טיהור ביולוגי

ניקוי מזהמים סביבתיים על-ידי חיידקים

במילניום הקודם השלים האדם את ההשתלטות שלו על כדור הארץ. כתוצר לוואי של התפתחויות המסיביות של החקלאות והתעשייה מאז ועד לימים אלה (וכנראה שגם בהמשך...) נוצרו חומרים מזהמים שגורמים נזקים כבדים לסביבה. חלק מאותם מזהמים הם ממקור טבעי, כמו נפט גולמי, אך אחרים הם חומרים שאותם פיתחו כימאים, והם נחשבים זרים לכדור הארץ. חומרים זרים אלה מכונים קסֶנוֹביוטים (Xeno = זר). מזהמים נוספים שהם תוצרים של תעשיות שונות הם מתכות כבדות, ותוצרים רדיואקטיביים של כורים גרעיניים. 

הבעיות הסביבתיות דורשות טיפול - והכוונה היא בעיקר לטיפול בחומרים שמזהמים את הסביבה שחלקם גם מרעילים את יושביה. לצורך כך ניתן לרתום יצורים חיים מסוגים שונים לטיפול בחומרים המזהמים. יצורים אלה יכולים להיות יצורונים מקבוצות שונות: חיידקים, ארכאונים, אצות, פטריות, וגם יצורים גבוהים יותר, כצמחים ובעלי חיים. כתוצאה מהטיפול החומרים המזהמים מותמרים בחומרים אחרים, שמסוכנים פחות, או שאינם רעילים כלל. בעברית אנו נכנה את התהליך הזה "טיהור ביולוגי" (ובאנגלית – bioremediation). 

הטיהור הביולוגי, באמצעותו יסולקו חומרים רעילים מהסביבה, אינו מחכה לפעילות אקטיבית שלנו, אלא מתחיל ספונטנית. אך בתנאי בסיס של היעדר יצורונים מפרקים, ובתנאי גידול לא נוחים לאלה שישנם (אם ישנם, או שיגיעו/יתפתחו בהמשך), התהליך עלול להימשך זמן רב. ההתערבות של החוקרים – בהבאת המפרקים למקום, בשיפור תנאיהם או בהעברת האדמה המזוהמת למיקום נוח יותר, יכולה לקצר משמעותית את הזמן הנדרש לפתרון הבעייה. התערבות זו מכונה "המרצה ביולוגית" (biostimulation). 

נתאר כאן כמה דוגמאות של חיידקים שעוזרים לנקות ולטהר את מה שלכלכנו. חיידקים אלה מכונים "מטהרים ביולוגים" (bioremediators).

צנרת לאיסוף מתאן בחיריה
צילום: דרור בר-ניר

טיהור זיהומי נפט 

חומרים טבעיים: במקום שבו נוצרו החומרים הטבעיים או במקומות שבהם שהו זמן רב, נמצאים יצורונים שיודעים לפרק אותם, ועלינו למצוא אותם (אם עדיין לא עשינו זאת קודם) ולספק להם תנאי מחיה טובים בסביבות האזור המזוהם כדי שיפרקו אותו ביעילות. דוגמה מוחשית שחוזרת מדי כמה שנים הם זיהומי ים וחופים בנפט גולמי כתוצאה מביקוע מיכליות.

כיצד אפשר להתגבר על זיהומי הנפט? מתברר שחיידקים מסוימים יכולים לנצל פחמימנים שונים כמקור לאנרגייה ולפחמן. תהליכי פירוק הפחמימנים בנוכחות חמצן יעילים הרבה יותר מתהליכי הפירוק בהיעדר החמצן (וזו אחת הסיבות לכך שהנפט במעמקי האדמה משתמר מיליוני שנים: אין שם חמצן...). הפירוק מתבצע לרוב בשלבים, כשכל שלב מתבצע על ידי מין אחר של חיידקים.

