БІОТЕХНОЛОГІЯ - Іншина Н.М. - 2009

РОЗДІЛ 6. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОХОРОНИ ДОВКІЛЛЯ

Біодеградація ксенобіотиків

Однією з важливих проблем захисту біосфери є біодеградація ксенобіотиків - руйнування складних речовин у результаті діяльності живих організмів.

Ксенобіотики (з грецької xenos - «чужий») — це неприродні, синтетичні сполуки. Більшість ксенобіотиків токсичні, проявляють мутагенну, канцерогенну та алергенну дію. У видаленні ксенобіотиків з навколишнього середовища відіграють роль такі фактори: pH середовища, стійкість ксенобіотиків до руйнівної дії, їх розчинність у воді, леткість, здатність надходити у клітини мікроорганізмів, подібність ксенобіотиків до природних сполук, що підлягають біодеградації. Найважче розкладаються детергенти, пластики та вуглеводні.

У середині 60-х років XX ст. у грунті були виявлені мікроорганізми, здатні здійснювати деградацію ксенобіотиків (гербіцидів, пестицидів, детергентів, розчинників та in.). Найпоширенішими мікроорганізмами, що очищують воду, повітря і ґрунт, є бактерії роду Pseudomonas. Біохімічні дослідження засвідчили, ідо різні штами Pseudomonas здатні розщеплювати понад 100 органічних сполук. Так, Pseudomonas putida руйнує толуол і трихлоретилен. Трихлоретилен є одним із найпоширеніших забруднювачів Грунту і води. Ця сполука використовується як розчинник і має канцерогенну дію. Основними компонентами пестицидів і гербіцидів є галогенопохідні ароматичних сполук. Під дією бактерій ці речовини перетворюються на катехол, гідрохінон або їх галогенопохідні. Швидкість їх деградації зворотно пропорційна числу атомів галогену у вихідній сполуці. Негалогеновані ароматичні сполуки бактерії перетворюють па катехол, а далі — на проміжні продукти обміну (піровиноградну кислоту й ацетальдегід).

Здатність бактерій розкладати ксенобіотики обумовлена наявністю в їх клітинах специфічних ферментів (оксидоредуктаз, гідроксилаз), що окислюють вуглеводні та ароматичні сполуки: бензол, толуол, ксилол. Гени цих ферментів містяться у складі плазмід. Жоден мікроорганізм не може зруйнувати всі органічні сполуки, тому з допомогою методів генної інженерії створюються бактерії, що містять плазміди кількох штамів і мають широкий спектр дії.

У 1979 р. професор Ананда Чакрабарті створив перший бактеріальний штам з ширшими катаболічними можливостями. Цей штам розщеплював більшість вуглеводнів нафти і був названий «супербацилою». Для його одержання були використані плазміди, кожна з яких кодує фермент, що розщеплює певні вуглеводні: плазміда САМ забезпечує деградацію камфари, ОСТ — октану і гексану, NAH - нафталіну, XYL — ксилолу і толуолу. Схема одержання бактеріального штаму, здатного утилізувати нафту, зображена на рис. 6.2.

Утворений новий штам був здатний рости на неочишеній нафті краще, ніж вихідні штами. У 1981 р. Чакрабарті одержав перший патент США на створення генетично модифікованого мікроорганізму. Ця подія стимулювала подальший розвиток біотехнології.

Рис. 6.2. Одержання бактеріального штаму, здатного утилізувати нафту

Сьогодні мікроорганізми застосовують для біодеградації нафти під час техногенних катастроф. Підраховано, що за рік у моря потрапляє приблизно 6 мли т нафти. Для більшої ефективності утилізації нафти створюють мікроемульсію, що містить бактеріальні штами і капсули із сумішшю сполук - джерел Нітрогену, Фосфору і Калію. Додавання цих речовин стимулює розмноження бактерій. Біопрепарати на основі бактерій роду Pseudomonas ефективно утилізують нафту і нафтопродукти (мазут, дизельне паливо, бензин) у широкому діапазоні температур (8 — 35°С) і pH середовища (3,5 -10).

Встановлено, що для біодеградації ксенобіотиків ефективнішим є використання асоціацій мікроорганізмів, ніж їх окремих видів. Деякі мікроорганізми здатні змінювати молекулу ксенобіотика таким чином, що вона стає доступним джерелом енергії для інших мікроорганізмів (кометаболізм). У деяких випадках відбувається хімічна модифікація ксенобіотиків (фосфорилювання, метилювання, ацетилювання та ін.), що призводить до зменшення або втрати їх токсичності.

Найнебезпечнішим забруднювачем довкілля є ЕДТА (етилендиамінтетраацетат). Цю сполуку широко використовують як детергент у складі синтетичних миючих засобів. ЕДТА зв’язує іони важких металів і сприяє їх накопиченню у ґрунті. Бактерії родів Pseudomonas і Bacillus здатні руйнувати комплекс Fe-ЕДТА. Ці бактерії застосовують для очистки побутових стічних вод і грунту від детергентів миючих засобів.

Крім бактерій Pseudomonas та Bacillus, біодеградацію ксенобіотиків можуть здійснювати представники родів Acinebacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Sphingomonas, Rodococcus, Nocardia, Arthrobacter. Деякі бактерії містять фермент цианідгідратазу, що здійснює руйнування цианідів.

В Інституті біотехнології в Лейпцизі (Німеччина) виділені штами бактерій, що поглинають і відкладають у своїх клітинах ртуть.

Для очищення води від Феруму використовують залізобактерії, яких на сьогодні відомо більш ніж 20 видів. Згідно із санітарними нормами вміст Феруму у воді не повинен перевищувати 0,3 мг/л. У річній чи ставковій воді вміст Феруму коливається в межах від 0,01 до І мг/л. Залізобактерії ефективно окиснюють Fe²¹⁺ до Fe³⁺, що дає можливість видаляти нерозчинні сполуки Феруму з води.

Крім бактерій, біодеградацію ксенобіотиків здійснюють гриби таких родів, як: Penicillium, Aspergillus, Trichodenna, Fusarium, Phanerochaete. Встановлено, що гриби ефективніше утилізують ксенобіотики, ніж бактерії. Деякі гриби можуть руйнувати ароматичні сполуки — пентахлорбензол і пентахлорфепол. В одному з експериментів грибами було оброблено 10 000 т грунту з території деревообробного комплексу, забрудненого цими сполуками. Вміст пентахлорфенолу у ґрунті становив 700 мг/кг. Через один рік він знизився до 10 мг/кг, що є допустимою нормою. Таким чином, протягом одного року гриби зменшили концентрацію ксенобіотиків у грунті у 70 разів. Бактерії змогли б очистити фунт лише через 4-5 років. Руйнування ароматичних вуглеводнів гриби здійснюють позаклітинно, вони активні навіть узимку. Підраховано, що вартість грибної і бактеріальної очистки грунту однакова, але під час застосування грибів значно скорочуються терміни біодеградації ксенобіотиків.

Таким чином, мікроорганізми широко використовують для ефективного й економічно раціонального руйнування токсичних хімічних відходів. Перевагою мікробіологічної очистки над хімічною є те, що вона не призводить до появи у навколишньому середовищі нового забруднюючого агента.