CC BY
4в якому впроваджений алгоритм зворотного зв'язку.
Список лггератури
1. Илюхина В. А. Транскраниальная микрополяризация в физиологии и клинике // Ю.К. Матвеев, Е.М. Чернышева. - Москва, 2006. - 192с.
2. Шелякин А. М. Микрополяризация мозга. Теоретические и практические аспекты // Г. Н. По-номаренко - Санкт-Петербург, 2006. - 224с.
3. Шелякин А. М. Микрополяризационная терапия в детской неврологии // И. Г. Преображенская, О. В. Богданов. - М: Медкнига, 2008. - 118с.
4. Transcranial electrical stimulation (tES - tDCS; tRNS, tACS) methods. [Електронний ресурс]. - 2014. - Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/279322740_ Transcranial_brain_stimulation_Potential_and_limitati ons
5. Transcranial brain stimulation: Potential and limitations. [Електронний ресурс]. - 2011. - Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/51549707_T ranscranial_electrical_stimulation_tES_-_tDCS_tRNS_tACS_methods
Семочкина М.А.
Нижневартовский государственный университет, аспирант кафедры экологии
ОБЗОР ОРГАНИЗМОВ-БИОРЕМЕДИАТОРОВ И МЕХАНИЗМОВ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ БИОРЕМЕДИАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ
REVIEW OF BIOREMEDIATORS AND MECHANISMS OF ENZYMATIC BIOREMEDIATION OF
HYDROCARBONS
Syomochkina M.A.
post-graduate student of the Department of Ecology of Nizhnevartovsk State University
АННОТАЦИЯ
Организмы могут использовать углеводородные загрязнители в качестве первичного или вторичного субстрата, вовлекать в процессы кометаболизма, использовать в качестве акцептора электронов или аккумулировать его в клетках. Для этого они используют эволюционно сформировавшиеся у них ферментативные комплексы разных биохимических типов. В статье приведен краткий обзор ферментативных механизмов деградации и трансформации углеводородов, а также групп организмов, их использующих.
ABSTRACT
Organisms can use hydrocarbon contaminants as a primary or secondary substrate, electron acceptors, involve contaminants in cometabolism reactions or accumulate them in cells. For these purposes, they use the evolutionary formed enzymatic complexes from different biochemical types. The article gives a brief overview of enzymatic mechanisms of hydrocarbon degradation and transformation, as well as groups of organisms that use them.
Ключевые слова: биоремедиация, биоремедиатор, биотрансформация, биодеградация, углеводороды.
Keywords: bioremediation, bioremediator, biotransformation, biodegradation, hydrocarbons.
Введение
Интенсивное хозяйственное освоение, добыча, хранение, транспортировка и переработка полезных ископаемых, химическое производство и другие отрасли хозяйства производят и освобождают в окружающую среду (планово или аварийно) тонны органических загрязнителей, способных оказывать токсический эффект на биоту экосистем. В этих условиях особое значение приобретают организмы-биоремедиаторы (бактерии, грибы, водоросли), способные до определенного уровня снижать концентрации загрязнителей, вовлекая их в круговороты вещества и энергии. Среди соединений, которые могут быть ими деградированы или трансформированы, - такие токсиканты как нефть, толуол, бензол и другие углеводороды, элиминирование которых является неотъемлемой стадией природо-восстановительных мероприятий [22]. Способность микроорганизмов к биодеградации и биотрансформации загрязнителей и легла в основу технологии биоремедиации, т.е. восстановления среды за счет
использования естественных метаболических путей живых организмов [18]. Персистентность загрязнителя в окружающей среде может быть связана как с его физико-химическими особенностями, так и с банальным отсутствием организмов, способных его разрушить, в экосистеме, никогда прежде с этим загрязнителем не встречавшейся. Организмы-биоремедиаторы могут значительно снизить стойкость органических загрязнителей и ускорить процесс их разложения [23]. Вот почему информация об организмах-биоремедиаторах и механизмах ферментативной ремедиации может и должна быть использована для повышения эффективности процесса восстановления среды.
Цель настоящей статьи - рассмотреть метаболические особенности, которые позволяют организмам вовлекать загрязнители в процессы жизнедеятельности и тем самым снижать их концентрацию в окружающей среде.