חוקרים ברחבי העולם מצאו מאות מינים של חיידקים מפרקי נפט באתרים שבהם האדמה מזוהמת בנפט תקופות ארוכות (למשל, אתרים של קידוחי נפט, תחנות דלק שלא מבודדות מהקרקע ועוד). הם בחרו מתוכם חיידקים שנוח לגדלם ולפזרם בשטחים המזוהמים. בשנות ה-90 של המאה הקודמת, במעבדות של יוג'ין רוזנברג (Rosenberg), אליאורה רון (Ron) ודוד גוטניק (Gutnik) באוניברסיטת תל-אביב, אף פותח דשן מיוחד המכיל מקורות חנקן וזרחן שלהם זקוקים החיידקים אלה. תערובת החיידקים עם הדשן טובה לטיהור חופים מזוהמים ובמקומות סגורים (כמכלי מי נטל של מכליות נפט - שאחרי הטיפול אפשר להחזירם לים ללא זיהום הסביבה). אך שיטת טיהור זו אינה יעילה במקומות פתוחים ככתמי נפט ימיים, כיוון שהחומרים שבדשן נמהלים במי הים.

גם לכתמי נפט בים מסתמן פתרון - מהמים העליונים המזוהמים בנפט שבאזורי זיהום ימיים קודמים בודדו חיידקים ימיים (Alcanivorax borkumensis) המשתמשים בפחמימנים שבנפט כמקור פחמן בלעדי, ואף מסוגלים להתגבר על המחסור בתרכובות החנקן על ידי קיבוע של חנקן אטמוספרי. טרי האזן (Hazen) ועמיתיו מאוניברסיטת ברקלי בודדו גם חיידקים מעומקי הים - ממקומות שבהם שקע נפט, בעקבות פיזורו לחלקיקים זעירים באמצעים מלאכותיים, למשל באמצעות פיזור של הדטרגנט קוֹרֶקסיט. לחיידקים אלה, שעדיין לא הוגדרו יתרון משמעותי. הם צורכים מעט חמצן בפירוק, ובכך לא גוזלים את החמצן מהדגים ומהיצורים האחרים החיים באזור המזוהם. חיידקים אלה מקורם כנראה באזורים שליד סדקים בקרקעית הים, שמהם דולף באטיות גז טבעי (פחמימנים קצרים - בעיקר מתאן, אתאן ופרופאן, ומעט בוטאן) וכמות קבועה ויציבה של נפט. הגז מומס במים, וכך מתאפשר לחיידקים להשתמש בו כמקור פחמן.

פרוק קסנוביוטים על ידי חיידקים 

בין הקסנוביוטים נכללים מדבירי מזיקים, חומרים מהתעשייה האלקטרוכימית, חומרי נפץ, צבעים וממיסים מוכלרים. הם מהווים בעיה סביבתית חמורה.

חומרים הדומים בהרכבם לחומרים טבעיים, מפורקים, בדרך כלל, על ידי אנזימים שקיימים במיקרואורגניזמים. ומה עם אלה שאינם דומים לחומרים טבעיים? כבר נאמר בעבר, שלא משנה איזה חומרים מתוחכמים כימאים יצרו, בסופו של דבר יימצאו החיידקים שיפרקו אותם. ואכן, הזמן (והאבולוציה) עושה את שלו ובאזורים המזוהמים מופיעים חיידקי קרקע שיכולים לפרק את הזיהומים הקסנוביוטיים ולנצל אותם כמקור לפחמן ולאנרגיה. תמיד ימצאו חיידקים שמפרקים את החומר הזר לגמרי, או שיתפתחו שילובים של שני מיני חיידקים (או יותר) שלהם פעילות מטבולית משותפת שיפרקו את הקסנוביוט.

