Микробиологическая деструкция поверхностно-активных веществ

Большую угрозу загрязнения окружающей среды представляют анионные и неионогенные поверхностно-активные вещества, широко используемые в качестве компонентов моющих средств или детергентов (от англ. «deterge» – очищать).

Наряду с моющим действием ПАВ характеризуются эмульгирующими, диспергирующими, солюбилизирующими и другими полезными свойствами, в связи, с чем находят самое разнообразное применение в промышленности, сельском хозяйстве, быту, медицине и т.д.

При попадании в водную среду и почву молекулы ПАВ подвергаются деструкции в результате биохимических и физико-химических процессов, и «потребляются» (разрушаются) микроорганизмами, присутствующими в воде, почве и активном иле (Алексеева, 1998).

По стадийности деструкции и потребления молекул ПАВ в процессе их биоразложении различают:

– первичную биоразлагаемость – разрушение структуры молекулы с «отщеплением» гидрофильных групп, и, обусловленную этим потерю поверхностно-активных свойств молекул ПАВ, что проявляется, в первую очередь, исчезновением пенообразования;

– полную биоразлагаемость – дальнейшее усвоение осколков молекул ПАВ микробными сообществами вплоть до разложение на СО₂ и Н₂О.

Первые методы определения биоразлагаемости ПАВ появились более 50 лет назад в связи с повсеместными загрязнениями водоемов в европейских странах и появлением большого количества пены на поверхности водных объектов. Это было обусловлено сбросом стоков, не очищенных от синтетических моющих средств на основе тетрапропи-ленбензолсульфонатов.

Химические и физико-химические методы очистки стоков не решают проблемы борьбы с загрязнением окружающей среды ПАВ, так как при использовании этих методов ПАВ, как правило, только концентрируются или разрушаются частично, но не разлагаются полностью до углекислого газа и воды и других простейших продуктов. Полная деструкция детергентов осуществляется микроорганизмами, на использовании которых основаны все биологические методы очистки сточных вод. Однако очистка стоков от ПАВ общепринятыми биологическими методами затруднена, поскольку многие из этих веществ сравнительно устойчивы к микробному разложению и проходят через очистные сооружения, не изменяясь.

По этим причинам объективная оценка биоразлагаемости ПАВ, являющихся основными компонентами синтетических моющих средств и товаров бытовой химии, на которые используется до половины всего объема их производства, чрезвычайно актуальна.

В практике в настоящее время наиболее широко используются анионные ПАВ.

Процессы деструкции многих ПАВ в природе происходят очень медленно, так как у микробного населения водных объектов отсутствует адаптация к этим веществам. Тем не менее, они подвержены процессам биохимического окисления, скорость которых зависит от структуры их молекул, температуры воды (чем выше температура, тем интенсивнее идет окисление), рН, содержания взвешенных веществ и т.д. К числу наиболее легко окисляющихся ПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения, а наиболее трудно разрушаются алкилбензолсульфонаты, приготовленные на основе тетрамеров пропилена. Единственной группой организмов, вносящей реальный вклад в разрушение ПАВ в окружающей среде, являются бактерии.

Большой интерес представляют исследования разложения ПАВ чистыми культурами микроорганизмов. Первые работы на эту тему проводились в 50-х годах. Так, Ризен (Ротмистров, 1978, цит. Risen, 1956) показал, что Ps. aeruginosa, Serratia marcescens, Escherichia coli, Aerobacter aerogenes, Salmonella enteritidis, Paracolobactrum aerogenoides при выращивании на синтетической среде могут использовать различные анионные ПАВ в качестве единственного источника углерода. Обнаружено, что на скорость биоразложения влияет минеральный состав питательной среды.

Пейн с сотрудниками (Ротмистров, 1978, цит. Payne, 1963) из почвы, взятой, в районе очистного сооружения методом накопительных культур выделил 2 штамма Pseudomonas – С12 и С12В, которые активно разрушали АПАВ. Представители рода Pseudomonas особенно часто выделяются из накопительных культур на средах с АПАВ. Методом накопления, ими также были получены один штамм Ps. fluorescens и два штамма Nocardia sp., способные использовать в качестве единственного источника углерода линейные АПАВ. В процессе исследования Пейн с сотрудниками установили, что способность разрушать ПАВ широко варьирует у микроорганизмов, даже среди представителей одного рода.