1. Механизмы ферментативной биоремедиа-
ции
Большинство экосистем способны в определенных пределах самостоятельно бороться с вмешательствами, перестраивая консорциумы живых организмов таким образом, чтобы минимизировать действие фактора [12]. В типичном незагрязненном микробном сообществе содержится менее 1% организмов, способных к разрушению углеводородов, однако при появлении в среде загрязнителя их количество может увеличиваться до 10% [8].
Способность микроорганизмов трансформировать сложные молекулы загрязнителя до простых, вовлекая их в свои метаболические пути, стала химической основой технологии биоремеди-ации [18]. Большинство органических загрязнителей являются высокоэнергетическими молекулами, и энергия, высвобождаемая при разрушении сложных энергоемких молекул до более простых, используется организмами для обеспечения роста и поддержания жизнедеятельности [12].
Использование загрязнителя в метаболических путях может проходить несколькими путями [18]:
- Использование в качестве первичного субстрата. Загрязнитель является первичным субстратом, если используется в метаболических процессах для выработки энергии для жизнедеятельности и деления клеток.
- Использование в качестве вторичного субстрата. Если соединение используется в метаболизме и обеспечивает клетку энергией, но не поддерживает рост, такие загрязнители называются вторичными субстратами.
- Кометаболизм. Если соединение трансформируется с пользой для клетки (без образования углерода и энергии), в то время как клетка получает энергию от другого трансформируемого соединения, биотрансформация называется ко-метаболиче-ской.
- Использование в качестве акцептора электронов. Некоторые загрязняющие вещества способны служить в качестве акцептора электронов в дыхательной цепи анаэробных бактерий и грибов. В этом случае энергия не получается из самого загрязнителя, но его превращение — элемент метаболических процессов, которые обеспечивают клетку энергией.
Еще один путь биоремедиации — биоаккумуляция — связан с извлечением загрязнителя из среды и накоплением его в клетках [22].
Загрязнители могут подвергаться изменению через дехлорирование, расщепление, окисление и восстановление ферментами организмов [18]. Эти ферменты сформировались в ходе эволюции, как результат мутационного процесса в ответственных за них генах и действия естественного отбора, закрепившего наилучшим образом подходящие для биоремедиации ферменты.
Задействованные ферменты обычно относятся к четырем биохимическим типам [23]: 1) оксидоре-дуктазы (монооксигеназы и диоксигеназы, перок-сидазы и оксидазы), катализирующие окислительно-восстановительные реакции; 2) гидролазы,
контролирующие процессы гидролиза; 3) трансфе-разы, модифицирующие вещества за счет переноса функциональных групп с одной молекулы на другую (например, метилтрансфераза, ацетилтрансфе-раза, лутатион-8-трансфераза); 4) транслоказы, регулирующие перемещение веществ в клетке, например направление гербицидов в вакуоли.
Изменение молекулы загрязнителя ферментативным аппаратом организмов может идти по пути биотрансформации или биодеградации [18]. Биодеградация представляет собой любое изменение молекулы загрязнителя через ряд биохимических превращений, который может закончиться, как уменьшением, так и увеличением токсичности [23]. Биодеградация же - это разложение сложной молекулы до более простых органических или же неорганических веществ, всегда связанное с уменьшением токсичности.
Оба варианта развития событий могут осуществляться ферментами, работающими как вне-клеточно, так и внутриклеточно, а также быть результатом физико-химического катализа или даже комбинации всех трех механизмов [18]. Так, разрушение углеводородов может происходить внекле-точно за счет работы мембраносвязанных ферментов при прикреплении микроорганизма к органической молекуле и постепенном вовлечении этой молекулы во внутренний метаболизм и разрушении ферментами цитоплазматической мембраны [11]. Известно, что предварительное выращивание культур микроорганизмов в средах с повышенным содержанием загрязнителя или родственных ему соединений, повышает выработку специфических ферментов, необходимых для разложения этих веществ [16]. Даже внутри одного вида популяции, выделенные с загрязненного участка, будут лучше адаптированы к переработке загрязнителя, чем популяции того же вида, но выращенные в условиях его отсутствия [18]. Хотя в исследовании Chaineau et al. [4] штаммы грибов, выделенные с загрязненных и незагрязненных субстратов, показали схожую способность к биодеградации.
Существует две стратегии, улучшающие эффективность ферментативного расщепления [11]: 1) механизмы специфической адгезии, когда микроорганизмы с гидрофобной за счет поверхностных белков и липидов поверхностью "прилипают" к таким же гидрофобным углеводородам, и 2) эмульгирование / солюбилизация углеводородов, когда микроорганизмы производят солюбилизирующие и эмульгирующие вещества, такие как биосурфак-танты и внеклеточные поверхностно-активные вещества.
Помимо использования в биоремедиации непосредственно живых организмов практикуется и использование экстрагированного ферментного комплекса. Экстрагированные ферменты могут быть непосредственно внесены в очищаемую среду, и такой способ биоремедиации не требует заботы о жизнеспособности микроорганизмов, а эффективность разложения загрязнителей зависит только от каталитических свойств и концентрации ферментов [18].
2. Организмы-биоремедиаторы
2.1. Бактерии
Эффективность применения бактериальных консорциумов показана в многочисленных экспериментах с использованием биореакторов для деградации хлорпирифоса [7], бензола, толуола и о-ксилола [20]. Arthrobacter sp., Sphingomonas spiritivorum, Acinetobacter baumanii также показали себя успешными биоремедиаторами в исследовании Chaineau et al. [4]. Использование сырой нефти в качестве источника углерода и энергии обнаружено у бактерий Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis и Bacillus laterospors [6].
2.2. Грибы
Грибы также способны к биоремедиации, в отличие от бактерий, они могут работать в районах с низкой влажностью и низким рН, расти гифами в направлении загрязнителя и прорастать вглубь субстрата, быстро колонизируя его [21; 22]. Высокое отношение площади клеток в гифах к объему максимизирует механический и ферментативный контакт гриба с окружающей средой, а обилие внеклеточных ферментов позволяет переносить более высокие концентрации загрязнителей [22]. Клетки грибов обычно содержат меньше азота, чем бактериальные, поэтому могут активно работать в экосистемах с низким содержанием азота [21].
Способность грибов деградировать сырую нефть показана в работе April et al. [3]. Чистая культура Candida lipolytica в исследовании Куличев-ской с соавт. [13], Phanerochaete chrysosporium, Pleurotus ostreatus и Coriolus versicolor в исследовании Yateem et al. [26], Emericella nidulans, Graphiwn putredinis, Eupenicillium javanicum и Aspergillus flavipes в исследовании Oudot et al. [17] также продемонстрировали способности к разложению сырой нефти. Cladophialophora sp. способна использовать толуол и этилбензол в качестве основного источника энергии, а ксилолы включать в реакции кометаболизма [19]. Trichosporon veenhuisii также использует некоторые алифатические и ароматические соединения в качестве единственного источника углерода и энергии [15]. Хотя чаще биореме-диация субстратов грибами осуществляется через кометаболизм и биоаккумуляцию [22].
2.3. Водоросли
Исследование Сафоновой Е.А. [2] показало, что аксеничные культуры водорослей Chlorella vulgaris, Chlorococcum vacuolatum, Klebsormidium flaccidum, Slichococcus sp., Tetracystis fissurata и ци-анобактерия Nostoc sp. способны к разрушению фенола (5-10 мг/л) на свету. Наибольшую эффективность в разрушении фенола продемонстрировал штамм Chlorococcum vacuolatum ES-15 (97% за 29 дней). Способность к биодеградированию нефти отмечена у Aphanocapsa elachista [9], Microcystis flos-aquae [10], Prototheca zopfi [24]. Способность морской водоросли Laminaria japonica деградировать полициклические ароматические углеводороды отмечена в работе Wang et Zhao [25].
2.4. Высшие растения
Фиторемедиация - это использование высших растений для биоремедиации загрязнений [14]. Фиторемедиация занимает больше времени, чем мик-робиоремедиация, но зато производит меньше промежуточных соединений, что делает ее более экологически безопасной технологией [23].
К способам извлечения загрязнителя из почвы растением относятся [14]: 1) фитоволатилизация -испарение воды и летучих химических элементов листьями растений; 2) фитостабилизация - извлечение загрязнителей из почвы и задерживание их в корневой зоне растения; 3) фитоэкстракция - извлечение загрязнителей из почвы и накопление их в надземной части растения; 4) ризофильтрация - поглощение корнями загрязняющих веществ, в основном тяжелых металлов, из водных растворов.
Поскольку микроорганизмы биодеструкторы находятся в ризосфере растений и образуют с ними симбиотические отношения, комбинация "высшее растение - ризосферные организмы" считается более эффективной для биоремедиации по сравнению с отдельно взятыми высшими растениями и ризо-сферной микробиотой [23]. Стимуляция симбиоти-ческих отношений между растениями и ризосферой (фитостимуляция), оказалась одной из самых эффективных стратегий за счет объединения биореме-диационных способностей высших растений, ризо-сферных бактерий и микоризных грибов [5]. Ризо-бактерии, стимулирующие рост растений (PGPR-штаммы), помимо прямой физиологической пользы увеличивают и эффективность биоремедиации углеводородов, например комбинация Lolium perrene (райграс пастбищный) с Azospirillum brasilense - в случае загрязнения нефтешламом, и Sorghum bicolor (сорго веничное) с Sinorhizobium meliloti — в случае загрязнения ПАУ [1].
Заключение
Выбор стратегии биоремедиации должен опираться на знание трех параметров: типа загрязнителя, типа почвы и организмов-биоремедиаторов, присутствующих в экосистеме. Поскольку живые организмы являются ключевым и единственным управляемым параметром из трех, знание о свойствах, преимуществах или недостатках этих организмов может стать решающим для эффективности фактором. Неоднократные опыты показали эффективность бактерий и грибов в роли соло-биореме-диаторов, хотя способности к биоремедиации обнаружены также у высших растений и водорослей. Максимальный эффект все же следует ожидать от консорциумов, включающих все эти организмы в верной комбинации. Все указывает на то, что необходимы дальнейшие исследования организмов-биоремедиаторов и их ферментативных механизмов, так как только максимально полное знание позволит поставить пока во многом спонтанный процесс биоремедиации на твердую научную почву.
Список литературы
1. Бондаренкова А. Д. Стимулирующие рост растений ризобактерии в фиторемедиации почв, загрязненных углеводородами: автореферат дис. ... кандидата биологических наук: 03.00.07, 03.00.23 / Бондаренкова Анастасия Дмитриевна; [Место защиты: Ин-т биохимии и физиологии растений и микроорганизмов]. - Саратов, 2009. - 23 с.
2. Сафонова Е. Ф. Биодеградация компонентов нефтяного загрязнения с участием микроводорослей и цианобактерий : автореферат дис. ... кандидата биологических наук : 03.00.07 / С.-Петерб. гос. ун-т. - Санкт-Петербург, 2004. - 17 с.
3. April T.M., Foght J.M., Currah R.S. Hydrocarbon-degrading fi lamentous fungi isolated from fl are pit soils in northern and western Canada // Can. J. Microbiol. - 2000. - 46. - pp. 38-49.
4. Chaineau C.H., Morel J., Dupont J., Bury E., Oudot J. Comparison of the fuel oil biodegradation potential of hydrocarbon-assimilating microorganisms isolated from a temperate agricultural soil // Sci. Total Environ. - 1999. - 227. - pp. 237-247.
5. Chaudhry Q., Blom-Zandstra M., Gupta S., Joner EJ. Utilising the synergy between plants and rhi-zosphere microorganisms to enhance breakdown of organic pollutants in the environment // Environmental science and pollution research international. - 2005. -12(1). -pp. 34-48.
6. Cybulski Z. The influence of emulsifiers on hydrocarbon biodegradation by Pseudomonadacea and Bacillacea strains / Z. Cybulski, E. Dzuirla, E. Ka-czorek, A. Olszanowski // Spill Science and Technology Bulletin. - 2003. - 8 (5). -pp. 503-507.
7. Fulekar M.H., Geetha M. Bioremediation of chlorpyrifos by Pseudomonas aeruginosa using scale up technique // Journal of Applied Biosciences. -2008. - 12. -pp. 657-660
8. Green A.E., Voordouw G. Microbial Community Dynamics During Bioremediation of Hydrocarbons // In: Singh A, Ward OP. (eds) Biodegradation and Bioremediation. Berlin: Springer-Verlag; 2004. - pp 19-36. - DOI 10.1007/978-3-662-06066-7_2
9. Ifeanyi V. O. Ex-situ bioremediation of crude oil polluted soil using algal species (Aphanocapsa ela-chista) / V. O. Ifeanyi, B. N. Anyanwu, J. N. Ogbulie, R. N. Nwabueze, V. Chukwuma, O'mezie Ekwudu, E. Nwabunnia // Asian Journal of Science and Technology. - 2013. - Vol. 5, Issue, 1. - pp. 001-003.
