Факторы окружающей среды и биодоступность ксенобиотиков

Условия окружающей среды играют важную роль в процессе деградации ксенобиотиков микроорганизмами-деструкторами.

Биодоступность и активность биодеградации соединения ограничивают следующие факторы.

1. Неоптимальное значение или отсутствие какого-либо фактора, необходимого для роста микроорганизмов-деструкторов:

- низкая концентрация ксенобиотика для индукции ферментов метаболизма; - физическая недоступность загрязнения из-за его адсорбции, связывания, механического включения, низкой растворимости; - недоступность акцепторов электронов или косубстратов; - дефицит элементов питания; - неоптимальные температура, влажность, pH, Eh и др.

2. Инактивация необходимых внеклеточных ферментов.

3. Токсичное действие окружающей среды, обусловленное токсичностью ксенобиотика или органическими ингибиторами, генерируемыми другими биологическими системами, а также токсинами микроорганизмов.

Для биоремедиации загрязненных сред важное значение имеет концентрация поллютанта. Чем выше концентрация загрязнения, тем оно дольше будет находиться в окружающей среде. Если его концентрация превышает уровень токсичности для микроорганизмов, то биодеградация замедляется или прекращается. Существует и минимальный пороговый уровень концентрации субстрата-загрязнителя, ниже которого его недостаточно для жизнедеятельности биодеструкторов.

Невозможность размножения микроорганизмов-деструкторов при низких концентрациях ксенобиотиков – одна из причин недеградируемых остаточных концентраций этих поллютантов.

Физическая недоступность загрязнения.

Биодоступность органических загрязнителей обусловлена их сродством к водной, минеральной или газовой фазам среды. Адсорбция загрязнения на поверхности и в твердой фазе, механическое включение в почву, низкая растворимость и связанные остатки, образующиеся в результате химических реакций, пространственно разделяют сорбированное соединение и биологический агент, уменьшают поверхность их контакта и биодоступность ксенобиотика.

Гидрофобные загрязнения сорбируются на органическом веществе почвы. Гуминовые и особенно фульвокислоты, а также минерал монтмориллонит снижают биодоступность органических загрязнителей в почве. Ионизированные молекулы поллютантов сорбируются как на органическом материале, так и на глинистых частицах почвы. В сорбцию поллютантов вовлечена и почвенная микрофлора. При физическом связывании биодоступность субстрата зависит от скорости обмена между субстрат-содержащей частицей и ее окружением. Скорость обмена, как правило, ниже физиологических возможностей популяций потенциальных биодеструкторов.

Недоступность акцепторов электронов или косубстратов.

Использование ксенобиотика-субстрата микроорганизмами сопряжено с потреблением окислителя (акцептора электронов), либо восстановителя (донора электронов). Их дефицит в среде может ограничивать биодеструкцию. В аэробных условиях в качестве окислителя выступает кислород воздуха, в аноксичных - NO3", SO42~, Fe3+, Mn4+ и др. Восстановленные неорганические соединения (NH/, NCV, сульфиды металлов, H2S, Fe2+, Mn2+ и др.) участвуют в энергетическом обмене в качестве донора электронов. Эти соединения можно использовать в системах биологической деструкции, но в больших концентрациях они выступают как контаминанты, что ограничивает их применение в тех случаях, когда снабжение среды кислородом затруднено или деградация ксенобиотика более эффективно протекает в анаэробных или аноксичных условиях.

Дефицит элементов питания. Для эффективного роста микроорганизмам-деструкторам необходимы биогенные элементы азот и фосфор. Дополнительное внесение этих макроэлементов требуется в системах биологической очистки сточных вод, при биоремедиации песчаных и супесчаных почв, разложении больших масс контаминантов, бедных биогенными элементами. Исходя из элементного состава микроорганизмов, оптимальное соотношение С: N: Р определяется как 100-200: 10-20: 1-3..

Сорбция минерального азота и фосфора на поверхности почвенных частиц и водных коллоидов может уменьшить их доступность для биодеструкторов. Особенно большие сложности в снабжении питанием микроорганизмов возникают при очистке глинистых почв. Технологии ремедиации этих почв малоэффективны. В связи с этим предложен биоэлектрокинети- ческий метод, при котором биогенный элемент или акцептор электронов мигрируют в результате создания разности электрического потенциала между источником необходимого элемента и зоной его доставки.

Температура. Для эффективных процессов биоремедиации и биоочистки температура - один из наиболее важных факторов окружающей среды.

