Биодеградация алифатических углеводородов

Усилия, направленные на определение структурных особенностей молекул, влияющих на их подверженность биодеградации, привели к следующим обобщениям, которые, в связи с наличием некоторых исключений, нужно применять осторожно: олигомеризация неблагоприятно влияет на биодеградацию, это иллюстрируется медленной деградацией целлюлозы и синтетических полиме­ров; присоединение хлористых, азотных и серных групп или разветвленных углеродных цепей к молекуле ведет к снижению ее показателей по микробной деградации; увеличение числа замес­тителей молекулы повышает ее устойчивость.

Алифатические углеводороды это газы (например, метан, этан), жидкости и молекулы, состо­ящие из длинных цепочек с сорока и более атомами углерода, — твердые при физиологических тем­пературах. Могут быть как неразветвленными, так и слаборазветвленными и сложно разветвленны­ми. Имеют две общие характеристики: плохо растворимы (гидрофобные молекулы) и имеют только связи углерод-углерод или углерод-водород. Большое количество бактерий, микроскопических гри­бов и дрожжей могут перерабатывать субстраты алифатических углеводородов (табл. 2).

Рис. 6. Предполагаемая схема поглощения алкана, связанного с поверхностно активным соединением, клеткой а — общая схема; б — идея рецепторного канала

Из-за нерастворимости в воде (растворимость алифатических соединений быстро уменынае увеличением молекулярной массы), микробам пришлось выработать набор адаптационных н ков для использования большинства потенциальных углеводородных субстратов.

Две основные характеристики микроорганизмов, окисляющих углеводороды:

• расположенные на мембране группоспецифичные оксигеназы и

• механизмы оптимизации контакта микроорганизмов и не растворимых в воде утлеводор<

Предполагаются четыре способа поглощения углеводородов микроорганизмами:

а) захват растворенных форм в жидкой фазе;

б) установление контакта клетками на поверхности раздела жидкость-углеводород круг; капель нефти;

в) , установление контакта клетками с мелкими или субмикронными капельками нефти;

г) поглощение посредством синтеза поверхностно-биоактивных соединений, которые ув> чивают растворимость углеводородов

Поглощение алифатических углеводородов, предварительно растворенных в воде, возмо только для соединений с очень низкой молекулярной массой (С₁₀), так как более тяжелые соеді ния пренебрежимо слабо растворимы и растворяются крайне медленно (см.

Если легкие углеводороды усваиваются в летучем или растворенном виде, то деградация я ких слаборастворимых углеводородов (углеродная цепь С₁₀) происходит при прямом контакте ; ток с крупными каплями и с субмикронными капельками. Для этого нужно, чтобы микробы ли слипаться с остаточными тяжелыми молекулами углеводородов.

Предложено три механизма для улучшения контакта и взаимодействия между бактериями растворимыми в воде углеводородами с целью их разложения:

Табл. 3. Некоторые поверхностно-биоактивные вещества, синтезируемые микроорганизмами

а) механизмы слипания: так как многие из необходимых для окисления углеводородов фер­менты располагаются на клеточной мембране, микроорганизм должен вступать в непос редственный контакт с субстратом (не обнаружено внеклеточных ферментов для разложе­ния углеводорода); для этого нужны микробы с повышенной гидрофобностью поверхнос­ти клетки, чтобы слипаться с остаточными тяжелыми углеводородами; такое слипание происходит благодаря тонким гидрофобным фибриллам, или фимбриям, или другим про­теинам или липидам на внешней поверхности мембраны, а также некоторым поверхнос­тным молекулам;

б) выделение клеточных метаболитов с поверхностно-активными свойствами: формиро­вание и выделение клеточных метаболитов с поверхностно-активными свойствами, пони­жающими поверхностное натяжение между фазами, например, нефтью и водой, об­наружено у некоторых бактерий; эти соединения были названы поверхностными-биоак- тивными веществами. За счет понижения поверхностного натяжения они стимулируют перемешивание и микрорастворение (образование эмульсии) (табл. 3);

в) десорбция из углеводорода может быть необходима в случае применения бактерий, разла­гающих нефть. После слияния и роста микробов на поверхности, через некоторое время условия для дальнейшего развития становятся неблагоприятными. Токсины могут акку­мулироваться, а различные скопления могут перекрыть доставку необходимых нутриен­тов. Любая отдельная бактерия может использовать только часть капельки нефти. По ме­ре того, как бактерии размножаются на границе раздела углеводород-вода капельки, относительное количество неутилизируемого углеводорода к объему капельки растет до тех пор, пока рост клеток полностью не прекращается. Одной из задач поверхностно­биоактивного вещества может быть регуляция десорбции рабочего штамма с гидро­фобных поверхностей.

Рис, 7.

Способ поглощения клеткой псевдорастворенного алкана при соприкосновении с поверхностно тивным веществом до сих пор не известен. Один из предложенных механизмов представлен на рис

а) непосредственно присоединенный алкан или мицелла алкана расчленяется в гидроф ном канале;

б) поверхностно-активное вещество не допускается в канал из-за размеров или гидрофобное; с) в канале молекулы алкана объединяются в микрокапельки.

Вообще, алканы окисляются до соответствующих: спирта, альдегида и жирной кисло'і Жирные кислоты, полученные из алканов, затем окисляются до ацетата и пропионата посредств индуцируемых (3-окислительных систем.

Самая типичная цепочка разложения алкана — это окисление крайней метиловой групі (рис. 7). Большинство микроорганизмов превращают алканы в соответствующие спирты noept ством монооксигеназной системы: реакции гидроксилирования этого типа могут зависеть от тип систем-носителей электронов; системы, связанные с рубредоксином (например, Pseudomonas pv da) и цитохромом Р-450 (например, Candida spp.), изучены наиболее тщательно. Известно, что р оксигеназные системы тоже сюда относятся, но менее типичны. В этих системах w-алканы прев; щаются в гидропероксиды, а затем восстанавливаются до соответствующих спиртов. Послед ющий метаболизм спирта может идти разными путями: при окислении крайних групп спи обычно окисляется до соответствующего альдегида и жирной кислоты посредством связанной с п ридиннуклеотидом дегидрогеназами (в качестве коэнзимов необходимы НАД или НАДФ); вмес окисления крайних групп может возникнуть ш-окисление, приводя к синтезу а- и ш-бутановг кислот и/или со-гидроксижирных кислот.

Очень редко возникает окисление соседних с крайними групп к-алканов до вторичных спиртов. Окисление соседних с крайними групп н-алканов ведет к образованию вторичных спиртов и кето­нов. Такие спирты окисляются до соответствующих эфиров и гидролитически разлагаются на кис­лоту и спирт.

Разветвленные алканы разлагаются хуже, чем н-алканы. В углеводородных смесях деградация разветвленных углеводородов обычно подавляется из-за присутствия субстратов неразветвленных соединений. Механизмы подавления, как и возможного участия независимых ферментных сис­тем, остаются невыясненными.

Метаболизм алкенов инициируется либо атакой двойной связи, либо реакцией окисления в лю­бом месте молекулы, как для к-алканов. Образование продуктов окисления 1-алкена зависят от то­го, куда пришелся первый удар: на одну из метиловых групп или на двойную связь.

Анаэробная деградация углеводородов является предметом активных научных дебатов на про­тяжении многих лет. Мнения относительно анаэробной деградации алкенов до сих пор разнятся; до сих пор нет убедительного доказательства, что существует такое явление.

4.3.