Глава 11. БИОДЕГРАДАЦИЯ ТОКСИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И УТИЛИЗАЦИЯ БИОМАССЫ
Еще сравнительно недавно ни у кого не возникало сомнений, что окружающая среда - земля, воздух, вода - всегда будут эффективно перерабатывать бытовые, промышленные, сельскохозяйственные отходы. Человечество столкнулось с двумя фундаментальными проблемами - переработкой отходов, постоянно образующихся в огромном количестве, и разрушением токсических соединений, десятилетиями накапливающихся в воде, почве, на свалках. Отходы сжигают, обрабатывают химикатами, но это лишь усугубляет загрязнение окружающей среды и, к тому же, дорого обходится. Разные страны пытаются решить эти проблемы законодательным путем, однако успеха здесь нет. В условиях НТП экосфера испытывает мощное антропогенное воздействие, в результате нарушается природная гармония, сложившаяся тысячелетиями, происходят заметные сдвиги в экосистемах, приводящие к исчезновению целых видов животных и растений, возникают новые формы микроорганизмов, нарушаются иммунные реакции человека.
В настоящее время проходят проверку многие технологические, в том числе биотехнологические приемы, с помощью которых возможно перерабатывать большие количества отходов и токсических веществ. Правительства многих стран поощряют предприятия, перерабатывающие отходы производства, повторно использующие содержащиеся в них полезные вещества.
Термин «биодеградация» относится к процессу разрушения загрязняющих веществ, попавших в окружающую среду, с помощью живых микроорганизмов. Термин «биомасса» - к совокупности веществ и материалов, побочных продуктов пищевой, перерабатывающей промышленности, ранее считавшихся отходами, ставших сырьем для производства ряда экономически важных продуктов.
В середине 1960-х гг. были обнаружены почвенные микроорганизмы, способные деградировать ксенобиотики (гербициды, пестициды, хладагенты, органические растворители и т.д.). Основную группу почвенных микроорганизмов, разрушающую ксенобиотики, составляют бактерии рода Pseudomonas, разные штаммы которых способны расщеплять более 100 органических соединений.
В биодеградации сложной органической молекулы обычно участвуют несколько разных ферментов. Гены, кодирующие такие энзимы, могут иметь хромосомную локализацию, но чаще всего входят в состав крупных плазмид, иногда локализуются и в хромосомной, и в плазмид-ной ДНК.
Бактерии, разрушающие негалогенированные ароматические соединения, как правило, превращают их в катехол или протокатехоат. Затем, в ходе нескольких реакций окислительного расщепления, - в ацетил-СоА и сукцинат или пируват и ацетальдегид, последние метаболизиру-ют практически все микроорганизмы.
Галогенированные ароматические соединения, основные компоненты большинства пестицидов, гербицидов, с помощью этих же ферментов разрушаются до катехола, протокатехоата, гидрохинона или их га-логенированных производных; причем скорость их деградации обратно пропорциональна числу атомов галогена в исходном соединении. Дега-логенирование (отщепление замещенного атома галогена от органической молекулы) необходимо для детоксикации соединения. Дегалоге-нирование осуществляется по ходу неспецифической диоксигеназной реакции замещением галогена в бензольном кольце на гидроксильную группу.
11.1. Метаболические пути биодеградации ксенобиотиков, созданных методом генной инженерии
Ряд микроорганизмов обладает природной способностью к деградации различных ксенобиотиков, однако:
-ни один из них не может разрушать все органические соединения;
-некоторые органические соединения при высокой концентрации подавляют функционирование или рост микроорганизмов, их деградирующих;
-большинство очагов загрязнения содержат смесь химикатов; микроорганизм, способный разрушать один или несколько компонентов этих смесей, может инактивироваться другими компонентами;
-многие неполярные соединения адсорбируются частицами почвы и становятся менее доступными;
-биодеградация органических соединений происходит довольно медленно.
