2.2.10. Разложение ксенобиотиков микроорганизмами

Ксенобиотики (от греч. xenos – чужой, biotos – жизнь) – чужеродные для организмов соединения. К ним относятся различные синтетические полимеры, красители, пестициды, гербициды, фунгициды, фармацевтические препараты, препараты бытовой химии, отходы производств и т. д. В широком смысле к ним могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Многие ксенобиотики чрезвычайно токсичны и проявляют мутагенную, канцерогенную и аллергенную активности. Ксенобиотики различаются по химической природе и характеризуются высокой стабильностью и устойчивостью в окружающей среде.

Деградация ксенобиотиков микроорганизмами может происходить различными путями, хотя скорость их разложения чаще всего крайне низка.

В аэробных условиях первой стадией биодеградации ксенобиотиков может быть гидроксилирование. Введение в молекулу гидроксильной группы приводит к поляризации и лучшей растворимости ксенобиотика в воде, что делает его более доступным для последующего разрушения. Эти реакции катализируются ферментами гидролазами или оксидами смешанных функций. Еще одним способом деградации ксенобиотиков является реакция N-деалкилирования. Она осуществляется с помощью различных оксидаз на ранних этапах разрушения алкилзамещенных соединений. В деградации ксенобиотиков принимают участие и реакции окислительного метаболизма, такие, как декарбоксилирование, β-окисление, гидролиз эфирных связей, образование эпоксидов и сульфоксидов, окислительное расщепление ароматического и гетероциклических колец.

О разрушении ксенобиотиков в анаэробных условиях мало известно, но установлено, что начальные этапы их биоразрушения осуществляются через реакции восстановительной трансформации – преобразование нитрогруппы в аминогруппу, восстановительное дегалогенирование, насыщение двойных и тройных связей, восстановление альдегидов и кетонов в соответствующие спирты, превращение сульфоксида в сульфид.

И в аэробном, и в анаэробном метаболизме ксенобиотиков важное место занимают реакции гидролиза, в которых молекула ксенобиотика расщепляется при присоединении воды. Под действием соответствующих эстераз, фосфатаз и лиаз гидролизуются эфирные, фосфоэфирные или амидные связи. Гидролитическое дегалогенирование может происходить путем замещения атома галогена в молекуле на гидроксильную группу из воды.

Микроорганизмы также участвуют в трансформации ксенобиотиков путем присоединения к ним алкильных (метильных) и ацильных (формильных и ацетильных) групп. Продукты, образующиеся при такой трансформации ксенобиотиков, часто обладают иной токсичностью, чем исходные вещества.

Следует отметить, что микроорганизмы могут использовать ксенобиотики в качестве источников углерода и энергии или трансформировать их с целью детоксикации. При использовании ксенобиотиков для получения энергии и углерода участвуют ферменты, задействованные в основных метаболических путях. При этом происходит более глубокое разрушение ксенобиотика вплоть до его полной минерализации. В детоксикации могут участвовать ферменты периферического метаболизма.

Некоторые трудноразлагаемые вещества расщепляются микроорганизмами только совместно с хорошо утилизируемыми субстратами. В данном случае способность к трансформации ксенобиотика обусловливается наличием доступного источника энергии для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов, так как сам ксенобиотик не может использоваться ими в этих целях. Это явление получило название кометаболизма или соокисления.

Поскольку каждая группа ксенобиотиков имеет в своем составе соединения самой разнообразной химической структуры, процесс биодеградации ксенобиотиков складывается из нескольких путей, осуществляемых определенными группами микроорганизмов и направленных на конкретный класс химических веществ.

Пути преобразования отдельных классов ксенобиотиков изучены в разной степени. Установлено, что биодеградация поверхностно-активных веществ алкилбензолсульфонатов (служат основой синтетических моющих средств, смачивателей, эмульгаторов и др.), имеющих в алкильной цепи от одного до трех атомов углерода, начинается с сульфонатной группы, а у соединений с большим числом углеродных атомов – с боковой цепи. В аэробных условиях эти вещества разлагаются бактериями и грибами, осуществляющими расщепление ароматических углеводородов и других соединений этого типа. В анаэробных условиях биодеградацию алкилбензолсульфонатов могут осуществлять бактерии с бродильным типом метаболизма. Кроме того, эти соединения могут использоваться бактериями в качестве акцепторов электронов при анаэробном дыхании. Процессы анаэробной деградации алкилбензолсульфонатов протекают с большей эффективностью в ассоциации, состоящей из бактерий родов Clostridium, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanosarcina.

