Пути микробиологической трансформации поллютантов

Токсичные ксенобиотики биообезвреживаются в окружающей среде различными путями. В зависимости от конечного результата превращения тех или иных веществ различают полную деградацию (минерализацию, полную деструкцию), неполную деградацию (трансформацию, частичную минерализацию, частичную деструкцию), связывание поллютантов или их метаболитов с другим веществом - матрицей (полимеризация, конъюгация, конденсация).

Соединения, которые подвергаются полной деградаций, могут использоваться микроорганизмами в качестве источника углерода и энергии или в процессах кометаболизма. Полное разрушение стойких органических ксенобиотиков в природе происходит, как правило, в результате совместного действия сообщества организмов и абиотических факторов.

Микробная минерализация является наиболее эффективным и экологически приемлемым способом удаления органических ксенобиотиков из окружающей среды.

Термин трансформация (неполная, частичная деструкция) чаще всего используют для обозначения превращений, которые существенно изменяют, главным образом упрощают структуру органического вещества, но не приводят к его полной деструкции. Трансформация органических соединений может сопровождаться частичной их минерализацией, например, в результате реакций дезаминирования, декарбоксилирования.

В микробиологии под трансформацией подразумевают изменение органических соединений под действием одного или нескольких ферментов микроорганизмов, сопровождающееся накоплением в среде продуктов трансформации.

При полимеризации (конъюгации) сохраняется основная структура органического соединения и происходит его связывание с другим соединением с образованием продукта с большей молекулярной массой. Полимеризация наблюдается, например, в почве при гумификации и включении связанных остатков ксенобиотиков в почвенную матрицу.

В процессе биодеградации (минерализации) различают две ступени:

I - первичное биоразложение, при котором молекула трансформировалась под действием микроорганизмов с образованием соединений, которые не проявляют характерных свойств трансформируемого вещества (например, токсичности для пестицидов).

II - полное биоразложение происходит - молекула ксенобиотика превращается в минеральные вещества и продукты, связанные с нормальными метаболическими процессами микроорганизмов.

Обезвреживание токсичного ксенобиотика в экосистеме, биоценозе или организме приводит к детоксикации. Однако иногда в процессе биотрансформации нетоксичный или малотоксичный ксенобиотик становится токсичным, обладающим канцерогенными или мутагенными свойствами, и может накапливаться в окружающей среде. В этом случае наблюдается процесс токсификации.

Результат воздействия ксенобиотика на живой организм определяется свойствами ксенобиотика, организма, биоценоза и биотопа и обусловлен биодоступностью соединения.

В процессе биотрансформации ксенобиотика микробной клеткой можно выделить пять стадий взаимодействия ксенобиотика и организма:

1. Транспорт к клетке. Осуществляется в результате растворения, конвекции, диффузии, определяется внешними факторами и свойствами ксенобиотика.

2. Транспорт в клетку. Нейтральные молекулы и гидрофобные соединения, подобные н-алканам, ПАУ, ПХБ, галогенированным бензолам, проникают в липофильные клеточные мембраны.

3. Первичная атака. Биохимические превращения ксенобиотика, доступного для ферментных систем клетки, начинаются с его первичной атаки.

4. Центральный метаболизм. Если органический ксенобиотик превращается в интермедиаты, подобные жирным кислотам, дикарбоновым кислотам, пирувату, они вступают в основной метаболизм и окисляются. В оптимальном случае ксенобиотик может быть полностью минерализован в ходе центрального метаболизма.

5. Транспорт продуктов из клетки. Такие продукты, как СО₂, выводятся из клетки путем пассивного транспорта, диффузии. Активный транспорт конечного продукта из клетки возможен, если ксенобиотик неполностью минерализуется с образованием токсичных продуктов, что приводит к снижению содержания токсичных соединений в клетке.