В биокинетической зоне в диапазоне биологически допустимых температур при повышении температуры на 10° скорость биодеструкции увеличивается приблизительно в 1,5-2 раза. Оптимальная температура для большинства микроорганизмов-биодеструкторов 30-37 °С. Косвенное влияние температуры проявляется в изменении растворимости загрязнителя в воде, степени летучести и сорбции загрязнений в соответствии с уравнениями Вант-Гоффа и Аррениуса.

Применение повышенных температур при биоочистке - один из приемов увеличения биодоступности загрязнителя. Для этого используют термофильные микроорганизмы, разлагающие загрязнитель при 60-70 °С. Процесс может протекать при компостировании органического материала, загрязненного ксенобиотиком, или в комбинированном методе ремедиации почвы с одновременной отдувкой загрязнений нагретым водяным паром.

Влажность. Для биодеградации в почвенных средах необходима влага.

Для аэробных микробиологических процессов оптимальная влажность почвы - 40-80% полной влагоемкости. Содержание воды в почве влияет на скорость биодеградации в результате воздействия на жизнеспособность и активность почвенных микроорганизмов, структуру почвы и доступность загрязнения.При влажности от 75 до 100% (г воды на г сухой почвы) и выше возможно замедление скорости биодеградации вследствие уменьшения скорости переноса кислорода воздуха в почву и создания анаэробных условий.

Оптимальная влажность -20% (г/г) или примерно 80% полной влагоемкости почвы и в значительной степени зависит от фракционного состава почвы, особенно от доли глинистой фракции.

Жизнедеятельность микроорганизмов замедляется по мере иссушения почвы. В ней возрастает концентрация электролитов, что влияет на давление воды в порах и активность биологических процессов. Одновременно с уменьшением содержания воды увеличивается поверхность контакта почва - загрязнение и уменьшается биодоступность контаминанта.

Активная кислотность. Оптимальный рН среды для большинства бактерий-биодеструкторов находится в интервале 6-8. Эффект рН в большей степени зависит от микроорганизма, чем от природы химического соединения.

Опосредованное влияние рН связано с ионизацией молекул ксенобиотика. Например, токсичность хлорфенолов зависит от их ионизации, т.е. рКа, и соответственно от рН окружающей среды. рН также влияет на скорость химического гидролиза веществ-загрязнителей и на последующую их биодоступность.

Инактивация внеклеточных ферментов. Снижение биодоступности субстрата-ксенобиотика может быть связано не только с его адсорбцией, но также и с адсорбцией внеклеточных микробных ферментов, участвующих в процессе его разложения. Ферменты могут терять активность в результате адсорбции на почвенных частицах, органическом веществе, различных коллоидах; они могут ингибироваться также под действием своих субстратов или продуктов катализируемых ими реакций. Высокой адсорбирующей активностью по отношению к ферментам обладают глины. Частицы глины способны адсорбировать такие ферменты, как уреаза и протеазы. Степень адсорбции ферментов коррелирует с удельной величиной внутренней и внешней поверхностей глин, с их катионообменной емкостью.

Токсичное действие органических ксенобиотиков.

Токсичные вещества могут задерживать развитие микроорганизмов - бактериостатическое действие, или вызывать гибель клеток - бактерицидное действие. Степень токсичности зависит от природы вещества, его дозы, продолжительности контакта. При высоких концентрациях вещество, проявляющее бактериостатическое действие, становится бактерицидным. Токсиканты в концентрациях ниже порога бактериостатического действия могут влиять на обмен веществ микроорганизмов.

Проникая в клетку, токсиканты вступают во взаимодействие с клеточными компонентами. Химические компоненты клетки, подвергающиеся непосредственной атаке токсиканта, называются рецепторами, или мишенями. Яды, избирательно реагирующие с биологически важными компонентами, относятся к специфическим. Слабо и неизбирательно взаимодействующие - к неспецифическим.

Механизмы токсического действия органических ксенобиотиков весьма многообразны. Эффект может заключаться в изменении проницаемости и дезорганизации клеточных мембран (при действии низкомолекулярных углеводородов, фенола), инактивации ферментов, нарушении синтеза белков, АТР, воспроизводства нуклеиновых кислот, образования клеточной стенки.

У гидробионтов ядовитые вещества могут нарушать ритм развития, в результате чего организм оказывается неготовым к сезонным изменениям и погибает. У животных чаще всего поражаются органы размножения.

Среди синтетических органических загрязнителей среды есть большая группа соединений, влияющих на генетический аппарат клеток. Это нитрозамины, аминоазосоединения, циклические амины, многие пестициды (ДДТ, апдрин, диэльдрин, гексахлоран). Реакция микроорганизмов на их действие позволяет использовать их в качестве биологических тестов для выявления соединений, генетически опасных для человека.