораторных условиях синтезированы их аналоги.

основные результаты по проекту в целом

На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ проведено изучение современного минералообразования при участии микроорганизмов (микроскопических грибов, органотрофных и тионовых бактерий, цианобактерий, лишайников и микробных ассоциаций).
Прикладное значение полученных за отчетный период результатов заключается в подборемикрорганизмов,перспективных для применения в биотехнологиях и синтезе биоинсперированных материалов с полезными свойствами. Показана перспективность использования в биотехнологиях бактериально-грибных ассоциации A.Niger/P. сhrysogenum и B. subtilis, а также ксилатрофных грибов (Serpula himantioides, Serpula lacrymans,
Antrodia xantha и Coniophora puteana), проведен биоинсперированный синтез двуводного оксалата кобальта, которыйобладает магнитными свойствами и может быть использован для извлечения кобальта из отходов производства
кобальтовых покрытий и др. материалов. Эксперименты по изучению биохимических аспектов детоксикации тяжелых металлов при участии грибов показали, что образование нерастворимых оксалатов металлов за счет гиперпродукции щавелевой кислоты не является единственной адаптивной реакцией грибов на избыточное содержание металлов в среде. Биохимические особенности грибов, связанные с их адаптацией токсигенным воздействиям, способствуют детоксикации тяжелых металлов в определенных условиях, что обязательно надо учитывать в биотехнологиях по детоксикации тяжелых металлов в окружающей среде при участии грибов. Эксперименты по изучению воздействия на мрамор бактерий Brevibacterium oidinum, Bacillus flexus и Bacillus simplex позволили продвинуться в разработке технологий по залечиванию трещин и снижению пористости известняка и мрамора бактериальным кальцитом. Результаты проведенных экспериментов показали, что в биотехнологиях с использованием B. subtilis, а также других бактерий, продуцирующих оксалат, время кристаллизации, а также толщину карбонатной корки можно контролировать путем изменения количества глюкозы в среде. В то же время необходимо принимать меры для предотвращения загрязнения мраморной поверхности различными микробами, переносимыми по воздуху, в первую очередь, грибами.
Как показывает наш опыт, регулярный плановый уход, связанный с химической очисткой поверхности мраморных памятников, позволяет существенно снизить количество микроорганизмов на поверхности породы. После такой очистки можно использовать «полезные» бактерии для восстановления поверхности памятника с учетом конкретных
параметров среды кристаллизации.
В целом, полученные за отчетный период результаты существенно расширяют наши представления о вкладе микроорганизмов биопленок (грибов, бактерий, лишайников) в современное минералообразование и способствуют созданию научной основы для разработки экологически безопасных экономичных и эффективных биотехнологий.

основные результаты по этапу (подробно)

