Микробная биодеградация ксенобиотиков и токсикантов

СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более  тысячи различных ксенобиотиков и токсикантов, которые в значительной степени загрязняют окружающую среду. Известно, что соединения, вносимые человеком в окружающую среду в последнее время (инсектициды, гербициды, детергенты и другие ксенобиотики) помимо того, что очень токсичны, ещё и устойчивы в среде (что представляет опасность для человека и животных). В настоящее время нагрузка на естественные процессы самоочищения биосферы является избыточной, и параллельно с деструкцией загрязнений идёт их постепенное накопление в окружающей среде [1].

     Возможности микробных сообществ в отношении  деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном  попадании в среду многих химических соединений адаптационный  период микроорганизмов  к данному субстрату значительно  короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого  периода микроорганизмы селектируются  по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, способные сохраняться в почве  в течение нескольких месяцев  после полной деградации токсиканта. Поэтому к началу нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать токсикант. Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам[2].

     Таким образом, деградация ксенобиотиков микроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы [1].

     Цель  данной работы состоит в рассмотрении свойств ксенобиотиков, определяющих их токсичность, определении возможности и исследовании путей биологической деградации ксенобиотиков и токсикантов микроорганизмами, механизмов ускорения биодеградации поллютантов в окружающей среде.

1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ НА ЭКОСИСТЕМЫ

     Среди наиболее значимых факторов, определяющих экологическую опасность загрязняющих веществ, можно выделить:

     ● токсичность соединения;

     ● способность вещества к биодеградации [2]. 

1. Свойства  ксенобиотиков, определяющих их токсичность

     Токсичность разных веществ не одинакова. Поскольку  она проявляется во взаимодействии ксенобиотика с биологической системой, ее величина зависит от свойств как  самого токсиканта, так и биосистемы, и в конечном итоге определяется:

1. Способностью вещества достичь структуры-мишени, взаимодействие с которой инициирует токсический процесс;
2. Характером и прочностью связи, образующейся между токсикантом и структурой-мишенью;
3. Значением структуры-мишени для поддержания гомеостаза в организме [3].

     Строение  вещества определяет размеры молекулы, ее массу, растворимость, летучесть, агрегатное состояние при нормальных условиях и химическую активность. Все эти свойства влияют на токсичность вещества, вместе с тем ни одно из них не является единственно значимым [3]. 

1.2. Способность ксенобиотиков к биодеградации

     В зависимости от стабильности поллютантов в окружающей среде их можно разделить на три группы:

     1. Биодеградабельные токсиканты, относительно легко разрушающиеся в окружающей среде под влиянием как абиотических, так и биотических факторов. К ним относятся вещества биологического происхождения и некоторые органические соединения небиологического генезиса (n-алканы нефти, спирты, альдегиды и т. д.) [3].

     Экологическая опасность поллютантов данного типа определяется скоростью их поступления в экосистемы, способностью накапливаться в компонентах биогеоценозов, а также хроническим действием сублетальных концентраций [3].

     Экотоксикологическое значение многих ксенобиотиков определяется не только их токсичностью и способностью к биодеградации, но также скоростью поступления этих поллютантов в экосистемы. Если скорость поступления разлагаемых поллютантов превышает скорость их естественной биодеградации, то это может вызвать нарушения в составе и структуре экосистем [4].

     Большую опасность представляет собой биоаккумуляция загрязняющих веществ, например, липофильных соединений, в живых организмах. В результате может усиливаться их токсическое воздействие и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. Многие поллютанты могут накапливаться в экосистеме, сорбируясь на частицах почвы и взаимодействуя с гумусом. Например, некоторые пестициды (тиофос), которые в водном растворе малоустойчивы, связываются с почвенными частицами и длительно сохраняются в природной среде. Затем, по мере минерализации гумуса, связанные с ним молекулы токсиканта освобождаются и могут оказывать повреждающее действие на организмы данной экосистемы [3].

     Присутствие в экосистемах загрязняющих веществ  в незначительных (сублетальных) количествах также не свидетельствует об их безопасности:

• хроническое отравление малыми дозами поллютантов может способствовать снижению репродуктивной способности популяции;
• сублетальные концентрации токсикантов могут нарушать регуляцию эколого-биохимических взаимодействий, опосредованных различными хеморегуляторами;
• сублетальные концентрации могут оказывать неодинаковое воздействие на конкурирующие виды, нарушая тем самым естественный баланс в экосистемах;
• сублетальные дозы некоторых ксенобиотиков могут стимулировать воспроизводство популяции нежелательных видов, что также может способствовать нарушению видовой структуры агроценозов и естественных экосистем [3].

