ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Подходы к изучению микробной деструкции синтетических органических веществ из "Микробиология очистки воды" Природные органические вещества принимают участие в постоянном процессе круговорота элементов в биосфере Земли. Возможность деструкции всех природных органических веществ микроорганизмами ни у кого не вызывает сомнения. Сто лет назад Луи Пастер писал ...роль бесконечно малых казалась мне бесконечно большой... благодаря участию их в разложении и возвращению в воздух всего, что жило [197]. Очень яркая, образная картина огромного кладбища, каким предстала бы перед нами природа в отсутствие микроорганизмов, представлена в известном учебнике академика В. Л. Омелянского [193]. Видный советский микробиолог А. Е. Крисс [150] указывает По доступности для бактериальных ферментов органическое вещество разделяется на нестойкое и стойкое органическое вещество. Эти термины означают, что всякое органическое вещество в подходящих условиях подвергается превращениям энзимами бактерий, но не с одинаковой легкостью . Автор здесь имеет в виду органическое вещество , продуцируемое в Мировом океане. Но эти слова можно в полной мере отнести ко всем природным органическим соединениям биосферы, особенно если учесть деятельность не только бактерий, но актиномицетов и микроскопических грибов. И то, что органика сохраняется на протяжении веков в древних мощах, мумиях египетских фараонов и т. п., отнюдь не означает, что она стойка к микробной атаке, а означает лищь отсутствие подходящих условий для проявления разрушительной способности микроорганизмов. То же самое можно сказать и об углеводородах нефти, которые залегают в недрах Земли практически без изменений миллионы лет — будучи извлеченными на поверхность, в аэробных условиях они сразу же находят для себя потребителей среди разнообразнейших представителей микробного мира. [c.144] Ассортимент синтетических веществ, которые попадают в окружающую среду, сравнительно невелик, хотя исчисляется уже десятками тысяч наименований. Количество таких соединений, в отличие от природных, неудержимо растет. Круговорот элементов в современной биосфере включает также и эти органические вещества. На рис. 33 представлена схема основных превращений природных и синтетических соединений [43]. Синтетические процессы, осуществляемые в результате автотрофного и гетеротрофного биосинтеза, дополняются сейчас химическим синтезом, реализуемым человеком. [c.145] Микроорганизмы путем ряда трансформаций переводят все природные и синтетические вещества в так называемые ключевые соединения — несколько десятков веществ (аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, субстраты основных метаболических циклов клетки и др.), из которых синтезируют все необходимые компоненты и получают основную часть энергии. Превращения, в результате которых образуются ключевые соединения, называют реакциями подготовительного метаболизма, реакции основных метаболических циклов — ключевого (основного) метаболизма, а синтез биополимеров и других необходимых клетке соединений — реакциями конструктивного метаболизма [122, 123]. [c.146] Ферменты, которые осуществляют реакции основного и конструктивного метаболизма, высокоспецифичны и, как правило, конститутивны. Ферменты подготовительного метаболизма относятся в основном к индуктивным ферментам и намного менее специфичны. Это способствует вовлечению в микробные реакции самых разнообразных соединений, в частности и таких, которые ранее в природе не встречались. [c.146] Однако синтетические вещества обычно очень медленно разлагаются в окружающей среде, они склонны накапливаться в живых организмах, причем степень кумуляции увеличивается по трофической цепи. Так, например, степень кумуляции хлорорганических пестицидов (в том числе ДДТ) водорослями достигает двух порядков [505], а концентрация ДДТ в теле рыб может в десятки тысяч раз превышать его концентрацию в воде, в которой эта рыба живет [395]. Синтетические органические вещества в природе подвергаются атаке главным образом со стороны микроорганизмов. Изучение этого процесса, познание физиологических, биохимических и генетических механизмов микробной деструкции синтетических соединений представляет собой один из интереснейщих, важнейших и наименее изученных разделов современной теоретической микробиологии [113, 114, 122, 123]. [c.146] Наиболее важный, нуждающийся в разрешении практический вопрос состоит в подборе соответствующих культур микроорганизмов и нахождении подходящих условий для разрушения синтетических органических веществ. Но уже сейчас в сточных водах встречается более 55 тысяч разнообразных синтетических соединений [178] и найти для каждого из них оптимальный рел нм биодеградации и самый подходящий микроорганизм-деструктор представляется нереальной задачей. [c.146] Значительно большую научную информацию несут исследования по разрушению активным илом пли биопленкой определенного синтетического вещества. Однако в большинстве этих работ преобладают инженерно-технологические аспекты и мало внимания акцентируется на главных действующих лицах — бактериях, актиномицетах или грибах, которые осуществляют весь процесс деструкции. И только в последнее время к решению острой проблемы очистки биосферы от синтезированных человеком органических веществ подключаются микробиологи и биохимики, которые изучают пути деструкции определенных, наиболее важных (токсических или широко распространенных) синтетических загрязнителей, ищут микроорганизмы-деструкторы, выделяют ферментные системы, обеспечивающие данный процесс. [c.147] Наиболее распространенный метод поиска микроорганизмов-деструкторов органических соединений сводится к тому, что определенную экологическую систему (ил, почву) обрабатывают некоторое время водой, содержащей в возрастающей концентрации вещество, которое необходимо разрушить, а затем из такой культуры накопления выделяют микроорганизмы, способные использовать это соединение как единственный источник энергии, углерода, азота и т. д. Такой метод нельзя считать целесообразным. И не только потому, что он чисто эмпирический. Его использование не гарантирует отбора действительно