Ксенобиотики и их биодеградация

УДК 579.66
Золотенкова Д. Н., Заболотских В.В.
Тольяттинский государственный университет
Ксенобиотики и их биодеградация
В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль
играют микроорганизмы. Помимо использования деятельности микроорганизмов в
пищевой, фармацевтической, химической промышленности и в генной инженерии
появилась возможность их применения для защиты окружающей среды, в частности, от
загрязняющих веществ (полютантов).
В связи с ростом городов и развитием промышленности возникли серьёзные
экологические
проблемы:
загрязнение
окружающей
среды
различными
экотоксикантами, опасными для здоровья человека, накопление ядовитых веществ в
почве, воде и т.д..
Дело в том, что человек создал такие соединения, которые не разрушаются в
природе в обычных условиях - различные синтетические полимеры, красители,
пестициды,
фармацевтические
препараты,
моющие
средства
и
т.д.
Эти
чужеродные (живой природе) вещества — ксенобиотики — имеют уникальную
биологическую активность (токсичность) уже на уровне микропримесей. В
широком
смысле
происхождения,
но
к
ним
могут
полученные
быть
в
отнесены
и
сверхколичествах
вещества
и
природного
перемещенные
в
несвойственные им места (например, нефть). Болъшинство таких соединений
обладает значительной стабильностью, и для их полного разложения при обычных
условиях требуются столетия. Происходит непрерывный перенос этих веществ по
пищевым цепям и накопление на их конечных этапах, к которым относится и
человек. Огромное число ксенобиотиков чрезвычайно токсично и проявляет
мутагенную, канцерогенную, аллергенную и тератогенную активности. Однако
понятно, что человечество не может полностью отказаться от использования таких
веществ, поскольку они применяются практически во всех областях его
деятельности. Поэтому на первый план выходит использование биоразрушающей
способности микроорганизмов для очистки окружающей среды от антропогенных
загрязнителей.
Биоразрушение (биодеградация) — это преобразование сложных веществ с
помощью
биологической
активности.
Это
широкое
понятие включает: 1)
трансформацию, или незначительные изменения молекулы; 2) фрагментацию, или
разложение сложной молекулы на более простые соединения и 3) минерализацию,
или превращение сложного вещества в самые простые (Н2О, СО2, Н2, NH3, СН4 и т.д.).
Основными биологическими агентами, осуществляющими биоразрушения, являются
микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и
большой лабильностью метаболизма. Именно они способны разлагать широкий
спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая основные
питательные элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых»
остатков на поверхности Земли. Особую актуальность разрушающая
способность
микроорганизмов приобрела в последние десятилетия в связи с накоплением в
биосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхождения, причем
нередко в масштабах, превышающих природную самоочищающую способность.
Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бактерии и грибы,
основное количество которых выделено из почвы и воды. Представители бактерий
относятся к различным родам грамотрицательных и грамположительных аэробных и
анаэробных организмов. Из наиболее важных аэробных грамотрицательных бактерий
следует отметить виды родов Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes,
Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии, а из
грамположительных — представителей родов Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus и
Bacillus. Некоторые виды нитрат- и сульфатредуцирующих бактерий, а также
метаногенные археи активно участвуют в анаэробной деградации ксенобиотиков.
Грибы, способные аэробно разрушать такие соединения, относятся к родам
Phanerochaete (возбудители «белой гнили»), Penicillium, Aspergillus, Trichoderma,
Fusarium.
Несмотря на то, что найдены микроорганизмы, способные самостоятельно
осуществлять преобразования ксенобиотиков, в природных местообитаниях
биодеградация
определяется
преимущественно
активностью
гетерогенных
микробных сообществ, основанных на прочных трофических связях. Именно группа
микроорганизмов способна полностью минерализовать ксенобиотик до простых
веществ,
часто
с
получением
метаногенном сообществе).
полезного
продукта
(например,
биогаза
в
Поскольку каждая группа ксенобиотиков имеет в своем составе соединения
самой разнообразной химической структуры, процесс биодеградации сложного
загрязнителя складывается из нескольких путей, осуществляемых определенными
группами микроорганизмов и направленных на конкретный класс химических
веществ. Основными микроорганизмами, разрушающими в аэробных условиях
простые ароматические соединения, являются представители родов Pseudomonas,
Alcaligenes, Bacillus и грибы рода Aspergillus, широко распространенные в почвенных
и водных экосистемах. В анаэробных условиях при отсутствии такого окислителя,
как кислород, разрушение ароматических веществ происходит более сложно, в
многоэтапном процессе, при участии различных ферментов.
.Вызывающий гниение древесины базидиомицет Phanerochaete chrysosporium
способен в аэробных условиях разрушать широкий спектр ксенобиотиков, в том
числе таких устойчивых, как ДДТ, бензпирен, полихлорированные бифенилы,
линдан, кристаллвиолет, различные азокрасители.
Наиболее распространенными аэробными деструкторами полициклических
ароматических углеводородов, входящих в состав тяжелых фракций нефти,
являются бактерии родов Rhodococcus, Pseudomonas, Burkholderia, Arthrobacter и
Acinetobacter.
