Микробная биодеградация ксенобиотиков и токсикантов (стр. 1 из 4)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	3
1. Факторы, определяющие влияние поллютантов на экосистемы	4
1.1. Свойства ксенобиотиков, определяющих их токсичность	4
1.2. Способность ксенобиотиков к биодеградации	4
2. Биодеградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов	9
3. Метаболические пути биодеградации ксенобиотиков, созданные методами генной инженерии	20
3.1. Перенос плазмид	21
3.2. Изменение генов	22
4. Механизмы ускорения биодеградации поллютантов в окружающей среде	26
Заключение	28
Список использованных источников	29

ВВЕДЕНИЕ

С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков и токсикантов, которые в значительной степени загрязняют окружающую среду. Известно, что соединения, вносимые человеком в окружающую среду в последнее время (инсектициды, гербициды, детергенты и другие ксенобиотики) помимо того, что очень токсичны, ещё и устойчивы в среде (что представляет опасность для человека и животных). В настоящее время нагрузка на естественные процессы самоочищения биосферы является избыточной, и параллельно с деструкцией загрязнений идёт их постепенное накопление в окружающей среде [1].

Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений адаптационный период микроорганизмов к данному субстрату значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, способные сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта. Поэтому к началу нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать токсикант. Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам[2].

Таким образом, деградация ксенобиотиков микроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы [1].

Цель данной работы состоит в рассмотрении свойств ксенобиотиков, определяющих их токсичность, определении возможности и исследовании путей биологической деградации ксенобиотиков и токсикантов микроорганизмами, механизмов ускорения биодеградации поллютантов в окружающей среде.

1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ НА ЭКОСИСТЕМЫ

Среди наиболее значимых факторов, определяющих экологическую опасность загрязняющих веществ, можно выделить:

● токсичность соединения;

● способность вещества к биодеградации [2].

1.1. Свойства ксенобиотиков, определяющих их токсичность

Токсичность разных веществ не одинакова. Поскольку она проявляется во взаимодействии ксенобиотика с биологической системой, ее величина зависит от свойств как самого токсиканта, так и биосистемы, и в конечном итоге определяется:

1. Способностью вещества достичь структуры-мишени, взаимодействие с которой инициирует токсический процесс;

2. Характером и прочностью связи, образующейся между токсикантом и структурой-мишенью;

3. Значением структуры-мишени для поддержания гомеостаза в организме [3].

Строение вещества определяет размеры молекулы, ее массу, растворимость, летучесть, агрегатное состояние при нормальных условиях и химическую активность. Все эти свойства влияют на токсичность вещества, вместе с тем ни одно из них не является единственно значимым [3].

1.2. Способность ксенобиотиков к биодеградации

В зависимости от стабильности поллютантов в окружающей среде их можно разделить на три группы:

1. Биодеградабельные токсиканты, относительно легко разрушающиеся в окружающей среде под влиянием как абиотических, так и биотических факторов. К ним относятся вещества биологического происхождения и некоторые органические соединения небиологического генезиса (n-алканы нефти, спирты, альдегиды и т. д.) [3].

Экологическая опасность поллютантов данного типа определяется скоростью их поступления в экосистемы, способностью накапливаться в компонентах биогеоценозов, а также хроническим действием сублетальных концентраций [3].

Экотоксикологическое значение многих ксенобиотиков определяется не только их токсичностью и способностью к биодеградации, но также скоростью поступления этих поллютантов в экосистемы. Если скорость поступления разлагаемых поллютантов превышает скорость их естественной биодеградации, то это может вызвать нарушения в составе и структуре экосистем [4].

Большую опасность представляет собой биоаккумуляция загрязняющих веществ, например, липофильных соединений, в живых организмах. В результате может усиливаться их токсическое воздействие и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. Многие поллютанты могут накапливаться в экосистеме, сорбируясь на частицах почвы и взаимодействуя с гумусом. Например, некоторые пестициды (тиофос), которые в водном растворе малоустойчивы, связываются с почвенными частицами и длительно сохраняются в природной среде. Затем, по мере минерализации гумуса, связанные с ним молекулы токсиканта освобождаются и могут оказывать повреждающее действие на организмы данной экосистемы [3].

Присутствие в экосистемах загрязняющих веществ в незначительных (сублетальных) количествах также не свидетельствует об их безопасности:

■ хроническое отравление малыми дозами поллютантов может способствовать снижению репродуктивной способности популяции;

■ сублетальные концентрации токсикантов могут нарушать регуляцию эколого-биохимических взаимодействий, опосредованных различными хеморегуляторами;

■ сублетальные концентрации могут оказывать неодинаковое воздействие на конкурирующие виды, нарушая тем самым естественный баланс в экосистемах;

■ сублетальные дозы некоторых ксенобиотиков могут стимулировать воспроизводство популяции нежелательных видов, что также может способствовать нарушению видовой структуры агроценозов и естественных экосистем [3].

2. Персистентные ксенобиотики - очень устойчивые соединения, разлагающиеся крайне медленно. Среди этой группы соединений наибольшую известность получили хлорорганические пестициды, в частности ДДТ (рис. 1).

Запрет на применение ДДТ обусловлен следующими причинами:

● высокая и неспецифическая токсичность;

●появление новых рас сельскохозяйственных вредителей, устойчивых к пестициду;

●способность вещества концентрироваться в трофических цепях до значений, превышающих санитарно-гигиенические нормативы;

●высокая устойчивость молекулы к внешним воздействиям различной природы - по некоторым оценкам период полуразложения ДДТ в биосфере составляет порядка 100 лет [3].

Персистентность ксенобиотиков определяется, прежде всего, особенностями их молекулярной структуры. Можно выделить несколько факторов, достоверно повышающих стабильность молекулы токсиканта:

■ гидрофобность вещества, определяющая устойчивость молекулы к действию большинства ферментов;

■ содержание хлора (либо других галогенов) — с повышением количества атомов хлора в молекуле поллютанта увеличивается химическая устойчивость данного соединения в биосфере;

■ наличие эпоксигрупп не только увеличивает биологическую активность вещества, но и снижает скорость его распада;

■ конформация молекул - многие ксенобиотики, являющиеся по отношению друг к другу оптическими изомерами, могут существенно отличаться по степени устойчивости.

3. Рекальцитранные ксенобиотики - соединения, которые практически не разлагаются, либо вообще в принципе не могут разлагаться. К ним, в первую очередь, относятся тяжелые металлы и радионуклиды с большим периодом полураспада [3].

В естественных условиях металлы встречаются в форме руд и минералов. Выплавка металлов из руд и использование в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности привели к существенному увеличению их содержания в окружающей среде. Наибольшее токсикологическое значение имеют ртуть, кадмий, хром, мышьяк, свинец, бериллий, цинк, медь, таллий и др. Помимо промышленной деятельности происходит естественное поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие выветривания горных пород и выноса реками [3].

Источником поступления радионуклидов в биосферу являются производство и испытание ядерного оружия, ядерная энергетика, а также использование радиоактивных изотопов в медицине и научных исследованиях [3].

Можно выделить следующие общие черты токсикантов:

1. Химическое загрязнение крайне разнообразно и включает в себя многие классы химических соединений;

2. Уровень поллютантов увеличен в регионах повышенной концентрации населения;

3. Биологическое действие нескольких поллютантов может быть неаддитивным и давать синергический эффект;

4. С биохимической точки зрения воздействию токсикантов
могут подвергаться различные структурно-функциональные системы клетки - генетический аппарат, биомембраны, белки;

5. Биотрансформация поллютантов может приводить к появлению более персистентных и более токсичных соединений, чем исходные вещества;