МИКРООРГАНИЗМОВ-Деструкторов

Загрязнение окружающей среды происходит в результате выброса разнообразных ксенобиотиков, многие из которых плохо подвержены деструкции или биотрансформации во внешней среде. Эти вещества накапливаются в почве и воде, что приводит к отрицательному влиянию на природную флору и фауну.

Долго бытовало ошибочное убеждение, что природные сообщества микроорганизмов (консорциумы) способны усваивать все органические соединения, и поэтому возможной ощутимой токсичности по отношению к человеку и животным подобных соединений первоначально не придавали должного значения (например, в отношении пестицидов или гербицидов). Существовало мнение, что в результате повсеместного присутствия микроорганизмов в окружающей среде и их большого катаболического потенциала любое соединение, попавшее в биосреду, будет полностью минерализовано. Эта точка зрения изменилась с появлением неразлагаемых пестицидов, таких, как дихлордифенилтрихлоретан (ДДТ) (Мюллер, 1940), и сведений о накоплении их в огромных концентрациях в организме животных и человека. Ниже приводится пример увеличения концентрации ДДТ в живых организмах в ряду последовательных трофических уровней (звеньев пищевой цепи) водной экосистемы:

Водная среда (1 ед.)

¯

Фитопланктон

¯

Зоопланктон

¯

Мелкая рыба (10⁶ ед.)

¯

Крупная рыба

¯

Хищные птицы (10⁸ ед.)

Судьба токсичных соединений в окружающей среде предопределена рядом физических, химических и биологических факторов.

Тип почвы, ее минеральный и органический состав, влажность, содержание О₂, температура оказывают влияние на скорость деградации как в результате небиологических процессов (таких, как адсорбция, окисление, гидролиз), так и под влиянием микроорганизмов, присутствующих в почве. Например, деградация гербицида далапона в суглинках осуществляется преимущественно за счет деятельности бактерий, а в иле и глине в этих процессах участвуют многие грибы.

На скорость разложения ксенобиотика влияет его химическая структура. При попадании в окружающую среду ксенобиотики могут разлагаться либо полностью, либо происходит их частичная деградация, либо происходит накопление этих веществ в природной среде. Соединения, которые подвергаются полной деградации, т.е. минерализации до диоксида углерода (СО₂), воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, обычно проходят весь метаболический путь и могут использоваться в качестве источника углерода и энергии микроорганизмами.

Некоторые соединения (например, монохлорацетат) не являются субстратом для роста микроорганизмов, т.е. поначалу он не разлагается микробами. Но существуют микроорганизмы, которые могут вначале катализировать процесс превращения монохлорацетата в 2-монохлорпропионат, а уже затем обеспечивают трансформацию, отщепляя галогены. Осуществляется этот процесс микроорганизмами рода Pseudomonas, в частности Ps. putida.

Различные типы почв, водных и воздушных сред характеризуются своим консорбциумом (сообществом) микробных популяций. Именно благодаря этой гетерогенности природных популяций многие ксенобиотики способны подвергаться биодеградации во внешней среде. При этом часто один вид организмов осуществляет один этап (определенную стадию) разложения, а следующий осуществляет другой, и так до полного разложения (до полной минерализации). В такой последовательности ферментативных реакций продукт первого превращения становится субстратом для последующего и т.д. Происходит так называемая синергическая деградация ксенобиотиков. Синергическая деградация препятствует появлению токсичных промежуточных продуктов разложения, т.к. процесс идет до СО₂ и Н₂О.

Благодаря возможностям микробных сообществ разрушать токсичные вещества, микроорганизмы могут быть использованы для борьбы с загрязнениями окружающей среды, особенно органическими соединениями, в частности галогенорганическими.

Галогенорганические соединения являются одной из крупнейших групп загрязнителей природной среды. Они высокотоксичны, накапливаются в организме и устойчивы. Среди них всевозможные растворители, краски, лаки, гербициды и т.п. Эти соединения часто попадают в окружающую среду прямо или косвенно; их токсичность привела к тому, что многие из них включены в список основных загрязнителей окружающей среды. Причиной устойчивости и токсичности этих соединений является труднорасщепляемая галогенуглеродная связь. Наличие дополнительных заместителей - галогенов в молекуле превращает соединение, которое могло расщепляться микроорганизмами, в устойчивое.