Часть этих проблем решает конъюгированный перенос плазмид в один рецепиентный штамм. Если две плазмиды содержат гомологичные участки, между ними может произойти рекомбинация с образованием гибридной плазмиды, которая имеет больший размер и обладает свойствами исходных плазмид. Если две плазмиды не содержат гомологичных участков и относятся к разным группам несовместимости, они могут сосуществовать в одной бактерии.
В 1970 г. был создан первый бактериальный штамм, обладающий более широкими катаболическими возможностями. Он расщеплял большинство углеводов нефти и был назван «супербациллой». Для его получения использовали плазмиды, каждая из которых кодировала фермент, расщепляющий определенный класс углеводородов (рис. 22).
Конъюгацией была перенесена плазмида САМ в штамм, несущий плазмиду ОСТ. Эти плазмиды несовместимы (не могут существовать в одной клетке в виде отдельных плазмид), но в результате произошедшей между ними рекомбинации образовалась одна плазмида, объединяющая их функции. Затем плазмиду NAH перенесли в штамм, несущий плазмиду XVL; эти плазмиды совместимы и могут сосуществовать в одной клетке-хозяине. Наконец, гибридную плазмиду перенесли в штамм, несущий плазмиды NAH и XVL. В результате этих манипуляций получили штамм, растущий на неочищенной нефти лучше исходных штаммов, взятых по отдельности или вместе. Этот штамм не использовали для ликвидации нефтяных загрязнений, но он сыграл важную роль в становлении биотехнологической промышленности. Изобретатель «супербациллы» получил патент США, описывающий структуру данного штамма и возможности его применения. Это был первый патент на создание генетически модифицированного микроорганизма.
Большинство разрушающих ксенобиотики бактерий, модифицированных переносом плазмид, являются мезофилами. Вода загрязненных рек, озер обычно имеет низкий диапазон температур, поэтому была создана бактерия, обладающая более широкими катаболическими возможностями, способная расти и развиваться при более низких температурах. Для этой цели плазмиду TOL (детерминирует разрушение толуола) методом конъюгации перенесли в психрофильный штамм Pseudomonas putida, утилизирующий салицилат при температуре О °С. Трансформированный штамм содержал введенную в него плазмиду TOL и собственную плазмиду SAL, детерминирующую при О °С разрушение сали-цилата и толуола как источников углерода. Психрофильный штамм не-трасформированного типа не мог расти при любой температуре, если единственным источником углерода был толуол. Эта работа показала принципиальную возможность создания психрофильных штаммов бактерий, эффективно разрушающих ксенобиотики в природных условиях.
Объединение разных метаболических путей в одном микроорганизме с помощью конъюгации - это лишь один из способов создания бактерий с новыми свойствами. Можно расширить их катаболические возможности, модифицируя гены, кодирующие ферменты того или иного метаболического пути. Совершенствование того или иного катаболиче-ского пути реально с помощью технологии рекомбинантных ДНК, традиционного мутагенеза и соответствующих методов отбора.
Одним из наиболее распространенных веществ, загрязняющих почву и воздух, является трихлорэтилен, широко использующийся в качестве растворителя и обезвоживающего средства. Трихлорэтилен длительное время остается в окружающей среде, считается канцерогенном; к тому же, анаэробные почвенные бактерии дегалогенируют его, превращая в еще более токсичное соединение — винил хлорид.
Некоторые штаммы P. putida, разрушающие такие ароматические соединения, как толуол, разрушают и трихлорэтилен. Генетическими исследованиями установлено, что для полной детоксикации трихлорэ-тилена не нужны все ферменты расщепления ксилола и толуола, достаточно лишь толуолдиоксигеназы, которая в норме катализирует реакцию окисления толуола до цис-толуолдигидродиола. Образование функциональной толуолдиоксигеназы кодируется четырьмя генами; их выделили и экспрессировали в Е. coli под контролем сильного промотора, который активируется изопропил-B-D-тиогалакто-пиранозидом, в результате трихлорэтилен разлагается до безвредных соединений. Исходная скорость деградации трихлорэтилена в Е. coli ниже, чем Р. putida, но она более длительно сохраняется в Е. coli.
Дата добавления: 2016-02-24; просмотров: 1333;