Биодеградация ароматических углеводородов

Главный принцип биодеградации ароматических соединений заключается в том, что различные по структуре соединения превращаются в сходные полупродукты, которые затем преобразуются по нескольким основным цепочкам в полупродукты цикла Кребса (Krebs) (см.

Получение ароматических соединений для цикла Кребса (пустые стрелки), которые проходят несколько стадий основных полупродуктов, два из которых протокатехат и катехол. Дальнейший катаболизм двух этих соединений достигается посредством ферментов либо орто- (жирные стрел­ки), либо мета- (тонкие стрелки) разрыва

При аэробном катаболизме полупродукты большинства цепочек — одно из нескольких соедине­ний с двумя гидроксогруппами либо на соседних атомах углерода ароматического кольца (орто), либо на противоположных (пара). Разрыв кольца — обязательный шаг при аэробной минерализа­ции ароматических соединений, он почти всегда осуществляется дегидрогеназами, которые присо­единяют два атома кислорода к молекуле субстрата.

Среди начальных реакций в катаболических цепочках трансформации ароматических соедине­ний в субстраты с разорванным кольцом присутствуют:

а) присоединение к ароматическому кольцу одной или двух гидроксогрупп; реакция гидрок­силирования, катализируемая посредством дегидрогеназ или одна, в некоторых случаях две, реакции, катализируемые монооксигеназами;

б) любая из групп-заместителей на ароматическом кольце может быть подвергнута воздей­ствию в начальных реакциях;

с) разрыв дважды окисленного ароматического кольца происходит по двум биохимическим цепочкам: орто- и мета-разрыв (рис.

Можно сделать три главных вывода из исследований деградации полициклических ароматичес­ких углеводородов (ПАУ), состоящих из трех или более бензольных колец связанных линейно, под углом или блочно (кластерами):

1) ПАУ-фракция нефти более устойчива, чем алкановая;

2) с возрастанием числа колец ПАУ возрастает их устойчивость к биологическим воздействиям;

3) с увеличением алкиловых замещений ПАУ в смесях становятся менее чувствительны к деградации.

Рис. 10. Деградация циклогексанолов и циклогексанонов Acinetobacter spp.

346

Табл.5

Часть II. Примеры применения биотехнологии БАВ в науке и производен

Рис. 11. Предполагаемая цепь деградации циклогексанкарбоксилата

Некоторые основные компоненты бензиновой, фракции нефти

Как общие принципы метаболизма ПАУ перечислим следующие.

1. Многие бактерии и грибы могут перерабатывать ПАУ. Вообще, скорость биодеградации ПАУ обратно пропорциональна числу колец в молекуле. Таким образом, ПАУ с меньшей молекулярной массой разлагаются быстрее более тяжелых соединений;

2. Микробная деградация таких ПАУ, как нафталин, антрацен и фенантрен надежно подтве­рждена, а биохимические цепочки такой деградации установлены. Тем не менее, мик­робы, потребляющие более тяжелые ПАУ, изучены значительно меньше;

3. Механизмы биодеградации (как прокариотический, так и эукариотический) требуют при­сутствия кислорода для начального ферментного воздействия на кольца ПАУ (с участием монооксигеназ и диоксигеназ). Другие ферментные системы, такие как метанмонооксиге- назы и лигнинпероксидазы, могут играть важную роль в катаболизме ПАУ.

4. Отмечено участие бактериальных эписом в деградации нафталина и фенантрена. Были проанализированы некоторые катаболические гены, включая регуляторные. Тем не менее, о генетических и регуляторных механизмах бактериального катаболизма ПАУ с большей молекулярной массой известно немного.

5. Микробная деградация ПАУ в водных и сухопутных экосистемах сильно зависит от раз­личных биотических и абиотических факторов, включая: температуру, pH, тип почвы, аэрацию, нутриенты, глубину, диффузию, адаптацию микробов, биоусвояемость, токсич­ность осадочных пород и концентрацию ПАУ.

ОН»

Рис. 13. Конвергентный метаболизм ароматических соединений

Рис. 14. Присоединение молекулярного кислорода к катехолу посредством двух альтернативных механизмов — мета- или орто-разыва кольцевой структиры

Стадии биодеградации ароматических углеводородов:

• начальное воздействие на группы-заместители.

• трансформация субстрата, ведущая к дигидроксилированию ароматического кольца.

• разрыв кольца.

• трансформация продуктов разрыва кольца в полупродукты цикла Кребса (рис. 15). Деградация полициклических ароматических соединений начинается с дигидроксилирования одно­

го из бензольных колец. После этого осуществляется разрыв дигидроксилированного кольца. Угле­родный каркас (полициклического ароматического соединения), образованный в реакции разрыва коль­ца, затем распадается и начинается деградация следующего бензольного кольца. Таким образом, биохи­мические принципы сходны для полициклических и моноциклических ароматических соединений.

1. Начальное воздействие на группы-заместители:

а) в некоторых катаболических цепочках для алкилбензолов (соединения, состоящие из ароматического соединения и алканов) сначала производится воздействие на аромати­ческое ядро. Это ведет к образованию алкилкатехолов, являющихся субстратами для разрыва кольца (т.е. алкилзаместитель удерживается среди полупродуктов цепочки);

б) и наоборот, окисление заместителей алкила до гидроксилирования кольца. Это ве­дет к образованию ароматических карбоновых кислот, которые затем окисляются до субстратов для разрыва дигидроксилированного кольца.

