Особливості біоруйнування ксенобіотиків мікроорганізмами

Біоруйнування (біодеградація) - це перетворення складних речовин за допомогою біологічної активності мікроорганізмів. Це широке поняття включає: 1) трансформацію, або незначні зміни молекули; 2) фрагментацію, або розкладання складної молекули на більш прості сполуки і 3) мінералізацію, або перетворення складних речовин в прості (Н₂О, СО₂, Н₂, NH₃, СН₄ і т.д.). Основними біологічними агентами, які здійснюють біоруйнування, є мікроорганізми, що володіють величезною різноманітністю ферментних систем і великою лабільністю метаболізму.

Більшість таких сполук володіє значною стабільністю, і для їх повного розкладання при звичайних умовах потрібні сторіччя. Відбувається безперервне перенесення цих речовин по харчових ланцюгах і накопичення на їх кінцевих етапах, до яких відноситься і людина. Величезне число ксенобіотиків надзвичайно токсичне і проявляє мутагенну, канцерогенну, аллергенную і тератогенну активності. Деградація ксенобіотиків може відбуватися різними шляхами в залежності від хімічної структури речовини, що руйнується, наявності тих чи інших біологічних активностей, а також залежно від умов навколишнього середовища. Хімічна природа ксенобіотиків надзвичайно різноманітна: це лінійні і розгалужені алкани і алкени, ароматичні сполуки з різними замінниками, гетероциклічні сполуки, конденсовані циклічні структури і полімери. Всі вони характеризуються високою стабільністю і стійкістю в навколишньому середовищі.

Найбільш активно беруть участь в руйнуванні ксенобіотиків бактерії і гриби, основну кількість яких виділено з грунту і води. Представники бактерій відносяться до різних родів гранегативних і грампозитивних аеробних і анаеробних організмів. З найбільш важливих аеробних грамнегативних бактерій слід зазначити види родів Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисюючих і нітріфікуючих бактерій, а з грампозитивних - представників родів Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus і Bacillus. Деякі види нітрат і сульфатредукуючих бактерій, а також метаногенних архей активно беруть участь в анаеробній деградації ксенобіотиків. Гриби, здатні аеробно руйнувати такі сполуки, відносяться до родів Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium.

Відомо, що більшість пестицидів, що потрапляють у навколишнє середовище при обробці сільськогосподарських культур, розщеплюються бактеріями і грибами. Перетворення вихідного пестицидів в менш складні сполуки досить ефективно відбувається під впливом мікробних співтовариств. При цьому вже на першій стадії мікробної трансформації висока токсичність ряду пестицидів може втрачатися, що дозволяє розробляти відносно прості мікробіологічні методи боротьби із ксенобіотиками. Успішно застосовуються ферменти (гідролази, естерази, ациламідази і фосфоестерази) для проведення первинного гідролізу пестицидів і збільшення ступеня їх наступної біодеградації. На основі іммобілізованих ферментів видаляють пестициди зі стічних вод, ферменти застосовують також у вигляді аерозолів для видалення пестицидів з промислових установок.

Природні генетичні механізми обміну інформацією у бактерій дозволяють одержувати ефективні штами-деструктори ксенобіотиків. Методи генетичної інженерії можуть бути корисними для модифікацій уже існуючих мікробних клітин із здатністю до біодеградації. Одна з найбільших груп забруднювачів природи - галогеновмісні ксенобіотики, які характеризуються високою токсичністю і низькою здатністю до руйнування. Причина їх токсичності і стійкості визначається наявністю в них галогеновуглецевого зв'язку, що важко розщеплюється.Однак, як виявилося, ряд галогенвмісних сполук є природними утвореннями і є метаболітами бактерій, грибів, водоростей. Для ефективної трансформації ксенобіотиків необхідна адаптація мікроорганізмів, включаючи їх генетичну мінливість. Тривалі дослідження шляхів деградації галогеновмісних ксенобіотиків показали, що для одержання штамів, ефективно їх розкладаючих, потрібно модифікувати існуючий механізм деградації ароматичних сполук.

Біологічні методи застосовуються також для очищення природного середовища від нафтових забруднень, що представляють собою як стічні води нафтової промисловості, так і безпосереднє забруднення в результаті розливу нафти. Стічні води нафтової промисловості очищають біологічними методами після видалення фізичними методами більшої частини суміші різних вуглеводнів. Для цього застосовують системи біоочищення з активним мулом, що аеруються і містять адаптовану до компонентів нафти спільноту.

Особливу проблему представляють викиди і аварійні розливи нафти на поверхню ґрунту. Це призводить до забруднення не тільки орних земель, але і джерел питної води. У ґрунті міститься багато мікробних видів, здатних деградувати вуглеводні, але їх активність часто низька, зокрема і за рахунок дефіциту окремих біогенних елементів. У таких випадках ефективним є внесення в ґрунт, так званих, «олеофільних добрив», до складу яких входять сполуки азоту, фосфати та інші мінеральні елементи, концентрація яких у ґрунті досить низька і лімітує ріст мікроорганізмів. Після внесення цих сполук у ґрунт концентрація мікроорганізмів-деструкторів істотно зростає, як і швидкість деградації нафти.

З метою ліквідації наслідків аварійного розлиття нафти використовують біотехнологічні способи відновлення забруднених територій за допомогою біопрепаратів, у яких активним агентом виступають ферменти оксидоредуктаз та гідролаз бактерій родів Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Arthrobacter, Azotobacter, Alcaligenes, Mycobacterium; дріжджів роду Candida, ниткоподібних актиномицетів роду Streptomyces; цвілевих грибів Aspergillus и Penicillum, а також їх гібридних штамів. Ці мікроорганізми здатні переробляти розлиту нафту в екологічно безпечні речовини. Причому для прискорення мікробної біоконверсії вуглеводнів у середовище додають поживні елементи (суміш вуглецю, азоту й фосфору).