Биотрансформация и биоаккумуляция загрязняющих веществ

Поступающие в наземные и водные экосистемы (а также их компоненты) загрязняющие вещества вовлекаются в биохимические реакции с участием ферментов. Биотрансформация загрязняющих веществ осуществляется с участием ферментативных реакций четырех типов окисления, восстановления, деградации (расщепления молекул) и конъюгации (соединения молекулы загрязнителя с тем или иным органическим веществом клетки). Названные выше процессы, участвующие в биотрансформации загрязняющих веществ, протекают в конкретных компонентах экосистем, а также в биокосных объектах (прежде всего в природных водоемах и почвах).

В качестве примера на рис. 2.6 показана схема окислительных взаимодействий в аэробном водоеме.

Рис. 2.6. Схема окислительных взаимодействий в аэробном водоеме

Процессы биотрансформации загрязняющих веществ в почве и природных водоемах осуществляются молекулами ферментов, вырабатываемыми, прежде всего, прокариотами и грибами. Причем ферментативные процессы превращений загрязнителей могут протекать как внутри клеток микроорганизмов, так и вне их. Это связано с тем, что микроорганизмы выделяют в окружающую среду определенные ферменты, называемые экзоферментами. Активность экзоферментов и выделенных организмами в окружающую среду метаболитов можно рассматривать как проявление жизнедеятельности биокосных систем.

Необходимо отметить, что определенная часть загрязняющих веществ все же оказывается вне сферы воздействия почвенных микроорганизмов. Многие молекулы загрязняющих веществ адсорбируются на органно-минеральных коллоидах экзоферментов и твердых частицах почв; а молекулы загрязняющих веществ подвергаются биодеградации только в случае, если они распределены в жидкой среде почвы. Биотрансформация молекул загрязняющих веществ зависит также от содержания гумуса в почве, ее гранулометрического состава, аэрации, кислотности и т.д.

Биодеградация загрязняющих веществ в почве происходит наиболее эффективно, если эти вещества сами не оказывают подавляющего действия на живые организмы почвы. На самом деле многие поллютанты ингибируют те или иные почвенные микроорганизмы и их биохимические функции.

Все отмеченное выше в конечном итоге может существенно замедлять распад загрязняющих веществ.

В условиях полевых агроэкосистем возможно управление лишь немногими факторами, влияющими на скорость биодеградации загрязняющих веществ (в том числе и пестицидов).

В связи с этим заслуживает внимания использование процесса кометаболизма, т.е. ферментативного превращения органических соединений, которые осуществляются микроорганизмами только в случае использования дополнительных субстратов. Однако процессы кометаболизма загрязняющего вещества проявляются только при условии использования определенного субстрата (косубстрата). В процессе кометаболизма происходит, в частности, полное разрушение ряда устойчивых пестицидов.

В условиях кометаболизма ускоряется и процесс биодеградации загрязняющих веществ в водных экосистемах.

Среди молекулярных превращений загрязняющих веществ в природных водах важное значение имеют реакции, осуществляемые с участием свободных радикалов. Последние образуется в природной воде благодаря наличию в ней выделенных гидробионтами перекиси водорода и органических веществ-восстановителей (антиоксидантов).

Способность водных микроорганизмов биохимически разрушать молекулы поллютантов может существенно снижаться в результате воздействия ряда антропогенных факторов. А это, в свою очередь, ухудшает самоочищающую способность водных экосистем. Так, например, антропогенный спад поступления пресной воды и рост солености Азовского моря вызвал падение его ежегодной способности к самоочищению от нефтепродуктов на 20 тыс. т и от детергентов на 46 тыс. т.

Значительное место в процессах биотрансформации загрязняющих веществ в водной среде занимает их биодеградация с участием организмов активного ила. Для эффективной деятельности активного ила требуется его адаптация к данному виду загрязнения, которая может длиться долго, что создает определенные проблемы. Исследованиями в Институте химии Эстонии установлено, что адаптация активного ила к фенолу увеличивает способность микроорганизмов этого ила биохимически окислять и другой поллютант - бенз(а)пирен, являющийся канцерогенным. Вероятно, микроорганизмы активного ила синтезируют неспецифичные ферменты, которые могут окислять широкий класс загрязняющих веществ, включая фенолы и бенз(а)пирен.

Необходимо отметить, что при биотрансформации и окислении молекул загрязняющих веществ в водных экосистемах Могут происходить существенные изменения биохимически важных параметров этих экосистем, небезразличных для других организмов. Сюда можно отнести уменьшение концентрации кислорода, изменение содержания антиоксидантов, изменение реакции среды (рН). Подкисление водной среды может в свою очередь увеличивать токсичность растворенного в ней алюминия, а также растворимость ранее связанных (в донных осадках или со взвешенными в воде частицами) тяжелых металлов - меди, кадмия, свинца, цинка.

Наряду с вопросами биотрансформации целесообразно рассмотреть проблемы биоаккумуляции загрязнений и переноса их по пищевым цепям (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Биотрансформация и биоаккумуляция ртути в водной экосистеме (по А. Яблокову и С. Остроумову)[8]

Возрастание концентрации поллютанта по мере продвижения его вверх по пищевой цепи имеет большое значение для решения проблем охраны природы.

Особенно многочисленны и ярко выражены примеры увеличения концентрации поллютантов при переходе от концентрации их в водной среде, окружающей организмы, к самим организмам. При этом происходит значительная биоаккумуляция гидрофобных веществ, к которым относятся многие хлорорганические загрязняющие вещества (они накапливаются прежде всего в богатых липидами тканях и органах).

Выраженная биоаккумуляция в пищевых цепях описана для ряда антропогенных радиоактивных изотопов. Так, в биогеоценозах тундры может происходить накопление ⁹⁰Sr и ^l37Cs в трофической цепи, ведущей от почв и лишайников к северным оленям, употребляющим их мясо людям. В лишайниках концентрация ¹³⁷Cs была в тысячи раз больше, чем в почвах. В тканях северных оленей его концентрация в 3 раза превышала таковую в лишайниках, а в тканях эскимоса она была в 2 раза больше, чем в мясе оленей[9].

Нередки последствия процесса биоаккумуляции поллютантов - тяжелых, вплоть до смертельных, поражений животных.

Хотя примеры биоаккумуляции очень многочисленны и широко обсуждаются, необходимо отметить, что проблема биоаккумуляции может иметь место при «простом» переносе токсиканта по пищевой цепи, без возрастания его концентрации.

Содержание гидрофобных поллютантов (к ним относятся многие хлорорганические соединения) очень сильно варьирует в зависимости от содержания жиров в изучаемых тканях. Поэтому такие вещества накапливаются у млекопитающих и птиц в подкожной клетчатке, мозге, половых железах и других органах и тканях с высоким содержанием липидов. Однако как известно, жировые запасы в организме интенсивно используются в определенные периоды. При этом загрязняющие вещества могут переходить в кровь и поражать другие жизненно важные органы. Именно так и происходит у некоторых мигрирующих на большие расстояния птиц и летучих мышей. Оказалось, что они могут безболезненно переносить концентрации пестицидов перед началом миграций, но погибать от того же количества содержащихся в их организме поллютантов в конце миграции при расходовании жировых запасов.