научная статья по теме ДЕГРАДАЦИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (ПАУ) АЭРОБНЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ЕЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ДЕГРАДАЦИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (ПАУ) АЭРОБНЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ЕЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2012, том 81, № 6, с. 695-706

= ОБЗОР

УДК 579.222.2

ДЕГРАДАЦИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (ПАУ) АЭРОБНЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ЕЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

© 2012 г. М. А. Бабошин, Л. А. Головлева1

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино

Поступила в редакцию 23.05.2012 г.

В обзоре рассмотрена аэробная деградация ПАУ бактериями, особое внимание уделено ее кинетическим аспектам (скорости и специфичности). Даны общие представления о биодеградации ПАУ в природе и роли аэробных бактерий в этом процессе. Обсуждена проблема биодоступности ПАУ, а также механизм проникновения ПАУ через бактериальную клеточную стенку. Обоснована главная роль реакции гидроксилирования ПАУ в контроле скорости и специфичности процесса биодеградации ПАУ. Рассмотрены эффекты конкурентного ингибирования, ингибирования интермедиата-ми, перекрестной индукции и кометаболизма. Показано важное значение микробных сообществ для биодеградации ПАУ в естественных экосистемах. Обзор содержит ссылки на 138 литературных источников.

Ключевые слова: ПАУ, биодеградация, биодоступность, диоксигеназы, кинетика, специфичность, ингибирование, микробные сообщества.

ВВЕДЕНИЕ

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — это вещества, молекулы которых состоят из конденсированных ароматических колец (рис. 1; [1]). ПАУ образуются при пиролизе органических веществ в различных природных и технологических процессах, в высокой концентрации содержатся в нефти и каменноугольной смоле. ПАУ и продукты их конверсии токсичны для живых организмов [2], а некоторые из этих соединений обладают мутагенными и канцерогенными свойствами [3]. Загрязнение окружающей среды этими веществами часто имеет диффузный характер [4], но наибольшую проблему представляют места локального загрязнения нефтью, каменноугольной смолой и продуктами их переработки [5-7].

Жизнедеятельность микроорганизмов является одним из главных факторов деградации ПАУ в окружающей среде [8-10]. Поэтому, наряду с разработкой физико-химических методов очистки загрязненных почв, донных осадков и грунтовых вод, ведется разработка технологий биоремедиа-ции, таких, как пассивная биоремедиация (natural attenuation) [11], культивирование загрязненных земель (landfarming) [12], компостирование [13], обработка в биореакторах [14, 15], фиторе-медиация [16].

1 Автор для корреспонденции (e-mail: golovleva@ibpm.push-chino.ru).

Биодеградация ПАУ осуществляется бактериями, грибами и растениями. Большинство эука-риот способны лишь к трансформации молекул ПАУ в реакциях с участием цитохрома Р450, и только лигнинолитические базидиомицеты осуществляют минерализацию ПАУ в реакциях, катализируемых лакказами и пероксидазами [17]. Бактерии, в отличие от эукариот, могут использовать ПАУ в качестве ростового субстрата и расти в среде, содержащей ПАУ, в отсутствие других источников углерода и энергии. Биодеградация ПАУ в аэробных условиях протекает существенно быстрее и полнее, чем в анаэробных [18—20]. Механизмы аэробной и анаэробной биодеградации ПАУ принципиально различаются [21]. В данном обзоре мы ограничимся рассмотрением аэробной деградации ПАУ бактериями, сосредоточив внимание на ее кинетических аспектах, т.е. обсудим, чем определяется скорость и специфичность биодеградации ПАУ.

ПЕРЕНОС ПАУ В БАКТЕРИАЛЬНУЮ КЛЕТКУ

В окружающей среде ПАУ существуют в виде паров в воздухе, растворов в воде, они также могут быть сорбированы твердыми телами и несме-шивающимися с водой жидкостями [22—24]. Как правило, не весь субстрат в экосистеме доступен для микроорганизмов. Вопрос о физической локализации биодоступной фракции ПАУ в загрязненной почве остается дискуссионным. Все бак-

10

11

12

13

14

15

16

Рис. 1. ПАУ, включенные Агентством по охране окружающей среды США (US EPA) в список приоритетных загрязнителей окружающей среды [1]: нафталин (1), аценафтилен (2), аценафтен (3), флуорен (4), фенантрен (5), антрацен (6), флуорантен (7), пирен (8), бенз[а]антрацен (9), хризен (10), бензо[а]пирен (11), бензо[6]флуорантен (12), бензо[£]флу-орантен (13), бензо[£,Л,г']перилен (14), индено[1,2,3-с,йГ]пирен (15), дибенз[а,Л]антрацен (16).

терии-деструкторы ПАУ способны поглощать субстрат из водной фазы, однако большая часть объема почвенных пор недоступна для бактериальных клеток по геометрическим соображениям [25]. Потребление ПАУ некоторыми бактериями происходит только из водной фазы [26—28]. В других случаях сообщается о непосредственном потреблении ПАУ с межфазных поверхностей [29—32] или из мицелл сурфактанта [33, 34].

