Биодеградация ксенобиотиков. 
Биодеградация ксенобиотиков 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. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т. д.

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. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») 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.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из экспериментов грибами обработали около 10 000 тонн почвы с территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4−5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

Некоторые микроорганизмы обладают природной способностью к деградации различных ксенобиотиков, однако следует иметь в виду, что:

• 1) ни один из них не может разрушать все органические соединения;
• 2) некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют функционирование или рост деградирующих их микроорганизмов;
• 3) большинство очагов загрязнения содержит смесь химикатов, и микроорганизм, способный разрушать один или несколько ее компонентов, может инактивироваться другими компонентами;
• 4) многие неполярные соединения адсорбируются частицами почвы и становятся менее доступными;
• 5) биодеградация органических соединений часто происходит довольно медленно.

Механизмы ускорения биодеградации Биодеградация персистентных поллютантов в природе может длиться десятки лет, вызывая нарушение функционирования биоценозов. Бурное развитие экологической биотехнологии как науки и формирование рынка экологических биотехнологий в развитых странах вселяют некоторый оптимизм относительно решения в будущем проблемы глобального загрязнения окружающей среды.

Поскольку биодеградация загрязнителей осуществляется, в основном, в результате жизнедеятельности бактерий и грибов, пополнение знаний о функционировании этих организмов позволяет разрабатывать новые подходы к осуществлению ускоренной и более полной деградации ксенобиотиков.

Уже традиционными стали технологии биоремедиации загрязненной почвы, основанные на стимуляции естественной деструктивной микрофлоры или интродукции высокоактивных штаммов микроорганизмов. Однако среди ученых не утихают споры по поводу экологической и коммерческой оправданности внесения чужеродных организмов в сформировавшиеся природные ценозы. Не вызывает сомнения необоснованность рекомендаций по повсеместному использованию нефтеокисляющих биопрепаратов.

Последнее десятилетие характеризуется всплеском развития фиторемедиации — технологии, основанной на использовании растений.

Известно, что растительная ризосфера за счет ее насыщенности ассоциативными и симбиотическими микроорганизмами является зоной повышенной биохимической активности, что и служит причиной ускорения процессов биодеградации поллютантов в почве под растениями. Вместе с тем, фиторемедиация является эффективной, экономически выгодной и эстетически привлекательной технологией, наиболее принимаемой обществом. Однако по конечному результату она сопоставима с другими экологическими биотехнологиями.

В научных публикациях последних лет появилась новая зеленая технология — трансгенная ремедиация, которую можно считать самым эффективным приемом очистки почвы на сегодняшний день. Использование трансгенных растений позволяет повысить деградацию поллютантов в сотни раз. Однако представляется маловероятным широкое использование этой технологии в будущем.

ксенобиотик сообщество микробный.