Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года

БЫСТРО И В КАПЛЯХ: ТЕХНОЛОГИЯ ПОИСКА НОВЫХ БИОПРЕПАРАТОВ

Борьба с коронавирусной инфекцией приковала к себе внимание всего земного шара, но это совсем не повод забыть о других патогенах, которые могут представлять опасность для человечества. Микроорганизмы, а это и вирусы, и бактерии, и грибы, и некоторые другие формы жизни — вся эта мелкая братия, что называется, не дремлет и, как любое живое существо, эволюционирует, приспосабливаясь к меняющимся условиям окружающей среды. Один из таких факторов изменчивости — сам человек, точнее его борьба против микробов. Чтобы не умирать от инфекций, вызванных бактериями, или не умереть от голода, если инфекции поразят сельскохозяйственные культуры или животных, мы широко используем антибиотики. Ответом на это стало возникновение и распространение бактерий, устойчивых к традиционным антибиотикам. К тому же разные микроорганизмы могут передавать друг другу устойчивость к антибиотикам благодаря такому эффекту, как горизонтальный перенос генов. В результате меньше чем за век с начала широкого использования антибактериальных препаратов мы столкнулись с новой проблемой, грозящей поставить жирную точку золотому веку антибиотиков — антибиотикорезистентностью, или, что то же самое, устойчивостью к антибиотикам (см. «Назад в доантибиотиковую эру?», «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.).

Принципиальная схема поиска антибиотической активности с помощью технологии высокопроизводительного скрининга: 1) отбор проб, содержащих бактериальное сообщество; 2) инкапсуляция в каплях эмульсии индивидуальных клеток вместе с клетками-мишенями; 3) рост колоний бактерий в изолированных каплях; 4) отбор с помощью микрофлюидной технологии капель с колониями, в которых «дикие» бактерии подавили рост бактерий-мишеней. Именно в них находятся интересующие исследователей бактерии-«убийцы» со способностью продуцировать антибиотики. 

В самой антибиотикорезистентности нет ничего нового — большинство антибиотиков представляют собой природное «оружие», которое разные микроорганизмы используют против бактерий (например, грибы против бактерий, бактерии против других бактерий и т. д.). Соответственно у тех же бактерий существуют эволюционно выработанные механизмы химического нападения и защиты. Проблема заключается в том, что человек, если так можно выразиться, ввязался в «чужую» войну, взяв химические вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами, чтобы использовать их против других, опасных для себя возбудителей болезней. Разумеется, те вторые ответили ускоренной эволюцией методов защиты и их передачей своим «братьям по оружию».

Одержать окончательную победу в этой эволюционной гонке не получится, но неплохо попытаться быть на шаг или хотя бы на полшага впереди и иметь в кармане новый антибиотик, когда старый уже утратит свою силу. Для этого нужно уметь находить новые средства борьбы быстрее, чем бактерии успевают к ним адаптироваться. Большинство современных антибиотиков обязаны своим появлением простому и эффективному методу, получившему название «платформа Ваксмана» (по имени первооткрывателя стрептомицина Зельмана Ваксмана). Его суть в том, что на слой питательной среды высевались бактерии из почвы, а затем поверх первого слоя заливался второй, в который уже высевали бактерии-мишени. Если в слое, где росли колонии бактерий-мишеней образовывалась зона просветления, то есть бактерии росли плохо или вовсе погибали, это означало, что какая-то бактерия из нижнего питательного слоя вырабатывала вещество-антибиотик, отравляя жизнь «соседям» сверху. Дальше задача состоит в том, чтобы выделить полезную бактерию и определить действующее вещество. Однако с помощью такого метода можно находить только хорошо культивируемые бактерии, к тому же вырабатывающие антибиотики в больших количествах. Собственно, их довольно быстро и нашли, а вот дальше так искать стало сложнее.

