Ксенобиотики

Разложение
ксенобиотиков
микроорганизмами
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Ксенобиотики (от греч. xenos – чужой, biotos – жизнь) –
чужеродные для организмов соединения.
К ним относятся различные синтетические полимеры,
красители, пестициды, гербициды, фунгициды, фармацевтические
препараты, препараты бытовой химии, отходы производств и т. д.
В широком смысле к ним могут быть отнесены и вещества
природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и
перемещенные в несвойственные им места (например, нефть).
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Многие ксенобиотики чрезвычайно токсичны и проявляют
мутагенную, канцерогенную и аллергенную активности.
Ксенобиотики различаются по химической природе и
характеризуются высокой стабильностью и устойчивостью в
окружающей среде.
Деградация
ксенобиотиков
микроорганизмами
может
происходить различными путями, хотя скорость их разложения
чаще всего крайне низка.
В аэробных условиях первой стадией
ксенобиотиков может быть гидроксилирование.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
биодеградации
Введение в молекулу гидроксильной группы приводит к
поляризации и лучшей растворимости ксенобиотика в воде, что
делает его более доступным для последующего разрушения.
Эти реакции катализируются ферментами гидролазами или
оксидазами смешанных функций.
Еще одним способом деградации ксенобиотиков является
реакция N-деалкилирования.
Она осуществляется с помощью различных оксидаз на ранних
этапах разрушения алкилзамещенных соединений.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В деградации ксенобиотиков принимают участие и реакции
окислительного метаболизма, такие, как декарбоксилирование,
β-окисление, гидролиз эфирных связей, образование эпоксидов и
сульфоксидов, окислительное расщепление ароматического и
гетероциклических колец.
О разрушении ксенобиотиков в анаэробных условиях мало
известно, но установлено, что начальные этапы их биоразрушения
осуществляются
через
реакции
восстановительной
трансформации – преобразование нитрогруппы в аминогруппу,
восстановительное дегалогенирование, насыщение двойных и
тройных связей, восстановление альдегидов и кетонов в
соответствующие спирты, превращение сульфоксида в сульфид.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
И в аэробном, и в анаэробном метаболизме ксенобиотиков
важное место занимают реакции гидролиза, в которых молекула
ксенобиотика расщепляется при присоединении воды. Под
действием соответствующих эстераз, фосфатаз и лиаз
гидролизуются эфирные, фосфоэфирные или амидные связи.
Гидролитическое дегалогенирование может происходить
путем замещения атома галогена в молекуле на гидроксильную
группу из воды.
Микроорганизмы также участвуют в трансформации ксенобиотиков путем присоединения к ним алкильных (метильных) и
ацильных (формильных и ацетильных) групп. Продукты, образующиеся при такой трансформации ксенобиотиков, часто обладают
иной токсичностью, чем исходные вещества.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Некоторые трудноразлагаемые вещества расщепляются
микроорганизмами только совместно с хорошо утилизируемыми
субстратами.
В данном случае способность к трансформации ксенобиотика
обусловливается наличием доступного источника энергии для
поддержания жизнедеятельности микроорганизмов, так как сам
ксенобиотик не может использоваться ими в этих целях.
Это явление получило название кометаболизма или
соокисления.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Биодеградация
поверхностно-активных
веществ
алкилбензолсульфонатов (служат основой синтетических моющих
средств, смачивателей, эмульгаторов и др.), имеющих в алкильной
цепи от одного до трех атомов углерода, начинается с
сульфонатной группы, а у соединений с большим числом
углеродных атомов – с боковой цепи.
В аэробных условиях эти вещества разлагаются бактериями и
грибами,
осуществляющими
расщепление
ароматических
углеводородов и других соединений этого типа.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В
анаэробных
условиях
биодеградацию
алкилбензолсульфонатов могут осуществлять бактерии с
бродильным типом метаболизма.
Кроме того, эти соединения могут использоваться бактериями
в качестве акцепторов электронов при анаэробном дыхании.
Процессы анаэробной деградации алкилбензолсульфонатов
протекают с большей эффективностью в ассоциации, состоящей из
бактерий родов
Clostridium,
Desulfovibrio,
Methanobacterium,
Methanosarcina.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
В
биодеградации
сложных
ароматических
и
гетероциклических соединений (красителей, фармацевтических
препаратов) в аэробных условиях у разных микроорганизмов
участвуют специфические ферменты. Например, у бактерий рода
Pseudomonas разрыв индольного кольца катализирует фермент
диоксигеназа.
Грибы родов Penicillium, Aspergillus, Verticillium, Fusarium,
Alternaria, Cladosporium, Geotrichum, Helminthosporium для
окисления гетероциклических соединений используют активные
пероксидазы.
Бактерии актиномицеты рода Streptomyces расщепляют
полициклические соединения с помощью ферментов лигниназ.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Большое количество различных ксенобиотиков способен
разрушать в аэробных условиях базидиомицет Phanerochaete
сhrysosporium, вызывающий гниение древесины.
Среди них один из наиболее известных инсектицидов –
дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ).
Кроме ДДТ гриб Phanerochaete сhrysosporium разрушает
бензопирен,
полихлорированные
бифенилы,
линдан,
кристаллвиолет, различные азокрасители.
За начальные стадии биодеградации в этом случае отвечают
ферменты лигниназы и Mn-пероксидазы гриба.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Гетероциклические соединения – индол, хинолин, производные
пиридина,
фурана,
никотиновой
кислоты
–
полностью
катаболизируются
сообществами
денитрифицирующих,
сульфатредуцирующих, метаногенных бактерий в процессе
анаэробных дыханий.
Сначала эти соединения анаэробно окисляются, а затем
происходит разрыв кольца, причем легче разрушаются азот- и
кислородсодержащие
гетероциклические
соединения,
чем
серосодержащие вещества.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Полимерные соединения, синтетические ткани и пластики
способны разрушать в аэробных условиях грибы, синтезирующие
высокоактивные внеклеточные гидролазы.
Мицелиальные грибы родов Aspergillus, Penicillium,
Trichoderma расщепляют некоторые синтетические полимеры с
помощью ферментов фосфатаз.
Полимерные материалы, содержащие амидные и эфирные
связи (например, капрон, нейлон, поролон), подвергаются
воздействию микробными протеиназами.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Первичная колонизация пластиков происходит в результате
разрастания колоний грибов на поверхности, проникновения
мицелия в толщу материала через микротрещины, а затем начинается
активное воздействие ферментов и синтезируемых кислот на
отдельные компоненты пластиков.
Повышенной стойкостью к разрушению плесневыми грибами и
бактериями обладают полиэтилен, полипропилен, полистирол,
жесткий поливинилхлорид, полиамид, полиэтилентерефталат –
полимерные смолы.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Менее стойки поливинилацетат,
хлорсульфированный полиэтилен.
поливиниловый
спирт,
Пластификаторы, входящие в состав пластиков, более
подвержены биодеградации, так как являются смесью эфиров
фталевой и адипиновой кислот.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.
Основными
микроорганизмами,
осуществляющими
биодеградацию перечисленных полимерных соединений в аэробных
условиях являются микроскопические грибы родов Aspergillus,
Penicillium, Trichoderma, Cladosporium, Fusarium, а также бактерии
родов Pseudomonas, Streptomyces, Bacillus, Arthrobacter.
В деградации высокомолекулярных полиэтиленов и нейлонов
принимают участие грибы, вызывающие «белую гниль»
(Phanerochaete сhrysosporium и Trametes versicolor).
С помощью ферментов лигниназ они разлагают эти полимеры до
растворимых олигомеров в условиях лимитации по углероду и азоту.
Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.