В современном мире, где проблема климатических изменений и загрязнения окружающей среды становится все более актуальной, ученые и инженеры продолжают искать эффективные и экологически безопасные методы улавливания диоксида углерода. Одним из многообещающих направлений является микробиально индуцированное осаждение кальция карбоната (MICP, микробиально вызванное осаждение карбоната кальция) — процесс, в ходе которого микроорганизмы способствуют быстрому формированию и накоплению минералов. Среди разнообразия бактерий, участвующих в этом процессе, особое внимание уделяется Bacillus megaterium — бактерии, способной использовать уникальные биохимические пути для минерализации CO₂, производя CaCO₃ с высокой эффективностью и при этом минимизируя образование вредных побочных продуктов. Bacillus megaterium — грамположительная аэробная бактерия, обладающая крупнейшими размерами среди родственных видов, что отчасти объясняет и широкий спектр ее применения в биотехнологиях. Ее геном содержит гены, кодирующие два ключевых фермента — уреазу и карбоангидразу, каждый из которых может катализировать процессы, ведущие к образованию и осаждению карбоната кальция.
Такая двойная система представляет собой эволюционное преимущество, позволяющее бактерии адаптироваться к различным условиям окружающей среды и использовать разные источники углерода для минерализации. Классическим и наиболее известным механизмом микробиального осаждения CaCO₃ является уреолитический путь, где бактерии расщепляют мочевину с помощью фермента уреазы. В ходе этой реакции мочевина гидролизуется, образуя аммоний и карбонат-анигон. Карбонат, взаимодействуя с ионами кальция, выпадает в осадок в виде кальция карбоната. Однако уреолитический путь имеет значительный недостаток — в процессе образуется аммиак, который может негативно влиять на окружающую среду и требует дополнительных мер очистки.
Это ограничивает применение уреолитической микробиальной технологии в промышленности и строительстве. Bacillus megaterium способен активировать альтернативный механизм посредством фермента карбоангидразы, который катализирует гидратацию диоксида углерода, переводя газообразный CO₂ в ионы бикарбоната. Эти ионы затем комбинируются с ионами кальция, обеспечивая формирование кальция карбоната без выделения аммиака. Подобный подход значительно снижает экологическую нагрузку и открывает перспективы для безопасного и эффективного захвата атмосферного углекислого газа. Исследования с использованием C13-метки мочевины доказали, что при повышенном содержании CO₂ в среде бактерия предпочитает активировать карбоангидразный путь, минуя уреолиз.
В экспериментах с концентрацией CO₂, превышающей в 470 раз атмосферный уровень, свыше 94% молекул кальция карбоната формировались за счет именно CO₂, минуя мочевину. Такие данные свидетельствуют о том, что Bacillus megaterium способен быть основой новых биотехнологий для улавливания и минерализации углекислого газа непосредственно из атмосферы. Важным аспектом биоминерализации является полиморфизм образующихся карбонатных минералов. CaCO₃ может существовать в трех основных формах: кальцит, арагонит и ватерит. Исследования показали, что Bacillus megaterium преимущественно способствует формированию стабильного кальцита, что особенно ценно для строительных и реставрационных материалов, так как кальцит обладает высокой прочностью и устойчивостью к разрушению.
Морфологические исследования подтвердили наличие разнообразных форм, но основная масса осадка относится именно к кальциту. Такой микробиологический метод минерализации имеет значительные преимущества для экологичного строительства и реставрации зданий и памятников архитектуры. Биозакрепление материалов с помощью CaCO₃, синтезированного Bacillus megaterium, способствует повышению прочности, долговечности и снижает потребность в традиционных цементных связующих, которые являются источником огромных эмиссий CO₂ при производстве. Кроме того, способность бактерии эффективно улавливать CO₂ и преобразовывать его в твердый минерал открывает новые горизонты в стратегии борьбы с изменением климата. В отличие от широко используемых уреолитических бактерий, Bacillus megaterium с двойным ферментным механизмом представляет собой экологически более безопасную альтернативу, так как избежание образования аммиака снижает токсичность и необходимость обработки отходов.
Это делает процесс потенциально более экономичным и привлекательным для внедрения в промышленных масштабах. Однако эффективное применение Bacillus megaterium требует тщательного контроля условий выращивания, таких как концентрация углекислого газа, температура, уровень pH, а также состав питательной среды. Исследования показывают, что при высоких концентрациях CO₂ происходит переключение с уреолитического пути на карбоангидразный, что важно учитывать при разработке технологий улавливания и минерализации углекислого газа. Помимо этого, влияние сопутствующих ионов, например магния, способно влиять на кристаллизацию и морфологию CaCO₃, что требует дополнительного изучения для оптимизации процесса. Таким образом, Bacillus megaterium выступает в роли эффективного биофильтра для атмосферного CO₂, превращая его в твердый минерал кальция карбоната.
Данная особенность может быть использована не только в целях снижения парниковых газов, но и для производства биоразлагаемых строительных материалов нового поколения. В перспективе возможно создание синергетических систем с комплексным использованием различных микроорганизмов для максимизации скорости и объема биоминерализации. В заключение, благодаря своей гибкости в использовании различных биохимических путей для минерализации CO₂, Bacillus megaterium занимает важное место в биотехнологических разработках, направленных на экологическую устойчивость. Углубленное понимание ее метаболических особенностей, оптимизация условий культивирования и масштабирование процессов создадут основу для интеграции микробных технологий в реальные промышленные и строительные решения, способствующие борьбе с изменением климата и формированию устойчивой экономики замкнутого цикла.