На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ продолжено изучение современного минералообразования при участии микроорганизмов (микроскопических грибов, органотрофных итионовых бактерий, цианобактерий, лишайников и микробных ассоциаций). Изучение морфогенетических
закономерностей биоминерализации и факторов, контролирующих этот процесс, проводили с применением комплексного оригинального подхода, предполагающего получение генетической информации на основе совместной интерпретации результатов полевых наблюдений и моделирования, которое проводили в двух вариантах: 1. При
участии монокультур грибов и бактерий, а также их ассоциаций, варьируя питательность среды биоминерализации; 2. В модельных системах определенного состава, позволяющего выявить закономерности влияния органических и неорганических компонент биообрастаний на биоминерализацию. Предварительно в условиях эксперимента
производили отбор штаммов микроорганизмов, исследуя их метаболизм. Биоминералы и их синтетические аналоги были исследованы с использованием широкого комплекса методов, включающего оптическую микроскопию,сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), порошковую рентгенографию, монокристальный рентгеноструктурный
анализ, Рамановскую спектроскопию, ИК-спектроскопию. энерго-дисперсионную рентгеновскую (EDX) –спектроскопию, хромато-масс-спектрометрию (ГХ-МС), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС)и рентгенфлюорисцентной спектроскопии.а также современные биологические методы и подходы.
Во время полевого сезона 2021 года были проведены экспедиции в Карелию, на Урал, а также в Музей-заповедникТомская писаница (Кемеровская область), во время которых с учетов типоморфных признаков, выявленных при
предыдущих исследованиях, с поверхности различных горных пород были собраны образцы биопленок с преобладанием накипных лишайников и цианобактерий. В Карелии образцы биопленок с преобладанием накипных
лишайников были отобраны с пород, обогащенных магнием; на Урале — с пород, обогащенных магнием, магнием и железом, никелем, а в Музее–заповеднике «Томская писаница» основными критериями для отбора биообрастаний(цианобактериальных матов и биопленок с преобладанием накипных лишайников) была степень выветрелости подстилающего карбонатного песчаника. Проведена молекулярно-генетическая идентификация штаммов микроорганизмов (цианобактерий, грибов, органотрофных бактерий, а также микробных природных сообществ), как
классическим способом, основанном на прямом микроскопировании проб (таким путем исследовали все собранные биообрастания), так и молекулярно-генетическим методом. В отчетном году таким методом были исследованы
биопленки из типовых местообитаний в районах современного травертинообразования (Ленинградская обл.), а также
микробное сообщество гипсовой корки, отобранной с мраморного памятника на территории Музейного некрополя XVIII века. В продолжении исследования функциональной роли микробных метаболитов в оксалат-карбонатном цикле
изучен метаболизм микроорганизмов, каждый из которых способен выделять как щавелевую кислоту, так и экстраполимерное вещество (EPS), контролирующее карбонатную биоминерализаци (микромицета Penicillium
chrysogenum и ассоциации P. chrysogenum и бактерии Bacillus subtilis). Продолжено моделирование оксалатной кристаллизации на поверхности различных минеральных субстратов при участии микромицетов и макромицетов (ксилотрофных грибов), карбонатной биоминерализации при участии цианобактерий и сульфатизации карбонатных пород под действием тионовых бактерий. Особое внимание было уделено изучению влияния трофического фактора на биоминерализацию под действием P. chrysogenum и ассоциации P. chrysogenum + B. subtilis, выявлению условий (pH,
содержание щавелевой кислоты и EPS), при которых оксалатная кристаллизация меняется на карбонатную и vice versa, а
также биоминерализации на Fe-содержащих субстратах под действием A.niger при контроле содержания в среде железа и щавелевой кислоты. Для расширения и обобщения накопленных знаний по влиянию химизма среды
биопленок на биоминерализацию, а также морфологию и кристаллохимию биоминералов, были проведены дополнительные синтезы аналогов встречающихся в биопленках оксалатов меди, твердых растворов (Fe,Mg,Mn)
C2O4·2Н2O со структурой гумбольдтина и карбонатных фаз (кальцита, моногидрокальцита и арагонита) с различным содержанием катионов Me2+: Mg,Co, Cu, Ni. С целью создания научной основы новых биотехнологий по