?????????????

Однако отдельные распространенные в природе микроорганизмы могут метаболизировать эти соединения. Встречающиеся в природных условиях галогенсодержащие яды, помимо вносимых человеком, являются метаболитами грибов, бактерий, водорослей и млекопитающих. Механизм детоксикации осуществляется с помощью реакций ацилирования, дегалогенирования, хотя эти механизмы трансформации ксенобиотиков в начальном периоде интоксикации окружающей среды могут быть неэффективными. Со временем этот процесс может обеспечиваться за счет сверхпродукции индуцибельных ферментов или благодаря популяционной мутационной изменчивости микроорганизмов, приводящей с созданию фермента с измененной субстратной специфичностью. Дальнейшая адаптация может произойти благодаря адаптивной перестройке микроорганизмов.

Огромные возможности природных микробных сообществ в отношении биодеградации новых химических соединений известны давно. Заслуживает внимания то обстоятельство, что при повторном попадании нового соединения в окружающую среду период подготовки к его расщеплению уменьшается по сравнению с периодом при первом попадании. В течение этого периода подготовки к деградации вещества популяция микроорганизмов адаптируется или селектируется на способность деградировать соединение. Это приводит к распространению популяции, которая может затем сохраняться до 3-х месяцев после истощения субстрата. Таким образом, к моменту поступления следующих порций каких-то токсичных или химических соединений микроорганизмы, способные к разложению этих веществ, уже присутствуют в популяции и, следовательно, деградация начинается раньше.

Микроорганизмы, которые способны разрушать галогенорганические соединения, были выделены из почвы. Это микроорганизмы, которые в состоянии расщеплять галогенуглеродные связи с помощью ферментов делагогеназ. Эволюция природных популяций микроорганизмов в условиях загрязнения природной среды веществами с галогенуглеродной связью была направлена на то, чтобы селектировать или отбирать те микроорганизмы, которые обладают повышенным уровнем дегалогеназ. В ряде случаев выделяемые штаммы микроорганизмов обладают более чем одной активной формой дегалогеназ. Как известно, в генетическом плане в природе у микроорганизмов происходит случайное, ненаправленное изменение генетического материала, но как только происходит требуемая для данных условий (“удачное” сочетание генов) мутация, то “новый” микроорганизм получает селективное преимущество, т.е. природными условиями осуществляется отбор полезных генетически измененных микроорганизмов. Таким образом, в процессе эволюции в окружающей среде, в частности в почве, создались новые популяции микроорганизмов, с помощью которых можно бороться с загрязнением почв.

В результате интенсификации применения пестицидов в почве растет количество неорганических ионов, в то время как концентрация полезных органических веществ снижается. Почва все больше загрязняется и катионами тяжелых металлов. Ученые предсказывают, что возможность очистки почв от тяжелых металлов может быть найдена, и эти надежды связываются с почвенными микроорганизмами. Пока еще этот вопрос в стадии изучения и, возможно, такие микроорганизмы удастся получить с помощью генетических манипуляций.

Серьезным и стойким загрязнением почвы является нефть. Естественная почвенная микрофлора способна разрушать и такие загрязнения. Исследования по рекультивации загрязненной нефтью почвы включали смешивание загрязненной почвы с сосновой корой, то есть использовали микроорганизмы, существующие на поверхности коры и адаптированные к росту на сложных углеводородах, входящих в состав сосновой смолы, а также на способности коры адсорбировать нефтепродукты. Этот метод называется “микробное восстановление загрязненной почвы”. В этом методе используются природный сорбент и природная микрофлора.

Значительную угрозу окружающей среде представляют неочищенные сточные воды.

