БИОТРАНСФОРМАЦИЯ, БИОДЕСТРУКЦИЯ И БИОДОСТУПНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ

полная деструкция);

Неполная деградация (трансформация, частичная минерализация, частичная деструкция);

Связывание поллютантов или

их метаболитов с другим веществом-матрицей (полимеризация, конъюгация, конденсация).

В природных условиях полное разрушение стойких органических ксенобиотиков происходит, как правило, в результате совместного действия сообщества организмов и абиотических факторов.

но не приводят к его полной деструкции.
При полимеризации (конъюгации)

сохраняется основная структура органического соединения и происходит его связывание с другим соединением с образованием продукта с большей молекулярной массой.

Минерализация и трансформация токсичного ксенобиотика в экосистеме, биоценозе или организме приводит к его обезвреживанию – детоксикации. Если в процессе биотрансформации нетоксичный или малотоксичный ксенобиотик становится токсичным и может накапливаться в окружающей среде, то наблюдается процесс токсификации.

определяется:
- химическими свойствами соединения,
генетическими свойствами организмов, осуществляющих трансформацию

поступающих в организм веществ,
условиями окружающей среды, влияющими на скорость переноса соединений в организмы или клетки,
токсичностью соединений для организма-мишени,
концентрацией соединения в окружающей среде.

В зависимости от времени полураспада t1/2 химические соединения классификацируются на:
легко доступные (t1/2 от 1 до 7 сут),
умеренно доступные (t1/2 от 7 сут до 4 недель),
трудно доступные (t1/2 от 4 недель до 6 мес.),
устойчивые (t1/2 более 6 мес.).

в основные (центральные) пути катаболического или анаболического обмена, происходит в

ходе подготовительного (периферийного) метаболизма.

Микроорганизмы под воздействием ферментов переводят природные и синтетические вещества в ключевые соединения метаболизма – вещества, из которых синтезируются все необходимые компоненты клетки и извлекается необходимая энергия.

Ферменты, катализирующие подготовительный метаболизм, обычно индуцибельные.

Основные реакции, участвующие в путях подготовительного метаболизма:
реакции окисления,
восстановления,
деградации, включая гидролиз,
конъюгации.

кислорода (гидроксилирования) в молекулу субстрата.
Участвуют ферменты – монооксигеназы и

диоксигеназы.
Особая роль принадлежит монооксигеназам со смешанной функцией - комплексу мембрано-связанных ферментов, включающих цитохромы P-450 и NАDPH-цитохром-P-450-редуктазы.

+O2  CH3OH + NAD+ + H2O
CH3OH  HCHO 

HCOOH  CO2

Далее:

Две формы метанмонооксигеназы: растворимая цитоплазматическая и нерастворимая, связанная с мембраной.

Растворимая метанмонооксигеназа не обладает субстратной специфичностью и одновременно с метаном способна соокислять его гомологи (этан, пропан, бутан и др.), алкены, трихлорэтилен, ароматические соединения и их хлорированные гомологи, а также NH3 до NH2OH. Этим обусловлено значение реакций, катализируемых метанмонооксигеназой, для удаления различных органических загрязнений из природных сред.

Диоксигеназы катализируют внедрение в молекулу субстрата обоих атомов молекулы кислорода.
Играют важную роль в деградации таких природных соединений, как фенолы и их производные, лигнины, алкалоиды, терпены и др.
Наиболее важные реакции подготовительного метаболизма, осуществляемые диоксигеназами, – реакции, ответственные за разрыв ароматического кольца.

соединения, имеющие как минимум две свободные гидроксильные группы в орто-

или пара- положениях (орто- или пара-дифенолы). Простейший орто-дифенол – катехол (пирокатехин). Орто-дифенолы образуются в подготовительном метаболизме многих соединений.
Дигидроксилированное ароматическое кольцо разрывается в диоксигеназной реакции в результате орто- или мета-расщепления.

при орто-расщеплении. Однако мета-расщепление менее эффективно при разложении различных производных

ароматических соединений, например галогензамещенных, поскольку приводит к накоплению промежуточных токсичных продуктов метаболизма и гибели популяции микроорганизмов-деструкторов.

Гены, определяющие возможность орто-расщепления ароматического кольца незамещенных фенолов, как правило, содержатся в хромосоме, гены мета-расщепления присутствуют в плазмидах биодеградации и определяют разрыв кольца в метилированных фенольных соединениях. Ферменты, катализирующие расщепление ароматического кольца, – индуцибельные.

Орто- и мета-расщепление ароматического кольца способны осуществлять бактерии, дрожжи и грибы.