ביפנילים מוכלרים (Polychlorinated biphenyls, ובקיצור PCBs) הם קסנוביוטים אופייניים. מדובר במאות חומרים נוזליים ששימשו במשך כ-50 שנה בתעשייה האלקטרוכימית, משנות ה-20 של המאה הקודמת, כמעבירי חום, כנוזלי בידוד בשנאים וכנוזלים הידראוליים. אחרי 50 שנות שימוש התברר כי הם רעילים ביותר, והם מצטברים ברקמות ביולוגיות ועוברים בשרשרות המזון. באזורים שזוהמו ב-PCBs (למשל באתרי אחסון פסולת) הם גרמו תמותה רבה בחיות בר (בעיקר בציפורים), ואף למחלות סרטניות ומומים מולדים בבני אדם. מאז נאסר הייצור והשימוש בהם, אך עדיין הם מהווים בעיה סביבתית חמורה במקומות השונים שבהם הם מאוחסנים. בשנות ה-70 של המאה הקודמת, כשהתגלתה הרעילות שלהם, לא היו מוכרים כלל חיידקים שמסוגלים לפרק ולנצל אותם. היום כבר מוכּרים מינים רבים של חיידקים, מסוגים שונים, המפרקים אותם. כולם בודדו מקרקעות שזוהמו ב-PCBs. האם לחיידקים המפרקים הייתה היכולת המטבולית לפרק PCBs עוד לפני המצאת החומרים, והם הגיעו עם הזמן לאזור? או שחיידקים מקומיים פיתחו ו/או רכשו את היכולת הזו במהלך ההסתגלות שלהם לסביבה המזוהמת? תשובה חד משמעית לשאלה אבולוציונית מעניינת זו אין לנו, אך מרבית החוקרים משערים שהאפשרות השנייה היא הנכונה.

מוצרי פלסטיק

קסנוביוטים אחרים, שאינם רעילים אך מאוד בעייתיים למִחזור, הם מוצרי הפלסטיק לסוגיהם השונים. תעשיות הפלסטיק ברחבי העולם מייצרות מדי שנה מיליארד טון מוצרים - כמחציתם מגיעים לאשפה: אריזות הפלסטיק, הבקבוקים ומוצרי פלסטיק אחרים שסיימו את תפקידם סותמים את מאגרי הפסולת ומזהמים כמעט כל מקום אפשרי בטבע, בים וביבשה. בגלל המבנה הקשיח וגודל המולקולות, הם אינם מתפרקים באתרי ריכוז פסולת במשך עשרות ואף מאות שנים. פסולת פלסטיק רבה מגיעה לאוקיינוסים ומצטברת בגושים שצפים על פני המים, הכוללים חלקי פלסטיק בשלבים שונים של פירוק. מסביב לגושים אלה יש בית גידול המאכלס שרשרת מזון שלמה, המכונה פלסטיספרה.

חומרי פלסטיק הם מגוון רחב של חומרים - פולימרים  סינתטיים. גם אם הם מיוצרים מחומרי גלם טבעיים במקור, כמו תאית, גומי או נפט. אותרו עד היום לא מעט חיידקים מפרקי פלסטיק, בעיקר במזבלות בהן מצטברים מוצרי פלסטיק. חיידקים מפרקי פלסטיק צפויים להימצא גם בפלטיספרה. אך כדי שנוכל להיעזר בהם ביעילות, יש למצוא דרך להעביר את גושי הפלסטיק לצורה של אבקה.

חומרי נפץ 

גם חומרי נפץ הם קסנוביוטים – אף שהם מבוססים על חומרים טבעיים. ניטרו גליצרין למשל, הוא חומר נפץ נוזלי, מאוד מסוכן, שנוצר לראשונה כתוצאה מניטרציה של גליצרול (גליצרין) על ידי הכימאי האיטלקי אסקניו סובררו (Sobrero) בשנת 1847. אלפרד נובל הצליח ליצור ממנו את הדינמיט. חומר נפץ בטוח יותר לשימוש. עם הזמן (והרבה זיהומי סביבה) פיתחו חיידקים את היכולת לפרק אותו. החיידקים שמפרקים אותו משתייכים לסוגים שונים, רובם בודדו ממי השטיפה של מפעל נטוש שייצר ניטרוגליצרין. החיידקים משתמשים בניטרוגליצרין כמקור לפחמן וחנקן.

