Біодеградація ксенобіотиків

У видаленні ксенобіотиків з навколишнього середовища важливі декілька факторів: стійкість ксенобіотиків до різних впливів; розчинність їх у воді; летючість ксенобіотиків; рН середовища; здатність ксенобіотиків надходити в клітини мікроорганізмів; подібність ксенобіотиків і природних сполук, які піддаються природній біодеградації.

Для біодеградації ксенобіотиків краще використовувати асоціації мікроорганізмів, тому що вони більш ефективні, ніж окремо взяті види. При цьому типи зв'язків у подібній асоціації можуть бути різні. Один вид мікроорганізмів може безпосередньо брати участь у розкладанні ксенобіотиків, а інший – поставляти відсутні поживні речовини. Це може бути метаболічна «атака» на субстрат, коли синтезуються різні компоненти ферментативного комплексу, або ж ланцюжок ферментативних реакцій (багатосубстратні конверсії) і т.д.

Особливо важко розкладаються такі біоциди, як детергенти, пластики й вуглеводні. Самими здатними до боротьби із забруднювачами різного типу є представники роду Pseudomonas – вони практично «всеїдні». Клітини цих мікроорганізмів містять оксидоредуктази й гідроксилази, здатні розкладати велику кількість молекул вуглеводнів й ароматичних сполук, таких як бензол, ксилол, толуол. Гени, що кодують ці ферменти, перебувають у складі плазмід. Наприклад, плазміда OCT відповідає за розкладання октану й гексану, XYL – ксилолу й толуолу, NAH – нафталіну, CAM – камфори. Плазміди САМ й NAH забезпечують власне перенесення, індукуючи схрещування бактеріальних клітин; інші плазміди можуть бути перенесені тільки в тому випадку, якщо в бактерії уведені інші плазміди, які забезпечують схрещування.

У 1979 р. Чакрабарті (на той час разом з компанією «Дженерал електрик») після успішних схрещувань одержав штам, який містить плазміди XYL й NAH, а також гібридну плазміду, отриману шляхом рекомбінації частин плазмід САМ й ОСТ (самі по собі вони несумісні, тобто не можуть співіснувати як окремі плазміди в одній бактеріальній клітині). Цей штам здатний швидко рости на неочищеній нафті, тому що він метаболізує вуглеводні набагато активніше, ніж кожний зі штамів, що містять тільки одну плазміду. Штам може бути особливо корисний в очисних водоймах для стічних вод, де можна контролювати температуру й інші зовнішні фактори.

Ці мікроорганізми зручно використовувати для очищення нафтових плям на суші або морі при різних аваріях. Для більшої ефективності створюють мікроемульсію, яка містить бактеріальні штами й капсули із сумішшю основних поживних елементів – азоту, фосфору й калію усередині. Додавання цих речовин стимулює розмноження бактеріальних штамів. Застосування такого методу дозволяє очистити від 70 до 90% забрудненої поверхні, за цей же час очищається всього порядку 10 – 20% неопрацьованої поверхні.

Перевага бактеріального очищення в порівнянні з хімічним у тому, що воно не викликає появи нового забруднюючого агента в навколишньому середовищі. Щільність фітопланктону після бактеріального очищення підвищується. Деякі мікроорганізми здатні змінювати молекулу ксенобіотика й робити її доступною й привабливою для інших мікроорганізмів («кометаболізм»). Прикладом може служити розкладання інсектициду паратіону під дією двох штамів Pseudomonas – P. aeruginosa й P. stuzeri. У деяких випадках відбувається неповне перетворення молекули ксенобіотика – фосфорилювання, метилювання, ацетилування й т.д., результатом якого є втрата цією речовиною токсичності.

Одним із сильних забруднювачів є ЕДТО (етилендіамінтетраоцтова кислота). Причина в тому, що ЕДТО зв'язує важкі метали, сприяючи їхньому нагромадженню в ґрунті. Бактерії родів Pseudomonas й Bacillus здатні за два тижні зруйнувати всі зв'язки комплексу Fe–ЕДТО. Ці бактерії успішно застосовуються для очищення побутових стічних вод, куди попадають детергенти миючих засобів. Крім Pseudomonas, біодеградацію ксенобіотиків можуть здійснювати й представники родів Acinetobacter, Metviosinus.

Однак, у деяких випадках внесення цих мікроорганізмів у ґрунт може змінити екосистему місцевості. Уникнути цього можна обмежуючи час життєдіяльності бактерій. Наприклад, опромінюючи штами ультрафіолетом, одержали мутант, ауксотрофний за лейцином. Бактерії розмножують у поживному середовищі, яке містить лейцин. Суспензією мікроорганізмів у просочують деревну стружку, яку розкидають по забрудненій території. Кількість лейцину розраховується на час, достатній для знищення шкідливих домішок, тому після повного використання лейцину в поживному середовищі і очищення території мутантні штами гинуть.

Ще ефективніше, ніж бактерії, справляються з ґрунтовими забруднювачами гриби. Вони можуть руйнувати такі речовини, як пентахлорбензол, пентахлофенол. В одному з експериментів грибами обробили близько 10000 тонн ґрунту з території деревопереробного комплексу. У цьому ґрунті вміст пентахлорфенолу досягав 700 мг/кг, але за рік діяльності він знизилося до 10 мг/кг, що є припустимою нормою. Бактерії змогли б переробити цей ґрунт лише за 4 – 5 років. Гриби активні й узимку, руйнують високомолекулярні поліароматичні вуглеводні, діють позаклітинно, виділяючи неспецифічні ферменти. Вартість грибного й бактеріального очищення однакові, але застосування грибів дозволяє скорочувати строки деградації й істотно здешевлює його.