В биодеградации сложных ароматических и гетероциклических соединений (красителей, фармацевтических препаратов) в аэробных условиях у разных микроорганизмов участвуют специфические ферменты. Например, у бактерий рода Pseudomonas разрыв индольного кольца катализирует фермент диоксигеназа. Грибы родов Penicillium, Aspergillus, Verticillium, Fusarium, Alternaria, Cladosporium, Geotrichum, Helminthosporium для окисления гетероциклических соединений используют активные пероксидазы. Бактерии актиномицеты рода Streptomyces расщепляют полициклические соединения с помощью ферментов лигниназ.

Большое количество различных ксенобиотиков способен разрушать в аэробных условиях базидиомицет Phanerochaete сhrysosporium, вызывающий гниение древесины. Среди них один из наиболее известных инсектицидов – дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). ДДТ нарушает синтез хитина и отличается высокой эффективностью в борьбе с насекомыми, однако главным его недостатком является повышенная устойчивость к биодеградации. Кроме ДДТ гриб Phanerochaete сhrysosporium разрушает бензопирен, полихлорированные бифенилы, линдан, кристаллвиолет, различные азоткрасители. За начальные стадии биодеградации в этом случае отвечают ферменты лигниназы и Mn-пероксидазы гриба.

Гетероциклические соединения – индол, хинолин, производные пиридина, фурана, никотиновой кислоты – полностью катаболизируются сообществами денитрифицирующих, сульфатредуцирующих, метаногенных бактерий в процессе анаэробных дыханий. Сначала эти соединения анаэробно окисляются, а затем происходит разрыв кольца, причем легче разрушаются азот- и кислородсодержащие гетероциклические соединения, чем серосодержащие вещества.

Полимерные соединения, синтетические ткани и пластики способны разрушать в аэробных условиях грибы, синтезирующие высокоактивные внеклеточные гидролазы. Мицелиальные грибы родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma расщепляют некоторые синтетические полимеры с помощью ферментов фосфатаз. Полимерные материалы, содержащие амидные и эфирные связи (например, капрон, нейлон, поролон), подвергаются воздействию микробными протеиназами. Первичная колонизация пластиков происходит в результате разрастания колоний грибов на поверхности, проникновения мицелия в толщу материала через микротрещины, а затем начинается активное воздействие ферментов и синтезируемых кислот на отдельные компоненты пластиков.

Повышенной стойкостью к разрушению плесневыми грибами и бактериями обладают полиэтилен, полипропилен, полистирол, жесткий поливинилхлорид, полиамид, полиэтилентерефталат – полимерные смолы. Менее стойки поливинилацетат, поливиниловый спирт, хлорсульфированный полиэтилен. Пластификаторы, входящие в состав пластиков, более подвержены биодеградации, так как являются смесью эфиров фталевой и адипиновой кислот. Основными микроорганизмами, осуществляющими биодеградацию перечисленных полимерных соединений в аэробных условиях являются микроскопические грибы родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Cladosporium, Fusarium, а также бактерии родов Pseudomonas, Streptomyces, Bacillus, Arthrobacter. Опубликованы данные, что в деградации высокомолекулярных полиэтиленов и нейлонов принимают участие грибы, вызывающие «белую гниль» (Phanerochaete сhrysosporium и Trametes versicolor). С помощью ферментов лигниназ они разлагают эти полимеры до растворимых олигомеров в условиях лимитации по углероду и азоту.

Экспериментально доказано, что гены, ответственные за биодеградацию многих ксенобиотиков, локализованы в конъюгативных D-плазмидах, способных с высокой эффективностью переноситься внутри и между бактериальными популяциями. В настоящее время генетические системы биодеградации некоторых ксенобиотиков изучены достаточно хорошо, в частности, системы деградации пестицидов, таких, как 2,4-дихлорфеноксиацетат, 2-метил-4-хлорфеноксиацетат, 2-хлорбензоат и др. Перспективным и многообещающим направлением генетических исследований в области биодеградации является конструирование штаммов микроорганизмов, содержащих новые катаболические пути деградации трудноразлагаемых ксенобиотиков. Проведение таких исследований важно в связи с тем, что на способности микроорганизмов к разложению ксенобиотиков основан процесс биоремедиации – устранения загрязняющих агентов из окружающей среды посредством ферментативной активности микроорганизмов.