Авторы высказывают предположение о том, что выращивание Azotobacter на детергентсодержащих сточных водах, может иметь в будущем большое значение, так как благодаря фиксации атмосферного азота вода обогащается азотными соединениями, а это в свою очередь способствует развитию других микроорганизмов – деструкторов.

В литературе есть указания (Ставская, 1978; Ротмистров, 1978) на возможность биодеградации серусодержащих детергентов путем гидролиза в анаэробных условиях, однако биохимическая сторона этого процесса не изучена. Установлено только, что синтетические ПАВ с разветвленной алкильной цепью практически не разлагаются, в то время как прямоцепочечные за 3–6 ч. разрушаются на 20% (Ротмистров, 1978).

О биоразлагаемости неионогенных ПАВ, применяемых в качестве деэмульгатаров эмульсий нефти с водой есть сведения в работе В.В. Булатникова с соавт. Большинство этих соединений плохо поддаются биохимическому окислению. Авторы показывают, что деэмульгаторы – блок-сополимеры окиси этилена и пропилена относятся к «биологически жестким». Легко и быстро разрушаются НПАВ, полученные на основе первичных жирных спиртов и сахаров (Ротмистров, 1978).

Работы по изучению деструкции НПАВ чистыми культурами микроорганизмов немногочисленны. Показано, что твины могут служить питательным субстратом для бактерий, а так же способствовать использованию других соединений, облегчая их транспорт в клетку (Ротмистров, 1978, цит. Ксандопуло, 1971). Ps. aeruginosa, Aspergillus niger и Penicillium notatum способны расти в растворах сложных эфиров жирных кислот (Ротмистров, 1978). Образуя эстеразы, эти микроорганизмы расщепляют эфирные связи с освобождением жирных кислот. Способностью разлагать полиоксиэтиленолеат обладают некоторые штаммы непатогенных микобактерий, которые окисляют его до углекислоты и воды. Микобактерии используют данное соединение в качестве единственного источника углерода.

Работами проводимыми в Институте коллоидной химии и химии воды АН УССР канд. Биол. Наук В.М. Удодом (Ставская, 1978), показано, что додециловый эфир полиэтиленгликоля в концентрации 50–100 мг/л полностью разрушается микроорганизмами родов Pseudomonas, Bacillus и Candida в течение 18 ч. Увеличение концентрации приводит к замедлению деструкции, и разложение наступает на 2–7 сутки.

Анализ литературных данных показал, что в природе довольно часто встречаются микроорганизмы, способные разрушать биологически «мягкие» поверхностно-активные вещества, в том числе неионогенные, такие как оксиэтилированные спирты и кислоты, и гораздо реже – «жесткие», например оксиэтилированные алкилфенолы. Известно, что чем больше ксенобиотик отличается от природных субстратов и метаболитов основного обмена, тем меньше вероятность широкого распространения штаммов, способных к его утилизации. Лишь там, где имеет место длительный контакт микроорганизмов, обладающих высокой гибкостью метаболических реакций, с соответствующим веществом, возможно формирование штаммов деструкторов (Ставская, 1978). Такими объектами являются загрязненные почвы, сточные воды и активные илы очистных сооружений. Тем не менее, даже из таких источников не всегда удается выделить интересующий микроорганизм.

Накопившиеся в последние годы, данные о биоразлагаемости ПАВ свидетельствуют, о необходимости, с одной стороны, синтеза и внедрения в производство легко биоразрушаемых соединений, а с другой – разработки новых, более интенсивных методов очистки окружающей среды от ПАВ. Эти методы должны основываться на использовании специально полученных высокоактивных чистых культур микроорганизмов, деструкторов ПАВ. Применение таких культур в микробном методе очистки будет способствовать защите окружающей среды от загрязнения синтетическими соединениями, и сохранению окружающей человека природы.