биоремедиации окружающей среды и сохранению объектов из природных и синтетических карбонатных материалов в условиях промышленных мегаполисов в отчетный период были продолжены эксперименты по изучению биохимических аспектов детоксикации тяжелых металлов при участии грибов и по залечиванию трещин и снижению пористости известняка и мрамора бактериальным кальцитом.Результаты исследования полевых материалов расширили список видовых составов лишайников, выделяющих
щавелевую кислоту и участвующих в биоминерализации. Для найденных в лишайниках кристаллов оксалатов кальция и меди характерны неровные поверхности граней и округлые ребра, что указывает на интенсивное, возможно, периодическое, растворение в результате воздействия внутриталломных растворов и характерных для лишайников
циклов дегидратации/регидратации. Присутствие во внутриталломном растворе органических кислот, выделяемых лишайниками и всегда присутствующими в них микроскопическими грибами, делает процесс растворения еще более активным.Морфология кристаллов оксалатов в биопленках, обычно, существенно отличается от морфологии кристаллов,
полученных на тех же горных породах под действием гриба в лабораторных условиях. В условиях эксперимента часто в результате расщепления образуются регулярные срастания (в виде стопок или сферолитоподобные), которые в природе отсутствуют. Это позволяет заключить, что ионное пересыщение растворов и скорость роста кристаллов оксалатов в биопленках не так высоки, как в условиях эксперимента.Обобщение результатов исследования полевых материалов, собранных на шлаковых конусах вулкана Толбачик,позволило установить, что оксалаты образуются только в биопленках на шлаковых конусах, возраст которых более 1000
лет. Чем старше шлаковый конус, тем больше на нем видов лишайников и тем больше, соответственно, выделяемой ими щавелевой кислоты. Кроме того, на Камчатке было обнаружено, что на границе подстилающая порода-биопленка,содержание основных элементов базальтов (например, кремния), резко уменьшается, а содержание таких элементов, как Ca, Cu и Pb резко возрастает. В результате этого кальций и медь концентрируются в апотециях лишайников в виде оксалатных минералов, а свинец взаимодействует с кристаллами этих минералов (интенсивнее с оксалатами кальция),либо замещая двухвалентные катионы, либо адсорбируясь на их гранях. Отсутствие в биопленках оксалатов железа.магния и других металлов, присутствующих в подстилающей базальтовой породе, указывает на то, что физико-химические условия кристаллизационной среды в биопленках с преобладанием лишайников неблагоприятны для их образования.Результаты изучения биоминерализации в биопленках на породах, обогащенных магнием (тальк-хлоритовый сланец,серпентиниты и др.) показали, что даже если содержание магния в подстилающей горной породе (и, вероятнее всего, и в среде) превосходит содержание кальция, кристаллизуются оксалаты кальция (уэвеллит и уэдделлит). Магний,присутствующий в среде, взаимодействует с оксалатами кальция, либо замещая в них частично кальций, либо избирательно адсорбируясь на гранях растущих кристаллов (часто эти процессы идут параллельно), что сказывается на их морфологии (например, приводит к замедлению роста и увеличению размеров грани призмы уэдделлита).Выполненный за отчетный период в условиях эксперимента анализ влияния состава и свойств подстилающих Fe-содержащих субстратов (сидерита и пирротина) на образование оксалата железа гумбольдтина под действием A.niger позволил установить, что процессы биовыщелачивания и кристаллизации на этих субстратах подобны описанным нами
ранее для оксалатов марганца, образующихся под действием A.niger на минералах марганцевых руд, которые отличаются по плотности и валентности, содержащихся в них ионов марганца и, по-видимому, являются общими для оксалатов всех переходных металлов. Кроме было установлено, что примеси поступающие в среду кристаллизации из подстилающих горных пород, существенно влияют на морфологию кристаллов гумбольдтина и их сростков, что указывает на адсорбционный механизм их взаимодействия с кристаллизующимся оксалатом железа.С помощью метагеномного анализа и модельных экспериментов было выявлено, что далеко не все гипсовые корки наповерхности памятников Санкт-Петербурга из мрамора и известняка содержат тионовые бактерии, Однако, получение
