Агрессивные метаболиты микроорганизмов

Многие биохимические процессы, происходящие с участием микроорганизмов, применяются в пищевой и легкой промыш­ленности. Велика роль микроорганизмов и в круговороте веществ в природе.

В качестве своеобразной пищи для микроорганизмов в настоя­щее время выступают различные промышленные материалы (тек­стиль, металл, бетон, пластмассы, резина, кожа, топливо, лаки, краски, бумага и т.д.), в результате «колонизации» которых сапрофитами формируется своеобразная сборная группа бактерий и грибов-технофилов.

Биоповреждение материалов и изделий плесневыми грибами происходит за счет механического разрушения разрастающимся мицелием, биозагрязнения и главным образом вследствие воз­действия ферментов и органических кислот.

Биоповреждение же бактериями происходит в основном за счет воздействия ферментов и органических кислот.

Разрушение промышленных материалов ферментами. Общая характеристика ферментов. Все разнообразные и многочисленные био­химические реакции, протекающие в живом организме в связи с обменом веществ, совершаются при участии ферментов — биоло­гических катализаторов, вырабатываемых клетками организма.

Ферменты являются катализаторами биологического происхож­дения, состоящими из простых (протеины) или сложных (проте­иды) белков и небелкового компонента — активной группы. Так, есть ферменты однокомпонентные и двухкомпонентные.

В состав активной группы двухкомпонентных ферментов вхо­дят витамины или их производные, различные металлы (Fe, Co, Си), азотистые основания и др.

Активная группа ферментов обусловливает их каталитическую способность, а белковая часть — специфические свойства, избирательную способность действовать на определенный субстрат.

Ферменты обладают очень высокой активностью. Ничтожно ма­лого количества фермента достаточно, чтобы вовлечь в реакцию значительную массу реагирующего вещества (субстрата).

Ферменты действуют чрезвычайно быстро. Молекула фермента за 1 мин может вызвать превращение десятков и сотен тысяч мо­лекул соответствующего субстрата.

Особенностями ферментов являются их субстратная специфич­ность и специфичность действия — каждый фермент взаимодейству­ет лишь с одним определенным веществом и катализирует лишь одно из тех превращений, которым может подвергаться данное вещество.

Специфичность ферментов обусловлена структурными особен­ностями их молекул и субстрата. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку.

Каждый микроорганизм обладает комплексом разнообразных ферментов, своеобразием и активностью которых определяются его биохимическая деятельность, избирательность в отношении питательных веществ, роль в круговороте веществ в природе, в процессах биодеструкции.

Ферменты, присущие данному микроорганизму, входящие в число компонентов его клетки, называют конститутивными. Су­ществуют индуцируемые (адаптивные) ферменты, которые вы­рабатываются только при наличии в среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. Например, микроор­ганизм, не ассимилирующий полимеры, можно приучить к их использованию, культивируя в среде с этим полимером как един­ственным источником углерода. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент, которым ранее он не обладал.

Некоторые ферменты, выделяемые микроорганизмами во вне­шнюю среду, принято называть экзоферментами. Они играют боль­шую роль в подготовке пищи к ее поступлению в клетку. Проис­ходит внеклеточное «переваривание» пищи — расщепление слож­ных веществ субстрата (крахмала, белков и др.) на более простые составляющие, способные проникать в клетку.

Цитоплазматическиё ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающую среду, называют эндоферментами (внут­риклеточными). Эти ферменты участвуют во внутриклеточных про­цессах обмена веществ.

Большее значение при возникновении биоповреждений име­ют ферменты, выделяющиеся в окружающую среду, а не фермен­ты, функционирующие только внутри клетки.

В настоящее время известно более 200 ферментов. В соответ­ствии с принятой классификацией все ферменты делят на шесть классов: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы, 6) лигазы.

Разрушение материалов под влиянием ферментов происходит в результате различных реакций — окисления, восстановления, декарбоксилирования, этерификации, гидролиза и др. Особенно активное разрушающее действие на большинство материалов ока­зывают оксидоредуктазы, гидролазы и лиазы.

Оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные ферменты. В этот класс входят многочисленные ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции процессов энергетичес­кого обмена (дыхания, брожения) микроорганизмов.

Из оксидоредуктаз особую роль в разрушении многих промыш­ленных материалов играют оксигеназы. В первую очередь, к такого рода процессам относится биоразрушение гидрофобных, непо­лярных веществ типа углеводородов, а также материалов, образо­ванных циклическими соединениями. К оксигеназам принадле­жат ферменты, катализирующие непосредственное присоедине­ние кислорода к окисляемому субстрату. Такие реакции являются обычно первым этапом разрушения многих чужеродных веществ живой клеткой. Например, бактерии рода Pseudomonas катализи­руют разрыв индольного кольца.

Большое значение в процессах биодеструкции имеют и другие ферменты класса оксидоредуктаз — дегидрогеназы и олсидазы. Де-гидрогеназы катализируют реакции переноса водорода с одного соединения на другое. Термином «оксидаза» обозначаются фермен­ты, участвующие в реакциях, где акцептором водорода служит не­посредственно кислород. Дегидрогеназы катализируют окисление гидроксильных групп до альдегидных и далее до карбоксильных, а также образование ненасыщенных соединений из предельных.

В классе оксидоредуктаз специфическим характером действия отличаются пероксидаза и каталаза. Пероксидаза катализирует окис­ление перекисью водорода различных органических соединений — фенолов, аминов, гетероциклических соединений. У мицелиаль-ных грибов значительной пероксидазной активностью обладают представители родов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Alternaria, Cladosporium и т.д.

Каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород и катализирует также окисление перекисями различных спиртов и других соединений. Активны­ми продуцентами каталазы являются некоторые виды грибов рода Penicillium.

Гидролазы катализируют процессы расщепления и синтеза слож­ных органических веществ по типу гидролитических реакций с участием воды.

Важное место в биоповреждении промышленных материалов принадлежит ферментам класса гидролаз, ибо многие из них, будучи экзоферментами, участвуют в первичной подготовке пи­тательного субстрата к расщеплению и метаболизму. Гидролазы катализируют реакции расщепления сложных соединений на бо­лее простые с одновременным присоединением воды. Особый интерес в плане проблемы биоповреждений представляет подкласс эстераз. Они катализируют гидролитический разрыв эфирных свя­зей в различных соединениях.

В разрушении промышленных материалов, содержащих целлю­лозу (клетчатку) и другие углеводы, а также их производные, ак­тивное участие принимают ферменты группы гликозидаз (старое название — карбоангидразы). Расщепление клетчатки катализиру­ется комплексом ферментов — целлюлазой. Основу его составля­ют ферменты, гидролизующие связи между глюкозными остатка­ми в молекуле клетчатки с образованием целлобиозы и глюкозы.

Наиболее выраженной способностью синтезировать целлюло-литические ферменты обладают микроскопические грибы родов Alternaria, Trichoderma, Chaetomium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium и др. Различные виды целлюлозоразрушающих гри­бов способны расти и продуцировать целлюлазу лишь в опреде­ленных температурных пределах, чаще всего при +(28... 30) °С.

Особый интерес среди гидролаз представляют ферменты груп­пы протеиназ. Их основное действие — расщепление белков по месту амидных, т. е. пептидных связей (протеолитические фермен­ты). Однако некоторые из протеиназ обладают достаточно широ­кой субстратной специфичностью, т.е. малой избирательностью. Это дает основание предполагать возможность какого-то участия протеиназ микроорганизмов в деструкции полимерных материа­лов, в первую очередь содержащих амидные и эфирные связи: мочевиноформальдегидных полимеров, акриламидных, полиами­дов (капрон, нейлон) и полиуретанов (поролон).

Лиазы катализируют реакции негидролитического расщепле­ния органических веществ, сопровождаемые отщеплением от суб­страта тех или иных химических групп: СО₂, Н₂О, NH₃. При этом могут разрываться связи —С—С, —С—О, —С—N—, а отщепляе­мыми группами являются вода, углекислый газ, аммиак и др. Фер­менты этого класса характеризуются высокой специфичностью и избирательностью по_отношению к субстрату. Тем не менее, об­щая направленность их'действия дает основание предположить и возможность участия этих ферментов в деструкции синтетических материалов.

Трансферазы — ферменты переноса. Ферменты этой группы ка­тализируют перенос частей молекул или атомных группировок от одних соединений к другим. Известно много таких ферментов и их различают по тем группам, перенос которых они катализируют.

Изомеразы осуществляют превращение органических соедине­ний в изомеры, что связано с внутримолекулярным перемещени­ем радикалов, атомов, атомных группировок.

Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза сложных органических соединений из более простых.

Имеется четкое соответствие между видом поражаемого мате­риала и ферментативными свойствами виновников деструкции. У последних особенно активны бывают ферменты, расщепляю­щие основной тип связей в данном материале. Однако, в целом, в разрушении материалов участвуют многие ферменты. Несколько видов грибов и бактерий образуют биоценоз на материале, и био­химизм распада имеет сложный характер. Так, биодеструкция по­лимеров, в молекуле которых имеются амидные и сложноэфир-ные связи (полиамиды, полиуретаны, мочевиноформальдегидные смолы, полиэфиры), может происходить в результате поражения микроорганизмами, продуцирующими активные эстеразы и про-теолитические ферменты.

Разрушение промышленных материалов органическими кислота­ми. Сильнейшими агрессивными метаболитами микроорганизмов являются органические кислоты. Они вызывают быструю и глубо­кую деструкцию промышленных материалов как органических, так и неорганических, включая металлы.

Из культур плесневых грибов удалось выделить более 40 раз­личных органических кислот. Грибы рода Penicillium выделяют глав­ным образом лимонную и глюконовую кислоты, Aspergillus — ли­монную, глюконовую и щавелевую, а Мисог — янтарную, фума-ровую и щавелевую.

Обычно один и тот же вид гриба способен синтезировать раз­нообразные родственные кислоты. В зависимости от количества синтезируемых кислот все грибы можно разделить на три группы:

1) выделяющие в среду относительно большое количество органических кислот (например, Aspergillus niger);

2) продуцирующие небольшие количества кислот (большинство видов грибов);

3) выделяющие в среду ничтожно малые количества кислот (на­пример, Alternaria tenuis).

Чаще всего плесневыми грибами в больших количествах выде­ляются: лимонная, глюконовая, щавелевая, молочная, фумаровая, янтарная и яблочная кислоты.

Конкретные механизмы деструкции отдельных промышленных материалов органическими кислотами в большинстве случаев ис­следованы пока недостаточно. Отдельные типы полимерных мате­риалов отличаются по устойчивости к действию органических кис­лот. Наиболее устойчивы в этом отношении полиэтилен, поли­пропилен, полистирол, фенопласты, менее стойкие поливинилхлорид, полиметилакрилат и полиамидные смолы. Присутствие в пластмассах органических наполнителей, являющихся, как пра­вило, хорошим питательным материалом для плесневых грибов, способствует активному образованию ими органических кислот и тем самым усиливает разрушение материалов.

Органическим кислотам принадлежит ведущая роль в разруше­нии лакокрасочных покрытий. Повреждающее действие лимон­ной, винной и фумаровой кислот проявляется уже при достаточ­но низких концентрациях (0,09 — 0,4%). Сильными разрушителя­ми лакокрасочных покрытий являются пировиноградная, глюконовая, уксусная, щавелевая кислоты. Все органические кислоты вызывают интенсивную деструкцию разнообразных целлюлозосодержащих материалов.

Особого внимания заслуживает коррозия металлов под влия­нием органических кислот. В некоторых случаях под их действием металлы корродируют даже более интенсивно, чем при действии неорганических кислот. Коррозия емкостей с нефтепродуктами иногда является, видимо, результатом действия на алюминиевые сплавы органических кислот, образующихся при разложении неф­тепродуктов микроорганизмами.

Выделяемые микроорганизмами органические кислоты, фер­менты, пигменты и некоторые другие метаболиты вызывают су­щественные изменения физико-механических, диэлектрических и других свойств материалов, резко ухудшают их технологические параметры.