Помочь в поиске новых антибиотиков могут методы высокопроизводительного скрининга, позволяющие в автоматическом режиме исследовать миллионы различных вариантов взаимодействия в биохимических системах. За разработку микрофлюидных технологий и методов синтетической биологии для ультравысокопроизводительного скрининга на уровне единичных живых клеток, которая может быть использована в том числе для поиска новых антибиотиков, двое исследователей, доктор химических наук Илья Андреевич Остерман и кандидат химических наук Станислав Сергеевич Терехов, получили в феврале 2020 года премию Правительства Москвы молодым учёным за 2019 год. Илья Остерман — выпускник химфака МГУ им. М. В. Ломоносова, в настоящее время совмещает должности главного научного сотрудника Центра наук о жизни Сколтеха и старшего научного сотрудника на кафедре химии природных соединений химического факультета МГУ. Станислав Терехов — научный сотрудник Лаборатории биоинформационных методов комбинаторной химии и биологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

Так как же устроена эта технология и какие результаты с её помощью можно получить?

Основа метода — помещение индивидуальной живой клетки, например, бактерии, в каплю жидкости, которая становится для неё своеобразным домом, говоря по-современному — клетку принуждают к «самоизоляции». Сама же капля не висит в воздухе и не лежит на поверхности, а находится в другой жидкости — вместе они образуют микрофлюидную эмульсию. Система подобна той, что образуется, если встряхнуть смесь масла и воды: в одной жидкости начинают плавать капли другой. В зависимости от условий можно получать эмульсии с очень малым размером таких капель. Чтобы клетка «не скучала» на самоизоляции, в её каплю-дом можно подселить соседа — бактерию-мишень. Тогда, если первая бактерия умеет делать антибиотики, действующие против бактерий-мишеней, то в таких каплях бактерии-мишени не будут размножаться. Подсмотреть за тем, что происходит в каждой отдельной капле, можно с помощью флуоресцентных маркеров — белков, которые светятся при облучении лазером с определённой длиной волны. Например, если в капле размножается бактерия, производящая флуоресцентный белок, то она будет светиться под лазером зелёным светом, а вслед и вся капля спустя некоторое время будет светиться зелёным. Если же рост этих бактерий подавляется токсичной бактерией-соседкой, тогда зелёного свечения у капли не будет. Это самый простой случай, на деле, как правило, используется несколько красителей, и информации о жизни внутри капли получается больше.

Метод помогает создавать огромное количество таких капель и с очень большой скоростью их исследовать, пропуская поток эмульсии через специальное устройство — микрофлюидный чип. В нём капли выстраиваются друг за дружкой, поэтому можно не просто просветить лазером каждую каплю в отдельности, но даже отсортировать капли в зависимости от того, что мы в них увидим, и подвергнуть их дальнейшему анализу — изучить их геном и т. д. Например, отобрать капли, в которых один вид бактерий подавил рост других. За одну секунду можно проанализировать до 30 000 отдельных капель. Легко посчитать, что на скрининг миллиона капель потребуется чуть больше половины минуты, а для миллиарда капель — порядка 10 часов. С помощью такой технологии можно не только изучать, как бактерии подавляют друг друга, используя антибиотики, но и оценивать воздействие лекарственных препаратов на бактериальные сообщества или использовать скрининг для направленной эволюции ферментов.

В ходе работы исследователями была разработана система для высокопроизводительного поиска новых антибиотиков с одновременным определением механизма их действия, получившая название pDualrep2. Антибиотики могут как убивать бактериальные клетки, например, разрушая клеточные стенки, так и тормозить их рост и размножение, облегчая организму борьбу с инфекцией силами собственного иммунитета. Мешать бактериальной клетке жить и плодиться можно разными способами, но примерно половина известных антибиотиков делают это, вставляя палки в колёса одной из важнейших молекулярных машин клетки — рибосоме. В рибосоме происходит синтез необходимых клетке белков, соответственно, если антибиотиком «испортить» рибосому, то и вся бактерия на некоторое время выйдет из строя. С помощью биохимической системы pDualrep2 можно в высокопроизводительном режиме определить, какое из тестируемых веществ действует как антибиотик, и работает ли оно по принципу «остановки» рибосомы. В ходе исследований были найдены несколько новых ингибиторов синтеза белка. Например, клебсазолицин — новый пептидный антибиотик, вырабатываемый штаммом бактерии Klebsiella, закупоривает туннель, через который пептид покидает рибосому.