Существует проблема загрязнения почв и твердыми отходами, которые образуются при защите от загрязнений водных систем. Речь идет об использовании активного ила, который образуется при переработке сточных или канализационных вод. По данным авторитетных источников, в Великобритании до 40% от ежегодных расходов на утилизацию сточных вод приходится на переработку и ликвидацию ила. В странах ЕЭС до 30% произведенного ила применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве, так как ил по содержанию азота, фосфора, калия не уступает навозу. Но применение ила или ликвидация его путем закапывания в почву осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и присутствием токсичных элементов. В активном иле часто находят сальмонеллу и бычий цепень, хотя могут присутствовать и другие патогенные виды. Бактерии рода Salmonella вызывают заболевание сальмонеллез. Представляют опасность и гельминты, вызывающие гельминтозы. Борьба с распространением этих заболеваний через ил основана на стабилизации ила, т.е. на сбраживании ила с помощью микробов и на других методах.

В иле содержатся и ионы тяжелых металлов, концентрация которых, как известно, не должна превышать определенный безопасный предел, после которого ионы тяжелых металлов вызывают нежелательные последствия. Отрицательное воздействие ионов тяжелых металлов в почве объясняется двумя типами токсического воздействия: фитотоксичностью, которая снижает количество и качество урожая, и зоотоксичностью, при которой металлы накапливаются в растениях до уровня, делающего их токсичными к моменту использования в качестве пищи. Металлом, наиболее накапливающимся, является кадмий, а именно он накапливается в растениях. Другие металлы (медь, цинк, никель) преимущественно фитотоксичны.

Таким образом, при захоронении ила в почву должен осуществляться строгий контроль за содержанием патогенных бактерий и ионов тяжелых металлов. Естественным в такой ситуации является вопрос: “Каким образом избавиться от металлов в иле, как проводить его детоксикацию?”. В настоящее время используются процессы детоксикации ила, когда ионы металлов удаляют с помощью подкисления, дальше проводят их ресорбцию на специальных биополимерах. Если бы удалось полностью расшифровать механизм реакций связывания ионов металла полимером, то можно было бы получать биологические полимеры, которые будут подобны бедным рудам, и из этих биополимеров можно будет извлекать металл.

Это один из возможных путей обезвреживания твердых отходов, но самым перспективным представляется метод обезвреживания с использованием микроорганизмов и их сообществ. Твердые отходы - это не только ил. Сюда входят коммунальные отходы, отходы сельского хозяйства, и для их переработки в будущем возможно использование не только микроорганизмов, но и других биологических объектов, то есть речь идет о биологических методах в экологии и охране окружающей среды.

Как известно, для уничтожения насекомых, сорняков, болезнетворных микробов в сельском хозяйстве широко используются пестициды. Более того, современное сельское хозяйство немыслимо без применения пестицидов. Однако даже широкое применение пестицидов не обеспечило полную защиту сельскохозяйственных культур, так как многие болезни и сорняки продолжают развиваться. Кроме этого, вредители постепенно вырабатывают устойчивость, или резистентность, к определенным инсектицидам и фунгицидам. Например, быстро размножающиеся насекомые становятся устойчивыми к инсектицидам за короткое время. Привыкание ведет к необходимости применения более высоких доз для эффективности обработки, что влечет нежелательные последствия.

Актуальная задача - поиск и применение взамен химическим препаратам биологической альтернативы для уничтожения вредителей. Применение биологических агентов для уничтожения вредителей известно давно (например, использование. муравьев для уничтожения вредителей в зернохранилищах, насекомоядных птиц для уничтожения красной саранчи, домашних кошек -“первого биологического средства” - для борьбы с крысами и др.). “Классическая” форма биологической борьбы с вредителями определяется как введение специфического самовоспроизводящегося и способного искать хозяина паразита или хищника из экзотического источника, который будет дополнять окружающую флору и фауну и таким образом поддерживать вид-вредитель на субэкономическом уровне. Существует такое понятие, как “ усиленный биологический контроль ”. Это селективное использование, введение или поддержание биологических агентов для подавления вредителей (в Великобритании, например, в питомниках по выращиванию огурцов теперь пользуются фактически только биологическими средствами защиты от вредителей).

Биологические средства защиты имеют перспективность, так как производство и использование химических препаратов, обладающих высокой устойчивостью и токсичностью, будут ограничиваться; во-вторых, уже в настоящее время существенно расширились возможности биотехнологии: клеточная, генная и белковая инженерия, производство бактериальных токсинов, рост знаний в области экологии вирусов и бактерий и др. Это непременно приведет к разработке и широкому применению биопестицидов.