תהליך הפירוק הוא תלת שלבי, כשבכל שלב מוסר ניטרט אחד. נוצרים תוצרי ביניים שונים ולבסוף גליצרול – שהוא החומר הטבעי. לחיידקים תפקיד חשוב בניקוי אזורים מזוהמים.

האנזימים שאחראים על הפירוק בודדו משני מינים של חיידקי Psudomonas. את האנזימים המפרקים אפשר לשלב בהנדסה גנטית עם אנזימים שגורמים לפליטת אור. ריסוס של החיידקים המהונדסים מעל אזור החשוד כמזוהם יגרום לכך שהאזור יאיר בלילה...

חומרים רעילים בסביבה רדיואקטיבית 

חומרים רדיואקטיביים פולטים קרינה רדיואקטיבית. הקרינה קטלנית כמעט לכל היצורים החיים, ולכן, גם אם ישנם חיידקים (או מיקרואורגניזמים אחרים) שיכולים לפרק חומרים מזהמים שאינם רדיואקטיביים, הקרינה הרדיואקטיבית תקטול אותם. כאן נכנס לתמונה החיידק Deinococcus radiodurans שהתגלה לראשונה בשנת 1956, בקופסאות שימורים שהוקרנו בקרינת גמא. התברר שהחיידק עמיד מאוד לקרינה: ברמת קרינה של 10,000 גרֵיי עדיין שורדים חלק מהחיידקים (לשם השוואה, רמת קרינה של 5-6 גריי קטלנית לבני אדם ורמת קרינה של 1,000 גריי תעקר תמיסה של חיידקי

Escherichia coli. החיידק D. radiodurans עמיד גם בתנאי יובש וקור קיצוניים ביותר (על מבנהו המיוחד שמאפשר את תכונותיו היחודיות, ראו: להרחבה).

החיידק נרתם לצורכי ניקוי וטיהור של אזורים המזוהמים הן בפסולת כימית והן בפסולת רדיואקטיבית, שכן הקרינה הרדיואקטיבית קוטלת את החיידקים המוכרים המסוגלים לטהר ולמחזר את הפסולת הכימית, והאזור נשאר מזוהם. אמנם, החיידק אינו מפרק ממסים אורגניים דוגמת טולואן ופנול, אך הכנסת הגנים המתאימים לחיידק יצרה "חיידק-על" המסוגל לפרק את הממסים האורגניים בסביבה רדיואקטיבית. הכנסת גנים לעמידות ולתהליך המחזור של מתכות כבדות, דוגמת כספית (הפיכת יוני כספית רעילים לכספית מתכתית - שהיא פחות רעילה) יצרה את "החיידק הממחזר האולטימטיבי".

נכון להיום, אין מזהמים גדולים יותר מאיתנו, ועצם קיומנו על כדור הארץ (בגלל אותם זיהומים) מהווה איום קיומי על חלקים ניכרים מהביוספרה. אך יש תקווה. לאחר שנעלם – כתוצאה מהשמדה עצמית, או מסיבה אחרת –  תהליכי הטיהור הביולוגי יסלקו את המזהמים תוך כמה עשרות עד מאות שנים, ואולי תתאפשר הופעה של יצורים תבוניים חדשים, שישמרו טוב יותר על כדור הארץ...

להרחבה:

נפט - מקור אנרגיה ומזהם סביבתי, "גליליאו" 108, 2007.

למנה עיקרית: נפט מהאסון במפרץ מקסיקו –  "גליליאו" 148, 2010

על פלסטיק וחיידקים - "גליליאו" 132, 2009

פלסטיפרה - בית גידול חדש של פסולת פלסטיק בלב האוקיינוס -  "גליליאו" 187, 2014.

על קרינה וחיידקים -  "גליליאו" 110, 2007.

פורסם במקור ב"גליליאו" (205, אוקטובר 2015)