Загрязнение природных экосистем и возможности самоочищения. 
Ксенобиотики и их детоксикация

Для непрерывного прохождения круговоротов элементов необходимо, чтобы реакции синтеза сложных органических соединений «уравновешивались» реакциями их распада до простых минеральных соединений. Антропогенный фактор оказывает значительные нарушающие воздействия на биогеохимические циклы всех элементов, поскольку для нужд человека живые организмы принудительно осуществляют сверхсинтез ряда натуральных соединений, а химическая промышленность производит широкий спектр веществ-ксенобиотиков, чуждых природе. Эти соединения специально создавались как устойчивые во внешней среде вещества. Однако из-за своей устойчивости они накапливаются в природных эконишах и распространяются по пищевым цепям. Ксенобиотики даже в незначительных концентрациях часто обладают высокой негативной биологической активностью: вызывают мутации, образование злокачественных опухолей, являются аллергенами. Загрязнителями могут быть и природные соединения, полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть).

В ряде случаев нарушения в природных экосистемах связаны не с токсичностью загрязняющего вещества, а с его избытком как источника питания. Чаще всего такие случаи рассматривают в отношении водных систем, когда неожиданно возникают условия повышенного содержания питательных веществ, так что начинается неконтролируемый рост водорослей и водных растений. Дефицит кислорода приводит к замору животных, особенно рыб, нуждающихся в нем. Такой процесс называют евтрофикацией озера. Евтрофикацию можно наблюдать в старых, заросших и заболачиваемых озерах, с большим количеством озерного осадка. Такие озера могут образоваться в дельтах рек, когда русло часто меняет направление. Деятельность человека может привести к ускорению процесса евтрофикации бедных по ростовым субстратам водных акваторий. «Культурная» евтрофикация — это проблема водоемов, окруженных городскими и сельскими постройками, в которые попадают недостаточно хорошо очищенные сточные воды поселений. Питательные вещества (в основном источники азота и фосфора) обычно привносят в водоемы поверхностные воды, если в них попали удобрения с сельхозугодий, бытовые или промышленные сбросы, попадающие в реки и озера без надлежащей очистки.

Наибольшую опасность представляет увеличивающееся присутствие в биосфере устойчивых загрязнителей (в том числе и ксенобиотиков), причем нередко в масштабах, превышающих природную самоочищающую способность. Тем самым из глобального круговорота надолго выводятся важные биогенные элементы. Поскольку человечество не может полностью отказаться от использования таких веществ, так как они применяются практически во всех областях деятельности, то первоочередной задачей становится очистка от них окружающей среды. Микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма, и являются тем звеном, которое в основном ответственно за самоочищение природных экосистем и может осуществлять биодеградацию природных и синтетических загрязнителей, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальный цикл.

Так, почвенные мицелиальные микроорганизмы способны разрушать широкий спектр соединений, включая лигноцеллюлозу, кератин, хитин, углеводороды и трудноразлагаемые ксенобиотики, а родококки могут использовать замещенные ароматические вещества и линейные углеводороды. Однако скорость природной микробной деструкции далеко не всегда позволяет быстро избавиться от загрязнителя, что приводит к длительному присутствию ксенобиотика или его интермедиатов в природных эконишах, распространению их в пространстве и негативному воздействию на окружающую среду. Применение живых организмов для очистки воды, почвы и воздуха от различных загрязнений основано на их способности к биодеградации (биоразрушению). Это широкое понятие включает три более узких процесса (рис. 14.6):

• 1) трансформацию, или незначительные изменения молекулы;
• 2) фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения;
• 3) полную минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (Н₂0, С0₂, Н₂, NH₃, СН₄ и т. д.).

При разрушении сложных, устойчивых веществ часто наблюдается процесс синтрофии, когда соединение разлагается совместно несколькими группами микроорганизмов. Если соединение не может использоваться как источник питания, то его преобразование происходит в процессе кометаболизма (в аэробных условиях — соокисления), когда проявление способности к трансформации сложной молекулы обуславливается наличием доступного источника энергии для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.

Химическая природа ксенобиотиков чрезвычайно разнообразна: это линейные и разветвленные алканы и алкены, ароматические соединения с различными заместителями, гетероциклы, конденсированные циклические структуры и полимеры. Деградация ксенобиотиков может происходить различными путями в зависимости от структуры разрушаемого вещества, наличия тех или иных биологических активностей, а также в зависимости от условий окружающей среды.

Рис. 14.6. Процессы биодеградации.

Использование биологической активности для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды называют биоремедиацией. Для успешного проведения таких процессов необходимо сначала найти соответствующий микроорганизм, а затем стимулировать его активность и создать оптимальные условия для ее проявления. При этом есть две возможности:

• 1) активизировать развитие нужных микроорганизмов, уже имеющихся в окружающей среде;
• 2) интродуцировать в загрязненную область микроорганизмы с уже известными биодеградабельными способностями.

Такая интродукция в большинстве случаев не бывает успешной, так как для лабораторно полученных штаммов в природе не всегда можно создать оптимальные условия проявления их активности и, как правило, они менее конкурентноспособны, чем резидентная микробиота данного места. В искусственных очистных сооружениях с контролируемыми параметрами процесса значительно больше возможностей эффективно применять селектированные штаммы или сообщества, в том числе и генно-инженерные.

В настоящее время активно разрабатываются и используются аэробные технологии, однако они обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, при обработке сточных вод, особенно концентрированных, велики энергозатраты на принудительную аэрацию. Во-вторых, серьезной проблемой становится обработка и утилизация больших количеств образующегося избыточного ила, имеющего очень низкую водоотдающую способность, поскольку использование повсеместно применяемого приема его длительной естественной сушки на иловых площадках приводит к отчуждению значительных территорий, а также к ухудшению экологической обстановки. И наконец, аэробные методы обработки сточных вод, загрязненных некоторыми полициклическими и ароматическими соединениями, крайне неэффективны, так как некоторые из них на воздухе полимеризуются в трудноразлагаемые вещества (например, 5-аминосалициловая кислота), а продукты их аэробной деградации часто более токсичны, чем исходные загрязнители. К тому же ароматические соединения понижают поверхностное натяжение водных растворов и, следовательно, могут являться причиной неконтролируемого ценообразования в аэрируемых водоемах, а некоторые ароматические соединения летучи и токсичны и могут вызывать проблемы с загрязнением воздуха при аэробном методе очистки.

Еще 20—25 лет назад считали, что органические соединения, содержащие ароматические и конденсированные циклические структуры, в анаэробных условиях микроорганизмами не используются. Однако затем было убедительно показано, что в анаэробных условиях можно осуществлять полную минерализацию таких соединений, в том числе и искусственного происхождения. Эффективность и глубину деградации позволяет увеличить применение не индивидуальных микроорганизмов, а агрегированных микробных сообществ. В анаэробных условиях не происходит значительного накопления биомассы микроорганизмов, а конечные продукты процесса (например, биогаз) могут быть использованы в народном хозяйстве.

В современных процессах очистки, в основном, применяют естественно складывающиеся микробные сообщества. Недостаточная изученность видового состава и взаимодействия микроорганизмов в таких сообществах пока сдерживает массовое применение биоремедиации. Однако разнообразие метаболических путей в микробных сообществах позволяет надеяться, что в перспективе возможно получение ассоциаций, способных разрушать весь набор как природных, так и созданных человеком соединений, тем самым возвращая в глобальные циклы активные формы углерода, азота и других элементов.