в ряде экспериментов на карбонатных породах под действием сообществ микроорганизмов, выделенных из гипсовой корки, сульфатов кальция (бассанита в 2020 и гипса в 2021), говорит о том, что тионовые бактерии в корках встречаются и могут играть существенную роль в образование обогащенной гипсом патины (одной из самых опасных болезней уникальных мраморных памятников Санкт-Петербурга). Кроме того, путем моделирования было установлено, что вместе с гипсом под действием присутствующих в пленках бактерий образуется вторичный кальцит, что ранее никогдаьне отмечали. Вероятно, присутствие кальцита отвечает на вопрос — почему образующаяся на поверхностиьПетербургских памятников патина является хорошо сцементированной коркой.
Результаты экспериментов с грибом Penicillium chrysogenum и ассоциацией P. сhrysogenum и B. subtilis подтвердили,что динамика кристаллизационных процессов и последовательность кристаллизации зависят от интенсивности
выделения микроорганизмами органических кислот и ЭПС, соотношение которых контролируюет pH среды кристаллизации. Показано, что метаболизм P. chrysogenum и ассоциации P. сhrysogenum и Bacillus. Subtilis в
зависимости от содержания глюкозы в среде способствует как оксалатной так и карбонатной биоминерализации, что указывает на возможность существенного вклада грибов и бактерий в оксалат-карбонатный цикл. В совместной культуре P. сhrysogenum и B. Subtilis активность образования ЭПС значительно выше и осаждение карбоната кальция начинается при меньших содержаниях глюкозы. Определены трофические условия подавления
оксалатной/карбонатной кристаллизации при взаимодействии кальцитового мрамора с этими микроорганизмами, что открывает новые возможности для их использования в биотехнологиях по залечиванию трещин на мраморе.
Модельные эксперименты по получению аналогов биогенных минералов методом осаждения из водных растворов позволили уточнить закономерности влияния химизма среды на образование и морфологию оксалатов меди,изоструктурных минералов группы гумбольдтина (гумбольдтина, глушинскита и линдбергита), а также карбонатов
кальция (кальцита, моногидрокальцита и арагонита). Отработаны методы направленного синтеза оксалатов в системе Cu2+ - C2O4 - H2O: мулуита, уитлеита. Впервые методом монокристального рентгеноструктурного анализа определена кристаллическая структура синтетического мулуита, которая принципиально отличается от существовавших структурных моделей отсутствием больших полостей или каналов, способных вместить молекулы воды. Показано, что присутствующая в мулуите вода может быть сорбционной. На основании детального анализа изменений параметров
элементарной ячейки и морфологии кристаллов в ряду глушинскит –линдбергит, с привлечением результатов термодинамического моделирования, предложена модель взаимодействия примесных катионов с образующимися кристаллами глушинскита и линдбергита при разных сотношениях Mg/Mn в растворе. Уточнены пределы ионных
замещений.Выявлены условия получения монофазных образцов кальцита, арагонита и моногидрокальцита в системах Me2+ - Ca - CO3 - H2O (Me= Ni, Cu, Co). Показано, что арагонит и моногидрокальцит образуются при температуре 3°С в узких интервалах значений соотношения Me2+/Ca. (Co/Ca —от 0.09 до 0.12, Ni/Ca — от 0.95 до 1.05, Cu/Ca — от 0.85 до 0.95). На основании изменения параметров элементарной ячейки показана возможность вхождения кобальта, никеля и меди в моногидрокальцит и кобальта в кальцит.
Прикладное значение полученных за отчетный период результатов заключается в подборе микрорганизмов,перспективных для применения в биотехнологиях и синтезе биоинсперированных материалов с полезными
свойствами. За отчетный период была показана перспективность использования в биотехнологиях бактериально-грибной ассоциации P. сhrysogenum и B. subtilis и ксилатрофных грибов (Serpula himantioides, Serpula lacrymans,Antrodia xantha и Coniophora puteana), проведен биоинсперированный синтез двуводного оксалата кобальта , который
обладает магнитными свойствами и может быть использован для извлечения кобальта из отходов производства
кобальтовых покрытий и др. материалов. Эксперименты по изучению биохимических аспектов детоксикации тяжелых металлов при участии грибов показали, что образование нерастворимых оксалатов металлов за счет гиперпродукции щавелевой кислоты не является единственной адаптивной реакцией грибов на избыточное содержание металлов в среде. Биохимические особенности грибов, связанные с их адаптацией токсигенным воздействиям, способствуют детоксикации тяжелых металлов в определенных условиях, что обязательно надо учитывать в биотехнологиях по
детоксикации тяжелых металлов в окружающей среды при участии грибов. Эксперименты по изучению воздействия на мрамор бактерий Brevibacterium oidinum, Bacillus flexus, и Bacillus simplex позволили продвинуться в разработке технологий по залечиванию трещин и снижению пористости известняка и мрамора бактериальным кальцитом.

основные результаты по этапу (кратко)

На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ продолжено изучение современного минералообразования при участии микроорганизмов (микроскопических грибов, органотрофных и
тионовых бактерий, цианобактерий, лишайников и микробных ассоциаций).
Прикладное значение полученных за отчетный период результатов заключается в подборе микрорганизмов,перспективных для применения в биотехнологиях и синтезе биоинсперированных материалов с полезными свойствами.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Франк-Каменецкая Ольга Викторовна. Профессор каф. кристаллографии Института Наук о Земле СПбГУ. Общее руководство проектом: распределение обязанностей,постановка задач, обсуждение полученных результатов, подготовка статей, 15%
Власов Дмитрий Юрьевич. Профессор каф. ботаники Биологического факультета СПбГУ. Курирование всех биологических направлений работы, как в полевых, так и в лабораторных условиях, подготовка статей.15%
Верещагин Олег Сергеевич. Доцент каф. Минералогии Института Наук о земле СПбГУ. Проведение полевых и лабораторных исследований биоминералови их синтетических аналогов, подготовка статей.12%
Изатулина Алина Ростамовна. СНС Института Наук о Земле СПбГУ.Кристаллохимические исследования биоминералов и их синтетических аналогов. подготовка статей,12%
Кузьмина Мария Анатольевна. Специалист отдела кадров Института наук о Земле СПбГУ. Cинтез аналогов биоминералов, изучение влияния химизма среды на особенности их кристаллизации и морфологии.Подготовка статей,10%
Зеленская Марина Станиславовна. СНС Биологического факультета СПбГУ. Изучение кристаллических образований в талломах лишайников и колониях микроскопических грибов на поверхности горных пород методом СЭМ.Проведение синтезов при участии микромицетов и органотрофных бактерий. Подготовка статей,10%
Сазанова Катерина Владимировна Изучение метаболизма микробного сообщества. Проведение экспериментов по использованию штаммов микроорганизмов в биотехнологиях.Подготовка статей. 9%
Родина Оксана Андреевна Изучение кристаллических образований в цианопрокариотах; проведение синтезов при участии
цианобактерий.Подготовка статей 5%
Чернышова Ирина Александровна. Рентгеновские
исследования синтетических аналогов биоминералов. Подготовка статей. 4%
Корнеев Анатолий Вячеславович. Рентгеновские и спектроскопические исследования биоминералов и их синтетических аналогов, термодинамическое моделирование, подготовка отчета 5%
Русаков Алексей Владимирович Рентгеновские исследования биоминералов и их синтетических аналогов, подготовка статьи 3%


передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

Разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

Разрешается

обоснование междисциплинарного подхода

Метаболизм микробного сообщества является основным фактором минералообразования под действием грибов, лишайников и бактерий. Так как эти минералы не видны простым глазом, их поиск может осуществляться только на основании видового состава микробного сообщества. Поэтому изучение микробной биоминерализации является междисциплинарной задачей , которую можно решить с использование минералогических и биологических методов и подхлдов.
Короткий заголовокМикроорганизмы
АкронимRSF_RG_2019 - 3
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания1/01/2131/12/21

Ключевые слова

  • Современное минералообразование, биоминерализация, биогенная кристаллизация, кристаллохимия биоминералов, оксалаты, карбонаты, оксиды, микромицеты, органотрофные бактерии, цианопрокариоты, лишайники