Новые антибиотики сейчас находят в самых неожиданных местах, например, в слюне сибирского бурого медведя. Исследователи получили образцы слюны у молодого здорового медведя, пойманного в тайге под Новосибирском. Среди множества разнообразных видов бактерий, обитающих во рту у этого «косолапого», с помощью высокопроизводительного скрининга была отобрана уникальная популяция бактерий Bacillus pumilus, которая эффективно подавляет рост патогенных бактерий золотистого стафилококка. В дальнейшем удалось установить конкретное вещество, вырабатываемое этими бактериями, — им оказался антибиотик амикумацин А. Хотя сама молекула амикумацина известна с 70-х годов прошлого века, установить механизм её действия удалось только сейчас. Оказалось, что амикумацин А связывается непосредственно с рибосомой, препятствует её нормальной работе, а именно — продвижению по матричной РНК. Кроме того, исследователи нашли возможность использования амикумацина в качестве противоракового препарата.

Другая работа, выполненная лауреатами премии с помощью ультравысокопроизводительного скрининга, заключалась в направленной эволюции фермента бутирилхолинэстеразы (БуХЭ). У этого фермента есть одна уникальная способность — связывать фосфорорганические токсины. Создание антидотов к фосфорорганическим ядам — важная задача современной фармакологии. Речь идёт не только об известных боевых отравляющих веществах, но и о большой группе пестицидов, применяющихся для защиты растений. Острое или хроническое отравление фосфорорганическими ядами приводит к тяжёлым последствиям для здоровья пациента, зачастую вызывая необратимые повреждения нейронов. Использование БуХЭ позволяет избежать долговременных побочных эффектов отравления, включая и необратимое повреждение мозга. Однако широкому применению БуХЭ на практике мешает высокая стоимость такой терапии. Чем больше токсичных молекул нужно дезактивировать с его помощью, тем больше БуХЭ необходимо использовать. Если бы у фермента была способность не только связывать молекулы токсинов, но ещё и разрушать их, тогда необходимое для терапии количество БуХЭ уменьшилось бы на порядки — фермент стал бы работать как катализатор. Благодаря скринингу из порядка 300 000 вариаций фермента БуХЭ (так называемой «библиотеки») удалось отобрать те, которые не только устойчивы к фосфорорганическим токсинам, но и способны каталитически разрушать их.

Универсальная платформа для ультравысокопроизводительного скрининга, разработанная исследователями из МГУ, Сколтеха и ИБХ РАН, открывает широкие перспективы в самых разных областях.

О ЧЁМ РАССКАЗАЛ ПОДЗЕМНЫЙ «ОКЕАН» В МАНТИИ ЗЕМЛИ

На заре своего формирования поверхность нашей планеты представляла собой океан из раскалённой магмы. Должно было пройти несколько сот миллионов лет, чтобы Земля остыла и у неё образовалась хоть и тонкая, но твёрдая оболочка — земная кора. И хотя сейчас у нас под ногами твёрдая почва, глубоко под землёй продолжают протекать активные процессы, а поверхность Земли обменивается тепловой энергией и веществом с недрами нашей планеты. В результате этих сложных геологических явлений верхняя твёрдая оболочка планеты, называемая литосферой и разделённая на гигантские блоки — литосферные плиты, находится в непрерывном движении на протяжении миллиардов лет.

Зеленокаменный пояс Абитиби в Канаде возрастом от 2800 до 2600 млн лет простирается вдоль границы провинций Онтарио и Квебек. Это один из крупнейших в мире архейских зеленокаменных поясов.

Движение литосферных плит приводит к образованию и разрушению континентов, к появлению и исчезновению океанов, морей, горных хребтов, к вулканизму и другим геологическим явлениям. Эти тектонические процессы влияют не только на рельеф земной поверхности, но и на климат и состав атмосферы и гидросферы Земли. Когда блоки тяжёлой океанической литосферы встречаются с блоками более лёгкой континентальной литосферы, первые погружаются в глубь мантии и уносят с собой большие количества пород океанического дна. Океаническая кора состоит преимущественно из базальтов, но в процессе длительной гидратации базальтовых пород морской водой образуются минералы группы серпентина и хлорита, обогащённые хлором и водой. Процесс погружения блоков называется субдукцией, и он приводит к крайне активному вулканизму, такому, который наблюдается на полуострове Камчатка. Во время извержения вулканов большая часть летучих веществ из глубин снова возвращается на поверхность. Так происходит «дыхание» Земли.

