19. Ксенобиотики как загрязняющие факторы окружающей среды.

Человеку удалось создать такие соединения, которые не разрушаются в природе в обычных условиях. Это различные синтетические полимеры, красители, пестициды, фармацевтические препараты, моющие средства и т.д. Эти чужеродные вещества (ксенобиотики) имеют уникальную биологическую активность уже на уровне микропримесей. В широком смысле к ксенобиотикам могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Большинство таких соединений обладает значительной стабильностью, и для их полного разложения при обычных условиях требуются столетия. Происходит непрерывный перенос этих веществ по пищевым цепям и их накопление на конечных этапах, к которым относится и человек. Огромное число ксенобиотиков чрезвычайно токсично и проявляет мутагенную, канцерогенную, аллергенную и тератогенную активности.

Загрязняющие вещества подвергаются процессам массопереноса и трансформации. Среди этих процессов можно выделить следующие:

1. Переход ксенобиотиков из одной среды в другую без их разложения в результате конвективного и дисперсионного переноса, диффузии, испарения, осаждения, фильтрации, адсорбции, ионного обмена, выщелачивания, миграции по трофическим цепям.

2. Распад ксенобиотиков под воздействием абиотических процессов (окисление, фотолиз, гидролиз, каталитическое разложение на минеральной матрице почвы, в присутствии тяжелых металлов и др.)

3. Биотрансформация, биодеградация ксенобиотиков под воздействием живых организмов: микроорганизмов, растений, животных.

4. Реакции коньюгации (присоединения), полимеризации с образованием связанных остатков.

Перенос и трансформация ксенобиотиков в окружающей среде можно изобразить схемой, представленной на рисунке 1

Рис. 1. Перенос и трансформация ксенобиотиков в окружающей среде.

В результате совместного протекания различных процессов ксенобиотики, попавшие в окружающую среду, могут полностью минерализоваться, частично деградировать, накапливаться или полимеризоваться. Окончательно выводится загрязняющее вещество из окружающей среды только при минерализации органических соединений до CO₂ и H₂O.

20. Микроорганизмы – деструкторы ксенобиотиков.

Ведущая роль в трансформации и минерализации, органических ксенобио­тиков принадлежит хемоорганотрофным (гетеротрофным) микроорганиз­мам, особенно бактериям, синтезирующим разнообразные ферментные системы.

Смешанные популяции, как правило, быстрее и полнее разрушают мно­гие синтетические соединения. Это характерно для ситуации, когда отдель­ный вид организмов трансформирует одно соединение в другое, но не имеет ферментативной системы для его дальнейшей деградации. Этой спо­собностью обладает другой организм, в результате соединение разлагается полностью.

Биодеградирующая активность сообщества микроорганизмов зависит от его состава, скорости роста и обмена между видами питательными веще­ствами и генетическим материалом. Накапливаемые метаболиты могут быть токсичны для одного компонента сообщества и могут усваиваться другими микроорганизмами, что ускоряет в совокупности процесс разло­жения (феномен детоксификации).

Селекция промышленных штаммов-деструкторов загрязняющих веществ

Основные принципы селекции микроорганизмов-деструкторов:

• выделять монокультуры или сообщества микроорганизмов (изоляты) из сред, загрязненных теми или иными ксенобиотиками;

• использовать биологический агент, изолированный из той же загряз­ненной природной или техногенной среды, для очистки которой он предназначен;

• выделять микроорганизмы из мест с застарелыми загрязнениями или с неоднократным поступлением ксенобиотиков. В этом случае велика вероятность, что число организмов, деградирующих ксенобиотик, уве­личилось под действием естественного отбора. Для выделения таких изолятов эффективен метод накопительных культур;

• накапливать биологический материал для деградации вещества-загрязнителя лучше всего на этом же субстрате либо на его легко ути­лизируемых аналогах;

• использовать уже известные штаммы-деструкторы (музейные культуры) или на базе существующих конструировать рекомбинантные штаммы.

Генетические основы создания рекомбинантных микроорганизмов-деструкторов органических ксенобиотиков

Помимо селекционных методов, перспективно получение рекомбинантных микроорганизмов методами генной инженерии.

Способность микроорганизмов разрушать ксенобиотики зависит от наличия в клетках генов, определяющих синтез ферментов, участвующих в деградации соединения. Конструирование рекомбинантных штаммов - деструкторов ксенобиотиков заключается в объединении нескольких генов или их блоков, ответственных за первичный метаболизм соединений. Преимущество такого объединения - генетически модифицированные микроорганизмы (ГММО) могут синтезировать раз­личные ферментые системы, что позволяет эффективно и быстро разру­шать широкий спектр химических загрязнений. Генетическая модификация позволяет повысить устойчивость микроорганизмов к неблагоприятным факторам среды, придать им новые важные для практического применения свойства.

В генной инженерии бактериальные плазмиды используют в качестве векторных систем для передачи генетического материала от хозяина (клетки донора) в клетки реципиента. Они представляют собой саморегу­лирующиеся кольцевые двунитевые молекулы ДНК и способны стабильно и автономно существовать в клетке в характерном для каждого типа плазмид числе копий. Саморепликация плазмиды осуществляется с по­мощью ферментных систем клетки-хозяина. Плазмиды относятся к под­вижным элементам (векторам), т.е. способны к внутривидовому переносу между клетками популяции, клетками различных видов и родов микроор­ганизмов.

Таким образом, генетическая конструкция и механизмы переноса ге­нов обеспечивают необходимую пластичность бактериального генома и метаболизма ксенобиотиков микроорганизмами, их адаптацию к различ­ным соединениям и быстрое распространение необходимых генов внутри популяции.

Плазмиды биодеградации (D-плазмиды) наиболее распространены у грамотрицательных бактерий. Наиболее часто они идентифицируются у бактерий р. Pseudomonas. Плазмиды как объекты генной инженерии позволяют in vitro сконст­руировать de novo геном клетки, используя эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы), передать его в клетки реципиентов конъюгацией, трансфор­мацией или трансдукцией и при включении в клетку большого числа плазмидных копий увеличить число необходимых генов. Конструирование и пе­редача генома облегчаются спецификой генетической организации систем биодеградации. Во-первых, они локализуются в трансмиссивных плазмидах, что обеспечивает горизонтальный внутривидовой и межвидовой перенос между бактериями. Во-вторых, многим системам биодеградации присуща организация, обеспечивающая рекомбинационное включение генов в новые плазмидные репликоны, а также интегрирование переносимых генов в хро­мосому и получение различных комбинаций генов.

Банки векторов и носителей позволяют конструировать штаммы, спо­собные к биодеструкции ксенобиотиков при различных условиях среды и содержащие не только гены деструкции, но и, например, гены синтеза био-ПАВ, или фермента люциферазы, что улучшает биодоступность ксено­биотиков и облегчает наблюдение за рекомбинантными штаммами в окру­жающей среде.