наилучшего микроба-деструктора, хотя выбор производится из чрезвычайно широкого круга организмов ири этом выделяется микроорганизм, который именно в данных условиях скрининга разрушает то или иное вещество. Даже при незначительных изменениях реакции среды, аэрации, температуры и т. п. может доминировать и выделиться другой микроорганизм. Научный подход к выбору микроорганизмов-деструкторов должен базироваться на детальном изучении физиологии и биохимии микробных культур, а также путей деструкции органических веществ в живой клетке. Голько на основании таких знаний можно сознательно подбирать микробы, способные обезвреживать определенные соединения, или установить наличие органических веществ, которые могут быть разрушены отдельной группой микроорганизмов. [c.147] Синтетические соединения имеют самое разнообразное химическое строение, физиологические свойства, назначение и применение. Исследования, связанные с изучением деструкции этих веществ с помощью микроорганизмов, постоянно расширяются. Необходимо обобщить весь накопленный экспериментальный материал, найти правильные подходы к классификации загрязнений с точки зрения их возможной биодеструкции. Вопрос этот очень сложный. Настоятельная необходимость разделить синтетические вещества на определенное число групп диктуется потребностью практики, желанием на каждое изменение состава загрязнителей адекватно реагировать сознательным изменением биоценоза, способного их обезвреживать. [c.148] Видный американский микробиолог Мартин Александер отмечает в одной из своих работ [282] Таким образом, на основании имеющейся литературы можно выделить следующие категории загрязняющих веществ, которые должны изучаться биологами, занимающимися бактериями, грибами, актиномице тами, водорослями и протозоа в природе а) пестициды, особен но инсектициды, гербициды и фунгициды б) поверхностно-актив ные вещества в) хелатообразующие агенты г) тяжелые метал лы, в частности ртуть и мышьяк д) полихлорированные бифенолы, более широко известные как ПХФ-лы е) многочис ленные органические соединения, попадающие в воду как побоч ные продукты производства или отходы промышленности ж) синтетические полимеры з) углеводороды нефти или при родного газа и) нитраты к) другие питательные ионы, которые поддерживают рост нежелательных водорослей л) нитрозамины м) серная кислота и н) загрязнители воздуха . [c.148] В этом случае целесообразно изучать его разрушение как деструкцию фосфорорганического вещества. Превращение образовавшегося -нитрофенола можно найти в разделе разрушения азотсодержащих соединений, а отщепление серы от диэтил-орто-тиофосфорной кислоты — в анализе трансформаций серусодержащих веществ. [c.150] Несомненное преимущество химической классификации синтетических загрязнителей заключается еще и в том, что она позволяет рассматривать микробное разрущение целых групп веществ в соответствии с их строением, что дает возможность после накопления и систематизации экспериментальных фактов вывести определенные закономерности процесса минерализации самых разнообразных веществ, предвидеть пути их деструкции, предсказать с большой степенью вероятности наиболее подходящие таксономические группы микроорганизмов, способные быстро и эффективно их разрушать, т. е. наметить действительно научный, а не чисто эмпирический, подход к решению сложной проблемы микробной очистки воды от синтетических веществ. [c.151] Биохимическая очистка сточных вод базируется либо на использовании широкого круга водных микроорганизмов, которые входят в состав разнообразных ценозов — илов, биопленки и т. п., либо на применении адаптированных, высокоактивных микроорганизмов, особенно их ассоциаций, или, наконец, на внедрении в технику очистки иммобилизованных (адсорбированных или химически закрепленных на твердых поверхностях) биологических катализаторов — ферментов. [c.151] Первый процесс включает традиционную очистку бытовых сточных вод в аэротенках, биофильтрах, лагунах и других очистных сооружениях, а также самоочищение водоемов. Это наиболее распространенный, надежный биологический метод очистки воды, хотя он и имеет ряд недостатков требует огромных очистных сооружений, значительных земельных площадей, а в случае очистки промышленных стоков — часто и дополнительного количества воды для разведения сточных вод с целью уменьшения концентрации того или иного токсического вещества в них. Существует тенденция очищать сточные воды химических предприятий совместно с бытовыми стоками. Однако такой способ не всегда достаточно эффективен. П. Е. Шкодич и сотр. [270] отмечают, что многие трудноокисляющиеся синтетические органические вещества, в том числе, например, бенз(а)пирен, проходят через биологические сооружения без изменений это обстоятельство привело авторов к выводу, что решающим условием для эффективной очистки сточных вод предприятий органического синтеза является их предварительная подготовка на локальных внутрицеховых установках. [c.151] Все более широкое применение, особенно для очистки промышленных высококонцентрированных стоков, находит [409, 430] микробный метод, предложенный Н. Т. Путилиной [207]. [c.151] Распространению этого безусловно перспективного и более эффективного по сравнению с предыдущим метода препятствует в основном отсутствие рационального способа отделения микроорганизмов от очищенной ими воды. [c.152] Третий метод — ферментативный — предусматривает пропускание воды через специальную загрузку, удерживающую в активном состоянии ферменты, которые катализируют соответствующие превращения соединений-загрязнителей. Известны только отдельные случаи ферментного обезвреживания стоков, превращения токсических или биорезистентных примесей воды в нетоксические вещества, которые легко усваиваются водными организмами. Иммобилизованные ферменты имеют большую перспективу при локальном обезвреживании промышленных сточных вод, однако их применение связано со значительными трудностями, которые заключаются как в получении специальных ферментов, так и в их закреплении на поверхности загрузки. Несмотря на это, ферментативный метод, безусловно, займет надлежащее место в системе очистки воды. [c.152] Вернуться к основной статье