Но когда именно мантия Земли начала обмениваться газами и водой с поверхностью планеты? Единой точки зрения нет: большинство специалистов считает, что тектонические процессы начались около 2,5 млрд лет назад, другие же предполагают, что это произошло почти 4 млрд лет назад, то есть на самых ранних стадиях формирования планеты.

Коматииты получили название от имени реки Комати, которая протекает через зеленокаменный пояс Барбертон в Южной Африке. На фото: горная порода коматиит с места находки у реки Комати. Фото: Ivtorov/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.

В 2016 году группа российских и французских геохимиков под руководством доктора геолого-минералогических наук академика РАН Александра Соболева (ГЕОХИ РАН) изучила образцы древней вулканической горной породы — коматиита из зеленокаменного пояса¹ Абитиби (Канада) возрастом 2,7 млрд лет. Коматииты — результат высокой степени плавления мантии при высоких давлениях, поэтому по ним определяют химический состав глубинной мантии. В расплавных включениях в кристаллах оливина магматического происхождения, содержание которого может достигать 50% от всего минерального состава коматиитов, геохимики обнаружили воду и хлор, а также другие подвижные компоненты. Это доказывает, что в переходной зоне между верхней и нижней мантиями (410—660 км) существует глубинный резервуар, содержащий несколько десятых долей процента воды.

Главные минералы переходной зоны мантии — разновидности оливина вадслеит и рингвудит. Под высоким давлением они способны содержать до 2,5 массовых % воды. По оценкам, масса воды в подземном «океане», то есть воды, заключённой в этих минералах, сравнима с количеством воды в современном Мировом океане.Когда успело накопиться столько воды? Чтобы ответить на этот вопрос, научная группа из России, Франции, Германии и ЮАР продолжила исследования. Геохимики изучили расплавные включения в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Барбертон в ЮАР возрастом 3,3 млрд лет. И обнаружили, что глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже в палеоархее, то есть на 600 млн лет раньше, чем было установлено в предыдущем исследовании.

Изученные расплавленные включения в оливине из коматиитов 3.3 Гир-Олд-Уэлтевреден (3.3-Gyr-old Weltevreden, Барбертон, ЮАР).

Но каково происхождение водного резервуара? Ответить на этот вопрос помог анализ химического и изотопного состава расплавных включений в оливине. Оказалось, что коматиитовый расплав по отношению к примитивной мантии² резко обогащён не только водой, но и хлором. Также изотопный состав водорода оказался существенно обеднён дейтерием по сравнению с поверхностными резервуарами. Подобный изотопный состав как раз характерен для океанической литосферы, потерявшей в процессе субдукции при погружении в мантию большую часть летучих компонентов. Эти данные говорят о том, что океаническая кора начала погружаться в мантию уже 3,3 млрд лет назад. То есть уже в первый миллиард лет существования Земли заработал глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником высокого содержания воды и, предположительно, хлора в переходной зоне мантии был океан на поверхности древней планеты.

Полученные результаты — лишь начало большой работы. «В исследованиях, касающихся архейского периода эволюции Земли, точку поставить нельзя, это всегда будет многоточие, — пояснил кандидат геолого-минералогических наук Евгений Асафов, научный сотрудник ГЕОХИ РАН, лауреат премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года. — Мы хотим продолжить изучение коматиитов из зеленокаменного пояса Барбертон в ЮАР. Нас интересуют более древние образцы возрастом до 3,5 миллиардов лет, а также другие архейские зеленокаменные пояса, в частности, Ветреный пояс в России, Ишуа в Гренландии и многие другие. Нам нужно набрать весомую статистику данных о составе коматиитовых магм разного возраста, в том числе таких молодых, как коматииты острова Горгона (Колумбия), возрастом 90 млн лет. Это даст возможность внимательно проследить влияние тектонических процессов на геохимию глубинной мантии и, надеюсь, ответить на вопрос, в какой момент была запущена глобальная тектоника».

Ещё одной важной вехой в работе станет изучение расплавных включений в древнем цирконе (как и оливин, это минерал магматического происхождения). Возраст некоторых образцов циркона может достигать 4,2 млрд лет, в то время как возраст Земли — 4,65 млрд лет. Изучение таких объектов — кропотливый труд, но он позволит заглянуть в самые ранние периоды истории Земли.