Кроме биодоступной (ЫоауаПаЫе) фракции субстрата различают обратимо-связанную (Ыоае-ее88Ме) фракцию, не доступную непосредственно, но обменивающуюся веществом с биодоступной фракцией, и необратимо-связанную фракцию, из которой перенос вещества в биодоступную фракцию невозможен [35]. Биодеградацию ПАУ можно рассматривать как последовательную реакцию, состоящую из двух стадий:

CB о CA ^ Продукты,

(1)

где СА — биодоступная фракция; Св — обратимо-связанная фракция. Первая стадия представляет собой перенос ПАУ к месту конверсии, вторая — конверсию ПАУ. Если стационарная скорость биодеградации полностью контролируется стадией конверсии, а стадия массопереноса находится в равновесии, то такой режим процесса называется кинетическим; если стационарная скорость

биодеградации полностью контролируется стадией массопереноса, то такой режим процесса называется диффузионным. В естественных экосистемах, таких, как почва или донный осадок, биодеградация обычно протекает в диффузионном режиме [36].

Скорость биодеградации контаминанта в диффузионном режиме не зависит от концентрации биомассы, поэтому при постоянной скорости переноса ПАУ в биодоступную фракцию наблюдается линейный рост [28, 37]. Экспериментальной моделью конверсии субстрата в диффузионном режиме служит культура с подпиткой (fed-batch) [38, 39]. В реальных условиях загрязненной почвы скорость роста микроорганизмов с течением времени замедляется в связи с исчерпанием обратимо-связанного субстрата, либо в результате возрастания совокупных затрат субстрата на поддержание биомассы. В последнем случае микробная популяция входит в стационарную фазу роста несмотря на большие запасы субстрата в обратимо-связанной фракции: биомассы стало так много, что весь субстрат, поступающий в биодоступную фракцию, идет на поддержание биомассы [38, 40].

Следует различать кинетический и термодинамический аспекты биодоступности. Кинетический аспект характеризуется размером биодоступной и обратимо-связанной фракций и скоро-

1

4

5

6

7

8

9

OH

OH

НАД(Ф)Н + Н+ + O2 +

+ НАД(Ф)+

Рис. 2. Реакция, катализируемая гидроксилирующей диоксигеназой, на примере окисления фенантрена в (3£,4.К)-ди-гидрокси-3,4-дигидрофенантрен.

стью массопереноса между ними; эти параметры определяют скорость биодеградации в диффузионном режиме и общее количество ПАУ, способное подвергнуться биодеградации. Термодинамический аспект характеризуется соотношением биодоступной и обратимо-связанной фракций после установления равновесия между ними [41]. При достаточно высоком значении коэффициента распределения субстрата между обратимо-связанной и биодоступной фракциями его равновесная биодоступная концентрация может оказаться ниже насыщающей концентрации для микроорганизмов, и скорость биодеградации в кинетическом режиме будет меньше ожидаемой. С другой стороны, обратимая сорбция токсичного субстрата понижает его ингибирующий эффект [42].

Необратимо-связанная фракция ПАУ в почве увеличивается со временем, которое прошло с момента загрязнения. Этот процесс называют старением почвы (soil aging); при старении почвы уменьшается как возможность биодеградации контаминанта, так и его токсичность, поскольку необратимо-связанное вещество нетоксично [23].

Биодоступность ПАУ может быть повышена различными способами. Возможности увеличения биодоступности субстрата следуют из уравнения диффузии Фика [40], которое в упрощенном виде может быть записано так:

J = DA (S0 - S)/x,

(2)

где / — поток субстрата из источника (места залегания) в сток (место деградации), моль/с; — концентрация субстрата в источнике, моль/м3; Б — концентрация субстрата в стоке, моль/м3; х — длина пути диффузии, м; А — площадь сечения диффузии, м2; Б — коэффициент диффузии, м2/с.

Уменьшение пути диффузии (х) достигается путем формирования биопленок на межфазных поверхностях [43], чему способствует изменение химического состава клеточной стенки в ответ на появление ПАУ в среде [44]. Для уменьшения пути диффузии субстрата некоторые бактерии используют также хемотаксис [45].

Многие бактерии-деструкторы ПАУ синтезируют поверхностно-активные вещества — биосур-фактанты [46, 47]. Биосурфактанты увеличивают площадь сечения диффузии (А) за счет дисперги-

рования масляной фазы и повышают коэффициент диффузии (D), уменьшая межфазное поверхностное натяжение и улучшая смачивание, а также непосредственно взаимодействуя с адсорбированными молекулами ПАУ [48].

Низкая концентрация ПАУ в стоке (S) достигается за счет высокого значения удельного сродства (qmax/KS) данного микроорганизма по отношению к рассматриваемому ПАУ [40].

Деградация ПАУ происходит внутри бактериальной клетки под действием внутриклеточных ферментов. Молекулы ПАУ, небольшие и липо-фильные, способны свободно проникать сквозь бактериальные клеточные стенки и биомембраны. Перенос ПАУ в бактериальную клетку, по-видимому, осуществляется путем простой диффузии. В пользу этой точки зрения свидетельствуют следующие факты:

1) в штаммах-деструкторах ПАУ, хорошо изученных на молекулярном уровне, никаких специализированных систем транспорта ПАУ не обнаружено;

2) рекомбинантные штаммы E. coli, несущие гены гидроксилирующих диоксигеназ (ферментов, катализирующих окисление ПАУ), способны окислять ПАУ, несмотря на то, что собственных переносчиков ПАУ у кишечной палочки, очевидно, нет.

В литературе можно найти предположения о существовании систем активного транспорта ПАУ в бактериальную клетку [49, 50], но они недостаточно обоснованы, поскольку существован

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком