Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Дисциплина: Биотехнология

Тема: Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

Выполнила: студентка 3 курса ФВМ -8

Иванова Марина Дмитриевна Преподаватель:

Заболоцкая Татьяна Витальевна

Москва 2017

Содержание

Введение

Свойства ксенобиотиков

Группы ксенобиотиков по их способности к деградации

Биодеградация ксенобиотиков

Механизмы ускорения биодеградации

Участие микробных сообществ в биодеградации ксенобиотиков

Заключение

Список литературы

Введение

С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков , 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.

Ксенобиотики - чужеродные для живых организмов химические вещества. К ним могут также относиться: пестициды, некоторые моющие средства, радионуклиды, синтетические красители, полиароматические углеводороды и др.

Эти чужеродные (живой природе) вещества - ксенобиотики - имеют уникальную биологическую активность (токсичность) уже на уровне микропримесей. В широком смысле к ним могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Болъшинство таких соединений обладает значительной стабильностью, и для их полного разложения при обычных условиях требуются столетия. Происходит непрерывный перенос этих веществ по пищевым цепям и накопление на их конечных этапах, к которым относится и человек. Огромное число ксенобиотиков чрезвычайно токсично и проявляет мутагенную, канцерогенную, аллергенную и тератогенную активности. Однако понятно, что человечество не может полностью отказаться от использования таких веществ, поскольку они применяются практически во всех областях его деятельности. Поэтому на первый план выходит использование биоразрушающей способности микроорганизмов для очистки окружающей среды от антропогенных загрязнителей.

Свойства ксенобиотиков

Биоразрушение (биодеградация) - это преобразование сложных веществ с помощью биологической активности. Это широкое понятие включает три более узких процесса:

трансформацию, или незначительные изменения молекулы;

2) фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения

минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (Н2О, СО2, Н2, NH3, CH4 и т.д.).

Основными биологическими агентами, осуществляющими биоразрушения, являются микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма. Именно они способны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли.

Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бактерии и грибы, основное количество которых выделено из почвы и воды.

Свойства ксенобиотиков

Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами.

Одно из самых основных свойств, определяющий биологическую опасность веществ- тосичность.

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.

Группы ксенобиотиков по их способности к деградации

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.).

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

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

2. Персистентные ксенобиотики - очень устойчивые соединения, разлагающиеся крайне медленно. Среди этой группы соединений наибольшую известность получили хлорорганические пестициды.

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 .

Биодеградация ксенобиотиков

Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой - поставлять недостающие питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas - они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL - ксилола и толуола, NAH - нафталина, CAM - камфары. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плаз¬мид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.

Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях.

Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.

Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas - P. aeruginosa и P. stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика - фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из экспериментов грибами обработали около 10000 тонн почвы с территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

Некоторые микроорганизмы обладают природной способностью к деградации различных ксенобиотиков, однако следует иметь в виду, что:

1) ни один из них не может разрушать все органические соединения;

2) некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют функционирование или рост деградирующих их микроорганизмов;

3) большинство очагов загрязнения содержит смесь химикатов, и микроорганизм, способный разрушать один или несколько ее компонентов, может инактивироваться другими компонентами;

4) многие неполярные соединения адсорбируются частицами почвы и становятся менее доступными;

5) биодеградация органических соединений часто происходит довольно медленно.

Механизмы ускорения биодеградации

Биодеградация персистентных поллютантов в природе может длиться десятки лет, вызывая нарушение функционирования биоценозов. Бурное развитие экологической биотехнологии как науки и формирование рынка экологических биотехнологий в развитых странах вселяют некоторый оптимизм относительно решения в будущем проблемы глобального загрязнения окружающей среды.

Поскольку биодеградация загрязнителей осуществляется, в основном, в результате жизнедеятельности бактерий и грибов, пополнение знаний о функционировании этих организмов позволяет разрабатывать новые подходы к осуществлению ускоренной и более полной деградации ксенобиотиков.

Уже традиционными стали технологии биоремедиации загрязненной почвы, основанные на стимуляции естественной деструктивной микрофлоры или интродукции высокоактивных штаммов микроорганизмов. Однако среди ученых не утихают споры по поводу экологической и коммерческой оправданности внесения чужеродных организмов в сформировавшиеся природные ценозы. Не вызывает сомнения необоснованность рекомендаций по повсеместному использованию нефтеокисляющих биопрепаратов.

Последнее десятилетие характеризуется всплеском развития фиторемедиации - технологии, основанной на использовании растений.

Известно, что растительная ризосфера за счет ее насыщенности ассоциативными и симбиотическими микроорганизмами является зоной повышенной биохимической активности, что и служит причиной ускорения процессов биодеградации поллютантов в почве под растениями. Вместе с тем, фиторемедиация является эффективной, экономически выгодной и эстетически привлекательной технологией, наиболее принимаемой обществом. Однако по конечному результату она сопоставима с другими экологическими биотехнологиями.

В научных публикациях последних лет появилась новая зеленая технология - трансгенная ремедиация, которую можно считать самым эффективным приемом очистки почвы на сегодняшний день. Использование трансгенных растений позволяет повысить деградацию поллютантов в сотни раз. Однако представляется маловероятным широкое использование этой технологии в будущем.

ксенобиотик сообщество микробный

Участие микробных сообществ в биодеградации ксенобиотиков

Можно выделить стабильные сообщества, в которых взаимодействия между отдельными его членами дает им ряд преимуществ, в результате чего такая ассоциация становится более эффективной, чем отдельно взятые виды.

Классификация микробных сообществ основана на характере взаимосвязей между отдельными видами.

Сообщества, в которых один или несколько членов не способны к синтезу тех или иных компонентов, необходимых для роста; этот дефицит покрывается за счет метаболической активности других членов сообщества. Сложность различных взаимоотношений в подобных сообществах может варьировать, но в любом случае взаимосвязи такого типа, по всей видимости, играют роль в деградации многих соединений. Например, сообщество из двух микроорганизмов, растущее на циклогексане, включает один из видов Nocardia, способный окислять циклогексан, но не способный к росту на нем одном, а также один из видов Pseudomonas, который поставляет другим видам необходимые для роста соединения, возможно биотин. Такие взаимосвязи могут быть облигатными для роста определенных видов или поставлять дополнительные питательные вещества, способствующие росту первично окисляющего организма и увеличению скорости деградации.

Это со всей очевидностью показывает, что истинную скорость деградации ксенобиотиков в окружающей среде можно оценить, только учитывая возможности микробных сообществ, а не отдельных видов микроорганизмов.

 Сообщества, в которых метаболиты, в какой-то мере подавляющие рост организма-продуцента или других организмов в том же местообитании, удаляются остальными членами сообщества.

3. Сообщества, в которых параметры роста одного или нескольких его членов изменяются так, что получается более конкурентоспособное сообщество, устойчивое к изменениям среды. Такое сообщество может стать менее чувствительным к: ингибированию субстратом и приобрести способность справляться с перегрузками, возникающими в очистных системах.

 Крайне важная роль микробных сообществ в деградации ксенобиотиков состоит в том, что они способны осуществлять совместную «метаболическую атаку» на субстрат. Отдельные члены такого сообщества в отличие от сообщества в целом не обладают метаболической активностью, необходимой для полной деградации данного соединения. Так, в лаборатории иногда не удается добиться минерализации какого-либо вещества, но происходит это потому, что деградацию тщетно пытаются осуществить с помощью одного вида микроорганизмов. Отмечалось также, что такого рода комбинированная метаболическая система может возникать в результате синтеза отдельными видами разных компонентов ферментного комплекса, с проявлением ферментативной активности только у целого сообщества (например, синтез активной лецитиназы двумя видами Pseudomonas).

 Ранее подчеркивалась важность сопряженного метаболизма для расщепления ксенобиотиков. Микроорганизмы, растущие на одном субстрате, превращают другой в ходе одной или нескольких ферментативных реакций. Эти реакции не связаны с ростом микроорганизма в том смысле, что в них не образуются промежуточные продукты, которые данный организм использовал бы для роста.

 Были выявлены сообщества, в которых осуществляется передача восстановительных эквивалентов от одной популяции другой. В анаэробных условиях классическим ферментативным способом получения избытка восстановительных эквивалентов было восстановление конечных продуктов обмена. Однако в упомянутых сообществах используется второй, акцепторный организм. На сегодняшний день уже выделено немало таких сообществ. Анаэробное разрушение подобными сообществами ароматических соединений может иметь экономическое значение.

7. При изучении непрерывных культур были обнаружены сообщества, в которых к полному использованию лимитирующего рост субстрата способна не одна, а несколько первичных популяций, хотя можно было бы ожидать, что наиболее конкурентоспособный организм окажется доминирующим. Следовательно, существующие в сообществе взаимодействия должны стабилизировать свободную конкуренцию между его членами.

Заключение

Биодеградация - это процесс разрушения микроорганизмами веществ загрязняющих окружающую среду.В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

Микробная деградация играет существенную роль в процессах детоксикации устойчивых поллютантов, загрязняющих среду в результате деятельности человека.

Полученные результаты по изучению особенностей деградации ксенобиотиков, разработка способов интенсификации разложения поллютантов, возможность на основании полученных данных по пространственной структуре молекул методом направленного мутагенеза получать ферменты с заданной субстратной специфичностью позволяют создать высокоэффективные бактериальные или ферментные препараты для очистки территорий, а также оптимизировать процессы биоремедиации почв и очистки промышленных стоков, содержащих галогенированные поллютанты.

Список литературы

1.http://ru-ecology.info/term/42686/

2.http://faq.surnet.ru/biotehnology/72289332.html

3.http://biotech.fizteh.ru/vso_mkb/trudy/priem/Zolotenkova/Zolotenkova-arpg2bnh9ss.pdf

4.http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt12_1.htm

5.http://www.elfael.ru/winegs-763-2.html

6.http://bibliofond.ru/view.aspx?id=485321

7.Т.Г.Волова «Биотехнология»

8.С.В. Свергузова «Основы микробиологии и биотехнологии»

9.О.В.Турковская «Механизмы ускорения биодеградации поллютантов в окружающей среде»

Размещено на Allbest.ru