Биодеградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов

Бактерии, разрушающие негалогенированные ароматические соединения, как правило, превращают их в катехол (рис. 2) или протокатехоат (рис. 3), а затем, в ходе нескольких реакций окислительного расщепления, - в ацетил-СоА и сукцинат (рис. 4) или пируват и ацетальдегид (рис. 5). 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 галогенированных производных, причем скорость их деградации обратно пропорциональна числу атомов галогена в исходном соединении. Дегалогенирование (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 [5].

Рис. 2. Пути ферментативного превращения ароматических соединений в катехол бактериями, разрушающими ксенобиотики

Рис.3. Пути ферментативного превращения ароматических соединений в протокатехоат бактериями, разрушающими ксенобиотики

Рис. 4. Путь орто-расщепления при ферментативном превращении катехола и протокатеохата в ацетил-СоА и сукцинат

Рис.5. Путь мета- расщепления при ферментативном превращении катехола и протокатеохата в пуриват и ацетальдегид

Биологические методы также применимы для очистки природной сре­ды от нефтяных загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной промышленности, так и непосредственное загрязнение в резуль­тате разлива нефти. Сточные воды нефтяной промышленности очищают биологическими методами после удаления большей части смеси различ­ных углеводородов физическими методами. Для этого применяют аэри­руемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптирован­ное к компонентам нефти сообщество. Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также температу­ры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуще­ствляется, когда нефть эмульгирована в воде. Особую проблему представ­ляют выбросы и аварийные разливы нефти на поверхность почвы. Это приводит не только к загрязнению пахотных земель, но также и источни­ков питьевой воды. В почве содержится много микробных видов, способ­ных деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в том числе и в результате дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным является внесение в почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых входят соединения азота, фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации которых в почве доста­точно низки и лимитируют рост микроорганизмов. После внесения этих соединений в почву концентрация микроорганизмов-деструкторов суще­ственно возрастает, и возрастает скорость деградации нефти [2].

С помощью генетического конструирования создан «супермикроб», способный утилизировать большинство основных углеводородов нефти (рис. 6). Многие природные штаммы Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды, каждая из которых кодирует фермент для расщепле­ния одного класса углеводородов - плазмида ОСТ обуславливает расщеп­ление октана, гексана, декана; XYL - ксилола и толуола; САМ - камфары, NAH - нафталина. Плазмиды САМ и NAH сами способствуют своему переносу, стимулируя спаривание бактерий [2].

В результате последовательных скрещиваний был получен «супер­штамм», несущий плазмиды XYL и NAH и гибридную плазмиду, содержа­щую части плазмид ОСТ и САМ. Такая мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть. Однако возможность эффективного применения такого организма в естественных условиях требует доказательства [2].

Рис. 6. Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний четырех штаммов Pseudomonas putida. Штамм содержит XYL и NAH плазмиды, гибридную САМ/ОСТ, т.к. изолированные плазмиды Сам и ОСТ не способны существовать в одной клетке

Использование методов генетического конструирования микробных штаммов-деструкторов ксенобиотиков для практического применения находится на ранней стадии. Одна из основных проблем при конструиро­вании микроорганизмов на основе природных катаболических плазмид -стабильность. Стабильность систем «хозяин-вектор» особенно важна при интродукции штаммов в естественную среду. При возвращении микроорганизма с новой катаболической функцией в исходную природную среду ему приходится конкурировать с хорошо адаптированной к данным усло­виям среды естественной микрофлорой, сталкиваться с огромным разнообразием источников углерода, в том числе высокотоксичных. При этом совершенно неясны перспективы сохранения стабильности новой катаболической функции и, следовательно, самого штамма [2].

Интересное из раздела

Экологическое состояние основной водной артерии города Донецка реки Кальмиус
В данной работе основное внимание направлено на изучение экологического состояния реки Кальмиус, в особенности, будет рассмотрена проблема содержания тяжелых металлов в реке и влияние данны ...

Ветровые волны
Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности в ...

Циркуляция глубинных вод
Основные факторы, определяющие циркуляцию глубинных вод , - температура и соленость. В приполярных районах Мирового океана вода на поверхности охлаждается. При образовании льда из него выделяютс ...