Восстановительное расщепление азокрасителей в анаэробных условиях с
образованием соответствующих ароматических аминов проводят молочнокислые
бактерии: Proteus sp., Enterococcus sp., Streptococcus faecalis, Bacillus pyосуaneus, B.
subtilis, B. cereus, Pseudomonas sp., Aeromonas hydrophila, Caprococcus catus,
Fusobacterium sp., Bacteroides thetaiotaomicron, Bifidobacterium infantis, Eubacterium
biforme, Peptostreptococcusproductus, Citrobacter sp..
Гетероциклические соединения — индол, хинолин, производные пиридина,
фурана,
никотиновой
сообществами
кислоты
анаэробных
—
полностью минерализуются
осадков
в
нитрат-,
сульфат-
микробными
редуцирующих
и
метаногенных условиях.
К
пластиков
использованию
в
аэробных
полимерных
условиях
соединений,
способны
синтетических
прежде
всего
тканей
грибы
с
и
их
высокоактивными, часто внеклеточными гидролазами. Мицелиальные грибы
родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma обладают фосфатазами, которые могут
служить
инициаторами
биодеструкции
некоторых
полимеров.
Первичная
колонизация пластиков происходит в результате разрастания колоний грибов на
поверхности, проникновения мицелия в толщу материала через микротрещины, а
затем начинается агрессивное воздействие ферментов и выделяемых кислот на
отдельные компоненты пластиков. Бактерии разрушают пластики реже, и в
отдельных случаях их присутствие трудно обнаружить.
К числу полимерных смол, обладающих повышенной стойкостью к
деструкции плесневыми грибами и бактериями, относят полиэтилен, полипропилен,
полистирол, жесткий поливинилхлорид, полиамид, полиэтилентерефталат. Менее
стойки поливинилацетат, поливиниловый спирт, хлорсульфированный полиэтилен.
Основными деструкторами резины, пластиков и других полимерных соединений в
окислительных условиях можно считать микроскопические грибы родов Aspergillus,
Penicillium,
Тrichoderma,
Pseudomonas,Streptomyces,
Cladosporium,
Bacillus,
Fusarium,
Arthrobacter.
а
В
также
бактерии
термофильных
родов
условиях
некоторые синтетические волокна разрушаются В. subtilis, В. mycoides, Aerobacter
aerogenes
и
некоторыми
высокомолекулярных
грибами.
полиэтиленов
и
Есть
данные,
нейлонов
что
принимают
в
деградации
участие грибы,
вызывающие «белую гниль». С помощью ферментного комплекса, гидролизующего
лигнин, эти микроорганизмы способны разлагать такие полимеры до растворимых
олигомеров.
Представителями
этой
группы
микроорганизмов
являются
Phanerochaete chrysosporium и Trametes versicolor.
О процессах биоразрушения полимеров-ксенобиотиков в анаэробных
условиях
сведений
нет.
Только
полимеры
природного
происхождения
—
полигидроксиалканоаты могут разлагаться микробными сообществами анаэробных
илов очистных сооружений.
На способности микроорганизмов к разложению сложных органических
веществ основан процесс биоремедиации, т. е. устранения загрязняющих агентов из
окружающей среды посредством биологической активности. При этом есть две
возможности
его
осуществления:
либо
стимулировать
развитие
активных
микроорганизмов уже имеющихся в окружающей среде, либо интродуцировать в загрязненную область микроорганизмы с уже известной деструктивной активностью.
В качестве приема, стимулирующего разрушающую активность резидентных
микроорганизмов, используют внесение в загрязненную область лимитирующих
процесс элементов в доступной форме. Например, добавление азота и фосфора при
разливе нефти на Аляске ускорило биодеградацию углеводородов, и за 16 месяцев 60
—70 % нефтяных загрязнений было ликвидировано. В искусственных очистных
сооружениях значительно больше возможностей применять полученные в
лаборатории
специально
сверхактивные
созданные
генноинженерные.
технологические
штаммы
микробные
микроорганизмов-деструкторов
сообщества,
Соответствующее
приемы
позволяют
в
аппаратурное
создавать
и
том
числе
оформление
поддерживать
или
и
и
условия,
оптимальные для проведения процесса биодеградации ксенобиотических
веществ. Часто при этом возможно получение на выходе полезного продукта
(биогаза, органических удобрений, металлов и т.д.).
В
перспективе
выяснение
видового
состава
микробных
сообществ,
осуществляющих процесс биодеградации, взаимосвязей в нем, а также изучение механизмов преобразования чужеродных веществ позволит понять и стимулировать
процессы самоочищения в природных местообитаниях, создать эффективные
системы микробной переработки промышленных и бытовых отходов и, в конечном
счете, позволит снизить негативное антропогенное давление на природу.
Литература
1. Экология микроорганизмов: Учеб.для вузов /А.И.Нетрусов, Е.А. БончОсмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И.Нетрусова. – М.: Издательский
центр «Академия», 2004.
2. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа – Человек –
Техника: Учебник для вузов.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
3. Экологическая биотехнология /Под ред. К.Ф.Фостера, Д.А.Дж.Вейза.Пер. с англ.
– Л.:Химия,1990.
4. Парк Д.Б. Биохимия чужеродных соединений. М.:Медицина, 1973.
5. Саприн А.Н. // Успехи биол.химии. 1991,
6. Ляхович В.В., Цырлов И.Б. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков.
Новосибирск, «Наука», 1981.