10. Ifeanyi V.O., Ogbulie J. N. Biodegradation of Crude Oil by Microalgae Microcystis flos-aquae // Nigerian Journal of Microbiology. - 2016. - 30(2). - pp. 3459-3463.
11. Jagadevan S., Mukherji S. Successful in situ oil bioremediation programmes // Indian Journal of Biotechnology. - 2004. - vol 3. - pp 495-501.
12. Jonsson A., Haller H. Sustainability Aspects of In-Situ Bioremediation of Polluted Soil in Developing Countries and Remote Regions // in: Dr. Maria C. Hernandez Soriano (Ed.) Environmental Risk Assessment of Soil Contamination, InTech. - 2014. - DOI: 10.5772/57315.
13. Kulichevskaya I.S., Guzev V.S., Panikov N.S. Population dynamics of hydrocarbon-oxidizing yeasts
The scientific heritage No 12 (12),2017 introduced into oil-contaminated soil // Microbiology.
- 1995. - 64. - pp. 569-573.
14. Latha A., Reddy S. Reviev on bioremediation
- potential tool for removing environmental pollution // International Journal of Basic and Applied Chemical Sciences. - 2013. - Vol. 3 (3). - pp.21-33.
15. Middelhoven J.W., Scorzetti G., Fell J.W. Tri-chosporon veenhuisii sp. nov., an alkane-assimilating anamorphic basidiomycetous yeast // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. - 2000. - 50. - pp. 381-387.
16. Monteiro C., Castro P.M.L., Malcata F.X. Cadmium Removal by Two Strains of Desmodesmus pleiomorphus Cells // Water Air and Soil Pollution. -2009. - 208(1). - pp. 17-27.
17. Oudot J., Dupont J., Haloui S., Roquebert M.F. Biodegradation potential of hydrocarbon-assimilating tropical fungi // Soil Biol. Biochem. - 1993. - 25.
- pp. 1167-1173.
18. Pandey B., Fulekar M.H. Bioremediation technology: A new horizon for environmental clean-up // Biology and Medicine. - 2012. - 4 (1). - 51-59.
19. Prenafeta-Boldu F.X., Vervoort J., Grotenhuis J.T.C., van Groenestijn J.W. Substrate interactions during the biodegradation of benzene, toluene, ethylben-zene, and xylene (BTEX) hydrocarbons by the fungus Cladophialophora sp. strain T1 // Appl. Environ. Microbiol. - 2002. - 68. - pp. 2660-2665.
20. Singh D., Fulekar M.H. Biodegradation of petroleum hydrocarbons by Pseudomonas putida strain MHF 7109 isolated from cow dung microbial consortium // Clean Soil, Air, Water. - 2010. - 38 (8). - pp. 781-786.
21. Singh H. Mycoremediation : fungal bioremediation / Harbhajan Singh. - 2006. - 592 p.
22. Tahri Joutey N., Bahafid W., Sayel H., El Ghachtouli N. Biodegradation: Involved Microorganisms and Genetically Engineered Microorganisms // Biodegradation - Life of Science, Dr. Rolando Chamy (Ed.), InTech. - 2013. - DOI: 10.5772/56194. Available from:
https://www. intechopen. com/books/biodegrada-tion-life-of-science/biodegradation-involved-microor-ganisms-and-genetically-engineered-microorganisms.
23. Velázquez-Fernández J. B., Martínez-Rizo A.B., Ramírez-Sandoval M., Domínguez-Ojeda D. Biodegradation and Bioremediation of Organic Pesticides // Pesticides - Recent Trends in Pesticide Residue Assay, Dr. R.P. Soundararajan (Ed.), InTech. - 2012. -DOI: 10.5772/48631. Available from: https://www.intechopen.com/books/pesticides-recent-trends-in-pesticide-residue-assay/biodegradation-and-bioremediation-of-organic-pesticides.
24. Walker J.D., Colwell R.R., Vaituzis Z., Meyer S.A. Petroleum-degrading achlorophyllous alga Proto-theca zopfi // Nature (London). - 1975. - 254. - pp. 423424.
25. Wang X.-C., Zhao H.-M. Uptake and Biodegradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Marine Seaweed // Journal of Coastal Research, SI 50 (Proceedingsof the 9th International Coastal Symposium). - 2007. - pp. 1056 - 1061.
26. Yateem A., Balba M.T., Al-Awadhi N. White rot fungi and their role in remediating oil-contaminated soil // Environ. Int. - 1998. - 24. - pp. 181-187.
