В современном мире проблема глобального потепления и повышение концентрации углекислого газа в атмосфере становятся одними из наиболее острых экологических вызовов. Среди множества методов борьбы с этими вызовами особый интерес представляют биотехнологии, направленные на улавливание и минерализацию CO₂. Одним из перспективных направлений является микробиально индуцированное осаждение карбоната кальция (MICP), позволяющее конвертировать углекислый газ в твердую нерастворимую форму — кальцит (CaCO₃). Среди микроорганизмов, способных к данной биохимической реакции, особое место занимает Bacillus megaterium. Этот грамположительный аэробный вид бактерий демонстрирует уникальную способность активировать уреолитический путь минерализации CO₂, что открывает новые горизонты для экологичных технологий в строительстве и биоремедиации.
Механизм уреолитического пути минерализации CO₂ основан на активности фермента уреазы, который катализирует гидролиз мочевины. При этом происходит разложение мочевины на аммоний и углекислый анион, что способствует повышению pH среды и созданию условий для осаждения кальцита из ионов кальция и карбоната. Важным аспектом деятельности Bacillus megaterium является наличие генов, кодирующих не только уреазу, но и карбоангидразу — фермент, участвующий в гидратации CO₂ и формировании бикарбонат-ионов. Однако, как показало последнее исследование, активность уреолитического пути доминирует при низких концентрациях углекислого газа, тогда как при сильно повышенных уровнях бактериальная система переключается на карбоангидразный механизм. Исследования проводились в различных условиях — открытых и закрытых системах с варьирующимися концентрациями CO₂ и мочевины, что позволило точно проследить изменение метаболической стратегии микроорганизмов.
Использование меченой изотопно мочевины (^13C) дало возможность определить источник углерода в сформированном кальците. При атмосферных концентрациях углекислого газа Bacillus megaterium преимущественно использовал уреолитический путь для осаждения CaCO₃. Интересным открытием стало то, что при увеличении уровня CO₂ более чем в 470 раз относительно концентрации в атмосфере, бактерии активировали карбоангидразный путь. Тем не менее, доля кальцита, формируемого через уреолитический механизм, оставалась значимой и составляла около 6%, причем основная часть минерала формировалась именно за счет инкорпорации молекул CO₂. Методы анализа, примененные в работе, включали спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR), сканирующую электронную микроскопию (SEM) и энергодисперсионный анализ (EDX).
FTIR-спектры подтвердили формирование кальцита — наиболее термодинамически стабильной и распространенной полиморфной формы карбоната кальция. Морфологические исследования показали разнообразие форм осадков — от ромбовидных до сферических и аморфных включений, что свидетельствует о влиянии органического вещества и среды на кристаллизацию минерала. Особое внимание в исследовании уделялось ростовым условиям Bacillus megaterium. В присутствии мочевины, CaCl₂ и атмосферных концентраций CO₂ бактерии проявляли активность уреазы, что повышало pH среды и способствовало осаждению CaCO₃. Обеспечение достаточного количества пептона и благоприятной температуры способствовало стабильному росту культуры и обеспечивало эффективное связывание кальция в минерализованной форме.
В дополнение, было отмечено, что даже при субоптимальных значениях pH, вплоть до 6-7, бактерии сохраняли способность к минерализации, что расширяет диапазон потенциально применимых условий MICP с участием Bacillus megaterium. С практической точки зрения данная способность Bacillus megaterium к переключению между двумя ключевыми биохимическими путями mineralизации CO₂ имеет важные преимущества. Во-первых, прямое связывание атмосферного или промышленного CO₂ через карбоангидразный путь позволяет снизить воздействие на окружающую среду за счет уменьшения выделения аммиака, который является побочным продуктом уреолитического процесса и требует дополнительной обработки сточных вод. Во-вторых, получение высококачественного кальцита открывает возможности для создания экологически чистых строительных материалов — биоцементов и биобетонов, которые могут заменить традиционные цементы, производство которых связано с высокими выбросами CO₂. Перспективы применения Bacillus megaterium выходят за рамки строительства.
Возможности биоремедиации почв и укрепления природных каменных конструкций, включая объекты культурного наследия, становятся реальными благодаря способности бактерии формировать устойчивые минеральные покрытия, консолидирующие структуру камня и защищающие ее от разрушения. При этом методики самоинокуляции стабильными бактериальными сообществами позволяют эффективно внедрять биотехнологии с минимальным вмешательством и контролем. Дальнейшие исследования направлены на уточнение кинетики процессов минерализации, влияние локальных изменений pH, температуры и химического состава среды на активность ферментов Bacillus megaterium. Применение ингибиторов ферментов и вариации концентраций CO₂ помогут детальнее понять регуляторные механизмы переключения между уреолитическим и карбоангидразным путями. Изучение этих факторов является ключевым для разработки оптимальных промышленных процессов, направленных на эффективное удаление углекислого газа и производство биокальцита с заданными свойствами.
Таким образом, Bacillus megaterium представляет собой универсальный биореактор для минерализации CO₂ с уникальной способностью адаптировать свой метаболизм в зависимости от окружающей среды. Его применение способствует снижению экологического следа в строительстве и способствует развитию технологий углеродного захвата и хранения. Продуманная инженерия среды и управляющие воздействия на ростовые условия обеспечат максимальную эффективность и устойчивость данного биотехнологического процесса, открывая новые возможности для борьбы с глобальным изменением климата и создания инновационных материалов будущего.
