Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов

Проблема утилизации токсичных отходов химической промышленности сейчас стоит очень остро. До недавних пор основную массу токсичных веще­ств разрушали, сжигая их или обрабатывая дру­гими химикатами, однако это тоже приводило к загрязнению окружающей среды, а, кроме того, обходилось очень дорого. В середине 1960-х гг. были обнаружены почвенные микроорганизмы, способные к деградации ксенобиотиков (непри­родных, синтетических химических веществ; от греч. xenos, чужой) — гербицидов, пестицидов, хладагентов, растворителей и т. д. Это открытие подтвердило правильность предположения о том, что микроорганизмы можно использовать для экономичного и эффективного разрушения токсичных химических отходов.

Основную группу почвенных микроорганиз­мов, разрушающих ксенобиотики, составляют бактерии рода Pseudomona s. Биохимические ис­следования показали, что разные штаммы Pseudomonas способны расщеплять более 100 ор­ганических соединений. Нередко один штамм использует в качестве источника углерода не­сколько родственных соединений.

В биодеградации сложной органической мо­лекулы в природных условиях обычно участвуют целые сообщества микроорганизмов и множество разных фер­ментов.

Бактерии, разрушающие негалогенированные ароматические соединения, как правило, превращают их в катехол (рис.1) или протокатехоат (рис.2), а затем, в ходе нескольких реакций окислительного расщепления, — в аце­тил-Со А и сукцинат (рис.3) или пируват и ацетальдегид (рис.4). Эти последние соеди­нения метаболизируются практически всеми микроорганизмами.

Галогенированные арома­тические соединения, основные компоненты большинства пестицидов и гербицидов, с помо­щью тех же ферментов разрушаются до катехола, протокатехоата, гидрохинона или их галоге-нированных производных, причем скорость их деградации обратно пропорциональна числу атомов галогена в исходном соединении. Дега-логенирование (отщепление замещающего ато­ма галогена от органической молекулы), необ­ходимое для детоксикации соединения, часто осуществляется в ходе неспецифической диоксигеназной реакции, путем замещения галогена в бензольном кольце на гидроксильную группу. Эта реакция может происходить как в ходе био­деградации исходного галогенированного со­единения, так и потом.

Разрушение ароматических соединений содержащих сульфогруппу (эмульгаторы, смачиватели, компоненты красителей) протекает обычно через предварительное удаление сульфогруппы, которая обеспечивает общую устойчивость молекулы к биодеградации.

Высокотоксичные ароматические нитросоединения в природных условиях довольно быстро восстанавливаются до соответствующих ароматических аминов, которые весьма токсичны, а многие являются канцерогенами. Дальнейшая деградация аминов протекает достаточно сложно, т.к. они легко конденсируются с карбоксильными и карбонильными группами биомолекул с образованием полииминов и полиаминов, устойчивых к последующему действию микроорганизмов.

Скорость и глубина биодеградации нефтяных загрязнений определяется, прежде всего, их компонентным составом. Легче всего разрушаются линейные алканы, гораздо хуже разветвленные, циклоалканы, непредельные и ароматические соединения. Ускорению биодеградации способствует наличие в среде солей азота и фосфора, интенсивная аэрация.

Устойчивость алкилсульфатов (ПАВы, детергенты, моющие средства и стиральные порошки) к биодеградации существенно зависит от природы и строения алкильной группы. “Мягки ” ПАВы, содержащие линейные, неразветвленные алкильные группы, довольно легко разлагаются микроорганизмами (β-окисление). “Жесткие” ПАВы, содержащие разветвленные радикалы на несколько порядков более устойчивы. Механизм биодеструкции тех и других включает на первом этапе удаление сульфатной группы под действием соответствующих ферментов-сульфатаз, приводящее к образованию спиртов, которые далее подвергаются дальнейшему метаболизму.

У микроорганизма Bacillus stearothermophilus обнаружен фермент роданаза, катализирующий превращение цианид-иона в роданид-ион. В грибах, паразитирующих на растениях цианогенах, обнаружен фермент цианатгидратаза, катализирующая гидролиз цианистого водорода до формамида. Представляется перспективным создание систем биологической очистки сточных вод от органических и неорганических соединений, содержащих цианогруппу.

Большой интерес для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов представляют сульфатредуцирующие бактерии. Эти микроорганизмы – анаэробы в качестве акцепторов атомов водорода от NAD*H используют не продукты собственного метаболизма (пируват, ацетальдегид), а сульфат –анионы SO₄^2-, присутствующие в окружающей среде. В результате происходит восстановление сульфат – анионов до сульфид-анионов, которые далее взаимодействуют с ионами железа или других тяжелых металлов присутствующих в среде с образованием нерастворимых сульфидов.