БЫСТРЫЕ ПОЛОСКИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТОГО ВРАГА

Болезни культурных растений, вызванные вирусами и бактериями, значительно снижают урожай и ухудшают качество сельхозпродукции. При этом зачастую действенных методов лечения культурных растений нет. Поэтому очень важно проверять посевной и посадочный материал на заражённость патогенами и отбраковывать его. Для большинства экономически значимых фитопатогенов есть эффективные методы лабораторной диагностики, основанные на иммуноферментном анализе или полимеразной цепной реакции. Некоторые культуры тестируют с помощью чиповой ДНК-диагностики, позволяющей выявлять большинство болезнетворных для данной культуры микроорганизмов в одном образце. Однако эти методы весьма трудоёмки, сложны, требуют высокой квалификации персонала, дорогого оборудования и могут быть выполнены лишь в лаборатории.

Процедура анализа на заражённость культуры вирусами и бактериями. Рисунок Ирины Сафенковой.

В последние годы активно используется метод тестирования, который не только высокочувствителен, но и быстр, и применим в «полевых» условиях. Это иммунохроматографический анализ, основанный на использовании мембранных носителей (тест-полосок), на которые в определённых местах нанесены антитела и их конъюгаты³ с метками, например, окрашенными коллоидными частицами золота, способные взаимодействовать с детектируемыми возбудителями болезней. При погружении такой тест-полоски в анализируемую биологическую жидкость эта жидкость начинает мигрировать вдоль полоски (по принципу тонкослойной хроматографии), инициировать взаимодействие антител с анализируемым веществом и окрашивать аналитическую и контрольную зоны. Выявление инфекции этим методом требует всего нескольких минут.

В ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН в лаборатории иммунобиохимии под руководством доктора химических наук Бориса Дзантиева разработана серия подобных экспрессных высокопроизводительных тест-систем для выявления фитопатогенов различных сельхозкультур. В частности, для детекции возбудителей болезней винограда, картофеля, косточковых плодовых деревьев.

Наибольшее количество иммунохроматографических тест-систем разработано для детекции патогенов картофеля. Картофель, одна из важнейших сельхозкультур на территории нашей страны, страдает от многих заболеваний, вызываемых и вирусами, и бактериями. Такие болезни, как чёрная ножка и кольцевая гниль, приводят к потере 15—30% урожая, в совокупности же из-за болезней потери могут достигать 80%. Тест-системы, разработанные в ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН совместно с ВНИИ картофельного хозяйства им. А. Г. Лорха, дают возможность выявлять как индивидуальные патогены вирусной и бактериальной природы, так и одновременно до десяти патогенов картофеля в одной пробе. Среди них вирус скручивания листьев картофеля, X-, Y-, M- и S-вирусы картофеля, Pectobacterium atrosepticum, P. carotovorum subsp. сarotovorum, Dickeya spp., Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus  и другие. Результаты теста оценивают визуально через 10—15 минут после начала анализа или при помощи портативного видеорегистратора.

Следующим этапом стало создание тест-систем со значительно улучшенной чувствительностью. «В работе для усиления сигнала (интенсивности окрашивания зон связывания тест-систем) использованы современные молекулярные и нанотехнологические подходы, которые позволили существенно снизить пределы детекции вирусных и бактериальных патогенов», — говорит кандидат биологических наук Ирина Сафенкова, лауреат премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года. Возможности предложенных подходов иллюстрирует пример тест-системы для выявления Х-вируса картофеля, чувствительность которой повысилась в 240 раз, так что стала возможной детекция очень низких концентраций вируса — 170 пг (1 пикограмм = 10–12 г) на 1 г листа картофеля. Низкие концентрации фитопатогенов, которые способны выявлять созданные тест-системы (≤ 10³ кл./мл — для бактерий, ≤ 1 нг/мл — для вирусов), характерны для латентных инфекций и для ранних этапов болезни. То есть их использование даёт возможность своевременно принимать меры по предотвращению распространения инфекции.

«Разработанные подходы универсальны и могут применяться для создания иммунохроматографической тест-системы для выявления любых антигенов вирусной и бактериальной природы, включая патогены растений, животных и человека», — поясняет Сафенкова.

Эти высокочувствительные тест-системы не имеют аналогов среди коммерческих внелабораторных диагностических средств. Их можно использовать для полевого мониторинга поражённости растений, контроля и карантинного анализа семенного и посадочного материала.

Работа поддержана Российским научным фондом (проект №16—16—04108).

КАК ГОРОДСКИЕ ОТХОДЫ ПРЕВРАТИЛИ В СПАСАТЕЛЕЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Переработка и утилизация накапливаемых отходов — серьёзная проблема мегаполисов по всему миру. Москва не стала исключением — ежегодно город увеличивает производство отходов. В 2019 году столица накопила более 8 млн т отходов, причём 30% из них — пищевые отходы. До 88% всей этой массы вывозят на мусорные полигоны, где инициируются биохимические процессы, в результате которых выделяются дурно пахнущие химически вредные вещества и стоки, опасные для здоровья человека и окружающей среды. Стоки представляет собой вязкую слизистую массу, до 80% которой — продукты биохимического разложения, при этом их класс опасности существенно выше, чем исходные твёрдые бытовые отходы.

Принципиальная схема установки энергоэффективного пиролиза органических отходов. Измельчённые отходы тщательно перемешиваются с глиной и загружаются в засыпное устройство. Процесс перемешивания отходов осуществляется при помощи шнека. Камера сжигания нагревается с использованием бытового газа, причём в процессе термической обработки выделяется биогаз, который можно также использовать для нагрева печи, что делает установку более автономной и вместе с тем более рентабельной. Отвод дымовых газов осуществляется по отдельному трубопроводу через теплообменник, тем самым обеспечивая отопление не только производственных помещений, но и расположенных рядом теплиц, а также выработку электроэнергии. Рисунок Павла Соколовского.

Наиболее распространённый метод утилизации твёрдых бытовых отходов сегодня — сжигание. Энергия от их сжигания обычно используется для производства тепла и электричества. Причём отходы выступают либо как самостоятельное топливо, либо в качестве добавки к более высококачественному топливу (например, к углю). Однако сжигание имеет существенное ограничение в применении из-за влаги, присутствующей в отходах. Если её содержание превышает 20%, сжигание не может быть эффективным. Поэтому для переработки влажных органических отходов всё чаще предлагаются гидротермальные технологии — термические процессы, которые осуществляются в присутствии воды при температуре не менее 100°С.

В Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН разработали энергоэффективный способ переработки органических отходов, основанный на технологии карбонизации с ограничением доступа кислорода. В результате процесса получается сырьё, которое можно использовать в качестве дешёвого адсорбента для устранения неприятного запаха мусорных полигонов (сорбционно-активные засыпные грунты), очистки воды, обезвреживания радиоактивных отходов. Инициатор и ведущий автор проекта кандидат технических наук Павел Соколовский удостоен за эту работу премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года.

Под карбонизацией понимается термическое разложение влажных органических отходов при температуре 450—650°С с образованием угля и золы. Процесс реализуется за счёт применения вспомогательного глинистого компонента, который обволакивает поверхность отходов, тем самым впитывая избыточную влагу и обеспечивая ограничение к ним доступа кислорода. Благодаря высокой теплоёмкости глины существенно снижается температура процесса разложения.

Термическая деструкция отходов производится в цилиндрической горизонтальной вращающейся печи без использования дорогостоящего оборудования, работающего под избыточным давлением. В процессе термической обработки выделяется синтез-газ, который применяется как топливо, а также для выработки электроэнергии, отопления производственных помещений, теплиц. Оценочные расчёты показали, что из одной тонны отходов можно произвести 500 м³ синтез-газа, что эквивалентно 1 МВт электроэнергии, а также 250 кг сорбционно-активных засыпных грунтов.

Разработчики провели эксперименты по переработке растительных отходов и выяснили, что по предложенной технологии можно получать адсорбенты, сорбционные характеристики которых соответствуют высококаче-ственным активированным углям, причём себестоимость адсорбентов «из мусора» в пять раз ниже, чем у углей, а массовый выход, в зависимости от морфологического состава отходов, составляет 30—86%.