Ниже приведены примеры окисления, предшествующего гидроксилироваяию кольца.

1) Толуол, мета-ксилол, к-ксилол: одна метильная группа окисляется до карбоксильной

группы цепочки, закодированной в толуол-эписоме (TOL) Pseudomonas putida с участием трех ферментов:

а) ксилолмонооксигеназа — первый фермент в цепочке — трансформирует толуол и ксилолы до (метил) бензилспиртов. Фермент состоит из двух различных субъеди-

Рис. 15. Общие последовательности реакций при аэробной деградации ароматических углеводородов. Различные ароматические соединения проходят четыре стадии трансформации полупродуктов в цикле Кребса, реагирующих в главных цепочках

Рис.

Рис. 1 7. Дегидроксилирование ароматического кольца катализируется соответствующими диоксигеназами и дигидродигидрогеназами. Бактериальные диоксигеназы, гидроксилирующие кольцо, синтезируют цис- дигидродиолы посредством присоединения двух атомов кислорода к ароматическому кольцу.

В реакции потребляется НАДН. Дигидродиолы окисляются до катехола или его производных посредством дигидродиолдегидрогеназы (А). Если дигидродиолы содержат заместители типа (В) и (С), они химически нестабильны и спонтанно трансформируются в производные катехола

ниц: каталитического компонента, гидроксилирующего метильную группу (гидрок■ силаза), и НАДФН-зависимой редуктазы (компонент переноса электронов), который восстанавливает гидроксилазу (см. рис. 16, А);

б) производные спирта, синтезируемые ксилолмонооксигеназой, впоследствие окис­ляются под действием двух ферментов: бензилспиртдегидрогеназы и бензальдегид- дегидрогеназы .

2) пара-крезол: химическое строение полупродуктов в цепочке деградации пара-крезола в Pseudomonas схожи с полупродуктами в предыдущей цепочке.

Цепь со стороны метила сначала гидрокси лиру ется, и полученные таким образом производные спирта окисляются да альдегидов, но механизмы реакций различны:

а) Первые две реакции катализируются пара-крезолметилгидроксилазой — периплазмати- ческим протеином.

б) Производные хинона спонтанно превращаются в 4-гидроксибензиловый спирт (первая реакция) и 4-бензальдегид (вторая реакция). Присутствие атома углерода, связанного с водородом, напротив (пара) гидроксил-группы, способствующей образованию хинона, яв­ляется непременным условием для осуществления таких реакций.

2. Моногидроксилирование ароматического кольца.

Как сказано выше, образование ароматсоединений с двумя гидроксо-группами — непременное условие окислительного разрыва кольца.

Если начальный субстрат уже имеет одну гидроксо-группу на ароматическом кольце, то присо­единением второй гидроксо-группы можно добиться синтеза субстрата для разрыва кольца.

Моногидроксилирование ароматического кольца обычно осуществляется посредством моноок­сигеназ. Например: а) 4-гидроксилбензоатгидроксилаза катализирует его моногидроксилирование до протокатехата; б) фенолгидроксилазы гидроксилируют фенол до катехола.

Эти флавопротеиновые гидроксилазы (4-гидроксилбензоат, 4-гидроксифенилацетат, 3-салици- латгидроксилаза и 3-фенолгидроксилаза) присоединяют гидроксо-группу, соседнюю (орто) с уже имеющейся. Другие гидроксилазы (например, 3- гидроксилбензоат-6-гидроксилат) катализируют пара-гидроксилирование.

3. Дигидроксилирование ароматического кольца.

Дигидроксилирование ароматического кольца катализируется за один шаг диоксигеназами, присоединяющими оба атома молекулярного кислорода. Продукты реакции дигидроксилирова- ния в бактериях — цис-дигидродиолы (рис. 16,

G; 18).В примерах присутствуют нафталиндиок­сигеназа и бензоат- и толуат-диоксигеназы (рис.

16, F, G). Цис-дигидродиолы, синтезируемые гидроксилирующими кольцо диоксигеназами, впоследствии трансформируются дигидродиол- дигидрогеназами в катехолы (рис. 17). В катабо­лических цепочках деградации орто-заме- щенных галобензоатов и бензолсульфонатов по­лупродукты цис-дигидродиола нестабильны й спонтанно трансформируются в катехол (рис. 17,

В, С).

Основная цель различных цепочек — присо­единение двух атомов кислорода к ароматическо­му ядру для получения катехола, который затем становится субстратом для разрыва кольца. Нап­ример, толуол — один из наиболее изученных ароматических углеводородов. Известны пять различных цепочек аэробной бактериальной дег­радации (рис. 18).

4. Разрыв кольца.

Ароматические соединения с двумя гидрок­со-группами, орто- или пара- по отношению друг другу, разлагаются посредством оксиге­наз разрыва кольца, присоединяющих оба ато­ма молекулярного кислорода.

Рирьа пальца

Рис. 18. Цепи деградации толуола посредством штаммов различных бактерий

А — Р. putida; В — Р. mendocina; С — Р. cepacia.

I) — Р. picetii; Е — Р.putida

Разрыв катехола и протокатехата происходит либо:

а) между гидроксо-группами (интрадиол- или орто-разрыв), либо;

б) в ближайшей к одной из гидроксо-групп связи (экстрадиол- или лета-разрыв) (см. рис. 14

Разрыв гентизата и гомогентизата (см. ниже) происходит между заместителем (-СООН ил

-СН₂СООН) и ближайшей гидроксо-группой.