11.1 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде. Биотрансформация и биодоступность ксенобиотиков. Микроорганизмы-деструкторы. Факторы окружающей среды в процессе деградации ксенобиотиков.

Биодеградация ксенобиотиков (промышленных загрязнителей)

В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:

• устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;

• растворимость их в воде;

• летучесть ксенобиотиков;

• рН среды;

• способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;

• сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации.

Под биодоступностью понимают способность различных соединений подвергаься биотрансформации. Определяеся генетическими свойствами организмов, условиями окружающей среды, токсичность соединений для организма-мишени и их конценртацией в окружающей среде.

Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие питательные вещества.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина, CAM – камфары.

В 1979 г. Чакрабарти после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плазмид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.

Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.

Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P. stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика - фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Условия окружающей среды играют важную роль в процессе деградации ксенобиотиков микроорганизмами-деструкторами.

1. Неоптимальное значение или отсутствие какого-либо фактора, необходимого для роста микроорганизмов-деструкторов:

• низкая концентрация ксенобиотика для индукции ферментов метаболизма;

• физическая недоступность загрязнения из-за его адсорбции, связывания, механического включения, низкой растворимости;

• недоступность акцепторов электронов или косубстратов;

• дефицит элементов питания;

• неоптимальные температура, влажность, рН, Eh и др.

2. Инактивация необходимых внеклеточных ферментов.

3. Токсичное действие окружающей среды, обусловленное токсичностью ксенобиотика или органическими ингибиторами, генерируемыми другими биологическими системами, а также токсинами микроорганизмов.