Полученные адсорбенты могут применяться для очистки воды от нефтепродуктов и утилизации радиоактивных отходов — таких как ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³³U, ²³⁹Pu. При этом сорбционные характеристики адсорбентов «из мусора» по отношению к радиоактивным отходам (¹³⁷Cs) не уступают, а в ряде случаев даже превосходят природный клиноптилолит, используемый на атомных электростанциях. Сорбционная же способность по отношению к нефтепродуктам в 1,5 раза выше по сравнению с минеральными адсорбентами.

ВИБРОЗАЩИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ СПОКОЙНОЙ ЖИЗНИ

Расширение сети столичного метрополитена сегодня во многом происходит в плотно застроенной части города. То есть прокладывать тоннели и строить новые станции приходится в непосредственной близости от жилых и общественных зданий. И значительная часть городской застройки оказывается в зоне вибраций и шума, исходящих от линий метро.

Измерение уровня вибрации в их источнике — тоннеле метрополитена. Фото: ООО «Динамические системы».

Возникают эти неприятные явления главным образом при взаимодействии колёсной пары поездов метрополитена и рельса, которое неизбежно вызывает вибрацию элементов верхнего строения пути. Она передаётся на тоннель, от него по грунту на фундамент здания и в его помещения, вызывая не только вибрацию стен и перекрытий, но и структурный шум⁴. Допустимая интенсивность вибрации и шума определяется санитарными нормами. Но всегда ли она соблюдается?

Сотрудники ООО «Динамические системы» совместно с коллегами из «Центра гигиены и эпидемиологии в г. Москве» измерили, а также спрогнозировали уровни шумов и вибрации в зданиях, расположенных на расстоянии до 40 м от трасс метрополитена, и обнаружили, что они превышают действующие санитарные нормы. Наиболее эффективное техническое решение в данном случае — осуществить виброизоляцию непосредственно в источнике, то есть в тоннеле метрополитена. Снизить воздействие, передаваемое от подвижного состава на верхнее строение пути и далее — через грунт — до здания, можно за счёт снижения динамического модуля упругости⁵ пути. Дело в том, что модуль упругости пути пропорционален коэффициенту жёсткости подрельсового основания. Снижение же жёсткости пути уменьшает генерацию вибрации в источнике (за исключением совпадения резонансной частоты системы с частотой внешнего воздействия).

Именно этот способ снижения уровня вибрации использовали лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года Михаил Смоляков, Владимир Смирнов и Антон Лебедев в разработанной ими конструкции пути. За основу они взяли конструкцию виброизолированного пути по системе «масса-пружина». При этом они устранили недостатки существующих систем в московском метрополитене: неправильный учёт динамической работы резинового упругого элемента, игнорирование потерь при старении материала и другие. Они провели расчёты статических и динамических характеристик виброизолирующей системы, приобретаемых в процессе длительной эксплуатации и ремонта, и на их основе определили прогибы рельсового пути при движении поезда метро.

Комплекс расчётов разработчики подкрепили натурными измерениями и лабораторными испытаниями вибродемпфирующих материалов. Полученные результаты позволяют, по их мнению, гарантировать эффективную работу виброзащитной конструкции в широком диапазоне нагрузок от подвижного состава, а значит, снизить вибрацию в помещениях жилых и общественных зданий, расположенных вблизи линии метрополитена, до допустимых значений.

Материалы подготовили кандидаты химических наук Максим Абаев и Татьяна Зимина.

Комментарии к статье

¹ Зеленокаменные пояса — комплекс пород с характерным зеленоватым оттенком, вызванным вкраплениями серпентина и других вторичных минералов зелёной окраски. Залегают мощными (до 20 км) линейными толщами. Образовались в архейском периоде.

² Примитивная мантия — силикатная часть земной оболочки в период после отделения ядра, но до начала разделения на кору и мантию.

³ Конъюгат (conjugate, лат. Conjugatbo — соединение) — искусственно полученная (химически или путём рекомбинации bn vbtro) гибридная молекула, в которой соединены (объединены) две молекулы с разными свойствами.

⁴ Структурный шум — шум, распространяющийся через несущие конструкции здания.

⁵ Модуль упругости — общее название нескольких физических величин, характеризующих способность материала упруго деформироваться (то есть не постоянно) при приложении к нему силы.