длинные алкильные боковые цепи

оксидами металлов, сульфатами, диоксидом углерода или галогенированными органическими соединениями.
Некоторые сульфатредуцирующие

бактерии и денитрификаторы способны окислять насыщенные алканы, алкены, алкины и нафтены до CO2, Н2 и ацетата или CO2 и CH4 (в ассоциации с метаногенами).

При анаэробном окислении связанный кислород нитратов и сульфатов не включается в молекулы ароматических соединений и в этих условиях оксигеназы не функционируют. У насыщенных алифатических углеводородов отщепляется водород с образованием двойной связи; нитратный или сульфатный ион является конечным акцептором водорода.

могут использовать многие ксенобиотики в качестве конечных акцепторов электронов на

начальных стадиях деградации.

Примеры:
восстановление альдегидов и кетонов в спирты;
восстановление ароматических нитро-, нитрозо- и азогрупп в амино-, гидроксиламино- или нитрозогруппы;
восстановление двойных связей ароматических циклов с последующим расщеплением кольца

полифосфатных групп;
деалкилирование, при котором удаляются алкильные группы, связанные

с О, N, S и образуются фенолы, амины и тиолы;
расщепление кольцевых структур (алициклические и гетероциклические соединения), что важно для биодеградации грибами лигнина и других природных полимеров.

ароматическими и алифатическими аминами и сульфонамидами с помощью ацетилтрансфераз;
- конъюгация

глицина с бензойной и никотиновой кислотами:

- конъюгация с цистеином, глутатионом и другими серусодержащими соединениями;
- метилирование, спиртов, фенолов, аминов, тиолов и др.;
- конъюгация с сульфатом фенолов, спиртов, ароматических аминов, гидроксиламинов, стероидов;
- образование связанных остатков продуктов частичной деградации ксенобиотиков с природными полимерами, например, связывание некоторых пестицидов с лигнином (в растениях), с гуминовыми кислотами (в почве);
- связывание ионов тяжелых металлов металлотионеинами – белками с низкой молекулярной массой и высоким содержанием цистеина.

с ослабленной субстратной специфичностью.
На способность галогенированного соединения вступать в тот

или иной тип реакции дегалогенирования влияет число атомов галогена в молекуле соединения.

восстановлению.

окисление

химической структуры:

чем сложнее структура молекулы ксенобиотика, тем менее доступна

молекула для биодеградации, тем меньше микроорганизмов способно к ее утилизации;

биотрансформация ксенобиотиков, подобных по химическим свойствам природным веществам-аналогам, протекает по путям катаболического распада природных аналогов, но с меньшей скоростью;

при утилизации потенциально биодоступного ксенобиотика-субстрата энергетические затраты на поддержание системы ферментов его биотранформации часто не компенсируются за счет энергии, извлекаемой при биодеградации ксенобиотика. Поэтому такие соединения труднодоступны для микроорганизмов. Дополнительный органический субстрат в среде может обеспечить превращение ксенобиотиков энергией и/или кофакторами и облегчить его утилизацию. Такой процесс называется кометаболизмом (соокислением или совосстановлением).

субстрат и косубстрат.

Субстрат – источник углерода, электронов, энергии или

кофакторов.

Косубстрат – соединение, подвергаемое тем или иным превращениям только в присутствии субстрата.
В процессе кометаболизма ксенобиотики являются косубстратами, а их природные аналоги или другие более биодоступные соединения – субстратами.

микроорганизмы, особенно бактерии (р. Pseudomonas и др.).
Смешанные популяции, как

правило, быстрее и полнее разрушают многие синтетические соединения.

Подбор и селекция микроорганизмов-деструкторов:

1. Выделение монокультуры или сообщества микроорганизмов (изолятов) из различных природных или техногенных сред, загрязненных теми или иными ксенобиотиками; лучше всего выделять микроорганизмы из мест с застарелыми загрязнениями или с неоднократным поступлением ксенобиотиков.
Для выделения таких изолятов эффективен метод накопительных культур, при этом накапливают биологический материал для деградации вещества-загрязнителя как правило на этом же субстрате либо на его легко утилизируемых аналогах.
2. Использование уже известных штаммов-деструкторов (музейных культур) или конструирование рекомбинантных штаммов на базе существующих.

только один из ферментов подготовительного метаболизма;
микроорганизмы, которые трансформируют синтетическое

соединение в одно из промежуточных соединений подготовительного метаболизма его природного аналога уже на первых этапах метаболизма.

Целесообразно сначала получить накопительную культуру с использованием в качестве субстрата природного аналога данного синтетического соединения или их смесь, а уж затем пытаться адаптировать биодеструктор к потреблению ксенобиотика в качестве единственного субстрата.

– ингибирование биодеструкции.
Низкие концентрации – недостаток энергии на биодеструкцию.
Физическая

недоступность загрязнения.
Замедляют биодеструкцию:
проникновение загрязнения в подпочвенные горизонты,
адсорбция загрязнения на поверхности и в твердой фазе,
механическое включение в почву,
низкая растворимость,
образование связанных остатков: отрицательные последствия – возможность повторной контаминации; положительные последствия – уменьшение скорости миграции, уменьшение контактной токсичности

Если локальные концентрации ферментов, клеток и самого ксенобиотика вблизи поверхности увеличиваются (в диапазоне нетоксичных концентраций ксенобиотика), или на поверхности протекают абиотические реакции трансформации, сопряженные с биологическим процессом, адсорбция стимулирует деградацию.

нефтепродукты, бензол, толуол и др.

зонах.
Примеры: галогенированные соединения (трихлорэтилен, пентахлорэтилен, четыреххлористый углерод, полихлорированные бифенилы, полиароматические

углеводороды.

фазе в макро- (А1), мезо- (А2) и микро- (А3) порах;
B

– комплексообразование с другими веществами в водной фазе;
C – улетучивание из водной фазы;
D – улетучивание из органической жидкости;
E – растворение загрязнения из макропор (E1) и микропор (E2);
F – диффузия в водной фазе и в газовой фазе.

NAPL – фаза органического материала, нерастворимого в воде.

механическое разрушение агрегатов,
внесение ПАВ («сурфактант усиленная ремедиация»),
внесение комплексообразователей.

Недоступность акцепторов и доноров электронов или косубстратов

В аэробных условиях окислитель (акцептор электронов) – O2 воздуха.

В аноксигенных условиях окислители – NO3-, SO42-, Fe3+, Mn4+ и др.

Восстановители (доноры электронов): NH4+, NO2-, сульфиды металлов, H2S, Fe2+, Mn2+ и др.).

Кислород и ионы-окислители вовлекаются в биодеградацию в соответствии с окислительно-восстановительным потенциалом протекающих реакций.

метана при восстановлении CO2);
2 – сульфидогенная (сульфатредукция);
3 –

феррогенная (восстановление Fe(III));
4 – манганогенная (восстановление Mn(IV));
5 – нитратредуцирующая;
6 – аэробная.

в воде лимитирующим фактором часто является свободный кислород. Поэтому для

обеспечения кислородом аэробных процессов биодеструкции в зоны загрязнения подают воздух. Концентрация кислорода в водной среде, не лимитирующая биологические процессы, – не ниже 2-3 мг/л.

Способы повышения скорости доставки кислорода к загрязненным участкам:
подача чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом,
подача озона, пероксидов.

Для окисления в почве 1 кг углеводородов требуется доставить в загрязненную зону:
400 м3 воды, насыщенной кислородом относительно воздуха при 20 оС (C*O2 = 8 мг/л),
80 м3 при аэрации воды чистым кислородом
13 м3 при доставке кислорода пероксидов (H2O2 или пероксидов металлов при концентрации 500 мг/л в пересчете на H2O2).

Cложности реализации варианта с H2O2 – высокая стоимость, возможность побочных процессов окисления органических веществ среды, токсичность растворов с высокой концентрацией окислителей для микрофлоры.

C : N : P = 100-200 : 10-20 :

1-3.

В природных условиях

C : N : P = 300 : 10 : 1

Наибольшие сложности в снабжении питанием микроорганизмов – при очистке глинистых почв.

Предложен биоэлектрокинетический метод для доставки N и P в загрязненные зоны - биогенный элемент или акцептор электронов мигрируют в результате создания разности электрического потенциала между источником необходимого элемента и зоной его доставки.

раза. Оптимальная температура для большинства микроорганизмов-биодеструкторов 30-37оС.

Косвенное влияние температуры

– изменение растворимости загрязнения в воде, степени летучести и сорбции загрязнений.

Применение повышенных температур при биоочистке – один из приемов увеличения биодоступности загрязнения. Для этого используют термофильные микроорганизмы, разлагающие загрязнение при 60-70 оС. Процесс может протекать при компостировании органического материала, загрязненного ксенобиотиком, или в комбинированном методе ремедиации почвы с одновременной отдувкой загрязнений нагретым водяным паром.

от 75 до 100% (1 г воды на г сухой

почвы) и выше возможно замедление скорости биодеградации вследствие уменьшения скорости переноса кислорода воздуха в почву и создания анаэробных условий.

Активная кислотность (величина pH)

Для большинства бактерий-биодеструкторов pHопт. = 6-8.

Для грибов – pHопт. = 5-6.

Инактивация внеклеточных ферментов

Токсичное действие органических ксенобиотиков

Бактериостатическое действие – задерживание развития микроорганизмов.

Бактерицидное действие – гибель клеток.