      2. Персистентные ксенобиотики - очень устойчивые соединения, разлагающиеся крайне медленно. Среди этой группы соединений наибольшую известность получили хлорорганические пестициды, в частности ДДТ (рис. 1). 

Запрет  на применение ДДТ обусловлен следующими причинами:

     ● высокая и неспецифическая токсичность;

     ●появление новых рас сельскохозяйственных вредителей, устойчивых к пестициду;

     ●способность вещества концентрироваться в трофических цепях до значений, превышающих санитарно-гигиенические нормативы;

      ●высокая  устойчивость молекулы к внешним  воздействиям различной природы - по некоторым оценкам период полуразложения ДДТ в биосфере составляет порядка 100 лет [3].

     Персистентность ксенобиотиков определяется, прежде всего, особенностями их молекулярной структуры. Можно выделить несколько факторов, достоверно повышающих стабильность молекулы токсиканта:

• гидрофобность вещества, определяющая устойчивость молекулы к действию большинства ферментов;
• содержание хлора (либо других галогенов) — с повышением количества атомов хлора в молекуле поллютанта увеличивается химическая устойчивость данного соединения в биосфере;
• наличие эпоксигрупп не только увеличивает биологическую активность вещества, но и снижает скорость его распада;
• конформация молекул - многие ксенобиотики, являющиеся по отношению друг к другу оптическими изомерами, могут существенно отличаться по степени устойчивости.

     3. Рекальцитранные ксенобиотики - соединения, которые практически не разлагаются, либо вообще в принципе не могут разлагаться. К ним, в первую очередь, относятся тяжелые металлы и радионуклиды с большим периодом полураспада [3].

     В естественных условиях металлы встречаются  в форме руд и минералов. Выплавка металлов из руд и использование  в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности привели к существенному увеличению их содержания в окружающей среде. Наибольшее токсикологическое значение имеют ртуть, кадмий, хром, мышьяк, свинец, бериллий, цинк, медь, таллий и др. Помимо промышленной деятельности происходит естественное поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие выветривания горных пород и выноса реками [3].

     Источником  поступления радионуклидов в  биосферу являются производство и испытание ядерного оружия, ядерная энергетика, а также использование радиоактивных изотопов в медицине и научных исследованиях [3].

     Можно выделить следующие общие черты  токсикантов:

1. Химическое загрязнение крайне разнообразно и включает в себя многие классы химических соединений;
2. Уровень поллютантов увеличен в регионах повышенной концентрации населения;
3. Биологическое действие нескольких поллютантов может быть неаддитивным и давать синергический эффект;

     4. С биохимической точки зрения воздействию токсикантов 
могут подвергаться различные структурно-функциональные системы клетки - генетический аппарат, биомембраны, белки;

5. Биотрансформация поллютантов может приводить к появлению более персистентных и более токсичных соединений, чем исходные вещества;
6. Многие загрязняющие вещества (гидрофобные соединения, тяжелые металлы, радионуклиды) способны аккумулироваться в организмах в более высоких концентрациях, чем в окружающей среде;
7. Экологическую опасность представляют даже низкие, сублетальные концентрации поллютантов, которые могут снижать воспроизводство и приводить к вымиранию популяции [3].

 
 
 
 

2. БИОДЕГРАДАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ С  ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ

     Ксенобиотики  – чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные  вещества и пр.), которые практически  не включаются в элементные циклы  углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются  в окружающей среде и вредно влияют на все живое. Широкое и повсеместное применение пестицидов, в том числе  неразлагаемых, накопление различных отходов в огромных количествах привело к широкому распространению загрязнения окружающей среды – недр, воды, воздуха. Накопление ксенобиотиков представляет огромную опасность для человека, употребляющего в пищу крупную рыбу или высших животных [2].

     Судьба  химических соединений, попадающих в  окружающую среду, определяется комплексом физических, химических и, особенно, биологических  факторов. Деградация ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и т.п. Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению и полимеризации [2].

     Так, полимерные значения коэффициента увеличения концентрации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) таковы: