Изменение активности оксидоредуктаз в процессе ремедиации почв, загрязненных опасными ксенобиотиками

Поступивший в  почву кадмий в основном присутствует в ней в подвижной форме, что  имеет негативное экологическое  значение. Подвижная форма обуславливает  сравнительно высокую миграционную способность элемента в ландшафте и приводит к повышенной загрязнённости потока веществ из почвы в растения. Загрязнённые растения могут содержать даже до 400 мг/кг Cd и более (Евстигнеева, 2005). Подвижность кадмия будет определяться растворимостью его карбонатов и фосфатов, а также рН почвы. Кадмий наиболее подвижен в кислых почвах при рН=4,5-5,5.

Он не входит в число необходимых для растений элементов, но эффективно поглощается  ими. Кадмий в основном локализуется в корнях и в меньших количествах  – в стеблях, черешках и главных жилках листьев. При этом, когда количество кадмия в среде резко повышается, концентрация элемента в корнях в несколько раз превышает его концентрацию в надземной массе. Установлено (Арзиани, 1993), что хлорофилл обладает способностью концентрировать кадмий в растительных тканях. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержание кадмия в растениях, – это хлороз листьев, красно-бурая окраска их краёв и прожилок, а также задержка роста и повреждения корневой системы. Фитотоксичность кадмия проявляется и в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации углекислого газа, а также в изменении проницаемости клеточных мембран.

Кадмий –  эффективный и специфичный ингибитор  биологического восстановления. Поскольку  в органические вещества включается только аммонийный азот, нитрат-анионы, поглощенные растением, должны восстанавливаться в клетках. Как химический аналог цинка кадмий может заменять его в энзиматической системе, необходимой для фосфолирирования глюкозы и сопровождающий процесс образования и расщепления углеводов.  Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и даже гибель растений.

Ртуть

Этот ТМ существует в земной коре в виде киновари –  относительно безвредного вещества, но естественные процессы и в значительно большей степени деятельность человека привели к тому, что в мировом океане уже накопилось более 50 млн. т этого ТМ в виде токсичных соединений. Природными источниками распространения ртути (Hg) являются выветривание горных пород, активность вулканов; к антропогенным источникам относятся электрохимическое производство хлора, ртутьсодержащих приборов, красок для судов, пестицидов, фармакологических препаратов, катализаторов для органического синтеза (Корте, 1996).

В природных  условиях соединения ртути, в основном, адсорбируются в речных отложениях. Ртуть начинает медленно высвобождаться из них и растворяться в воде, что приводит к образованию хронического источника загрязнения. Первоначально попадает в воду в виде иона, затем под действием анаэробных микроорганизмов быстро взаимодействует с органическими веществами и образует чрезвычайно токсические соединения: диметилртуть, и ион метилртути. Из-за высокой растворимости быстро проникает в гидробионты, откуда попадает в пищевую цепь. Метилртуть особенно опасна для человека и животных, т.к. быстро переходит из крови в мозговую ткань, разрушая мозжечок и кору головного мозга. Клинические симптомы такого поражения – оцепенение, потеря ориентировки, ухудшение зрения. Отравление соединениями ртути может привести к летальному исходу.

Соединения  ртути вызывают инактивацию некоторых  ключевых ферментов клеточного метаболизма, в частности цитохромоксидазы, принимающей  участие в процесс дыхания. Кроме  того, ртуть может соединиться с сульфгидрильными и фосфатными группами, инактивировать ферменты, содержащие сульфгидрильные группы, и повреждать клеточные мембраны (Корте, 1996).

Мышьяк

Один из самых  токсичных элементов, активно используется человеком в самых разных сферах деятельности. Этот элемент входит в состав руд, содержащих медь, свинец, олово, никель, кобальт и другие металлы. Все соединения мышьяка (As) чрезвычайно токсичны. При нагревании они разлагаются, что вызывает распространение ядовитых паров мышьяка. Источниками загрязнения окружающей среды мышьяком являются эмиссия при добыче и переработке мышьяковых руд; производство мышьяка и его соединений; плавление меди, свинца и цинка; горение каменного угля и т.д. Соединения мышьяка – оксиды, арсениты и арсенаты – используются, в основном, для обработки древесины, они входят в состав инсектицидов, гербицидов и десикантов, применяются при изготовлении разных видов стёкол, антикоррозийных сплавов, припоев, боеприпасов, кислотных аккумуляторов (Фелленберг, 1997). Мышьяк высокой чистоты используется в полупроводниках, солнечных батареях, светодиодах, лазерах и интегральных схемах. Неорганические соединения мышьяка до 1970 г. применялись и в медицине при лечении лейкемии, псориаза, астмы.

Соединения  мышьяка, попадающие в атмосферу с выбросами, оседают на поверхности почвы, водоёмов, сорбируются и проникают в растения, далее попадают в пищевую цепь.

Арсенизм, или  отравление мышьяком, очень редкая болезнь, чаще наблюдается хроническое  отравление из-за продолжительного контакта с мышьяковой пылью и его парами, что нередко приводит к летальному исходу. Отравление нелетальными дозами вызывает гемолиз эритроцитов, повреждение печени и почек, раздражение кожи, центральной нервной системы и пищеварительного тракта (Фелленберг, 1997).

Мышьяк и  его соединения – канцерогенные  вещества. Они вызывают опухоли кожи, печени, кишечника, мочевого пузыря и  лёгких. Известно (Фелленберг, 1997), что  применение инсектицидов, содержащих соединения мышьяка, против вредителей винограда – филлоксеры – вызывало так называемый рак виноградарей, т.е. раковыми болезнями заболевал персонал, работающий на виноградных плантациях.

Некоторые тропические  водоросли устойчивы к действию мышьяка (Арзиани, 1993). Они способны поглощать мышьяк в виде арсената, восстанавливать его до арсенита и связывать с фосфолипидами. Образованные конъюгаты сохраняются в жировых капельках или клеточных мембранах. При высоком содержании фосфатов в воде те же водоросли лишаются способности обезвреживать токсичные действия арсенат-ионов и погибают. В этом случае мышьяк ковалентно связывается с сульфгидрильными группами ферментов, вызывая их ингибирование.

Усваивать и  преобразовывать соединения мышьяка  могут также некоторые виды мицелиальных грибов и бактерий. Например, метаногенные бактерии в аэробных условиях способны превращать неорганический мышьяк в метилированные соединения, которые ферментативно восстанавливаются до летучих алкиларсинов (Русин, 1989).

Свинец

Свинец (Pb) – один из широко применяемых в промышленности ТМ. Металлический свинец и его соединения (оксиды, галогениды, карбонаты, хромат, сульфаты) применяются в машиностроении, при производстве аккумуляторов, пьезоэлектрических элементов, резины, стекла, глазури, эмали, олифы, замазок, для изготовления красок. Объём мирового производства свинца составляет несколько миллионов тонн в год (Федоров, 2005). К числу наиболее важных техногенных источников эмиссии свинца относятся выбросы и сточные воды, образующиеся при высокотемпературных технологических процессах металлургической, металлообрабатывающей, машиностроительной, химической, химико-фармацевтической, нефтехимической и других отраслях промышленности; выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания; добыча, транспортировка и переработка металла; стирание деталей, содержащих свинец. Высокая степень загрязнения свинцом установлена и в почвах на местах военных действий и полигонов.

С выхлопными газами соединения свинца (оксиды, хлориды, нитраты, сульфаты) выносятся в виде твёрдых  частиц, около 20% которых оседают  в непосредственной близости от дороги. Авторы (Федоров, Русин, 2005) особо отмечают шоссейные дороги, вблизи которых не рекомендуется разводить плантации сельскохозяйственных растений, особенно быстрорастущих овощных культур.

Избыточное  содержание свинца в почве ведет к уменьшению числа основных представителей почвенного микробиоценоза. Степень токсичности свинца для микрофлоры зависит от типа почвы: в чернозёмах нейтрализация токсичности происходит быстрее, чем в других почвах (Русин, 2005). Наиболее устойчивыми к соединениям свинца являются как некоторые представители эукариот – микроскопических грибов, так и прокариоты – отдельные виды бактерий. Значительно более остро реагируют на присутствие свинца актиномицеты и бактерии, ассимилирующие молекулярный азот. Очевидно, эти организмы можно использовать в качестве биоиндикаторов, указывающих на степень загрязнения.

В почве уровень  свинца, снижающий урожай или высоту растений на 5-10%, считают токсичным (Русин, 2005). При содержании свинца в почве выше 50 мг/кг его концентрация в овощных культурах превышает допустимую норму. Следует отметить, что в человеческий организм свинец попадает, в основном через пищевые цепи – 90%, из них 60-70% приходится на продукты растительного происхождения.

Свинец умеренно токсичен. Он вызывает хроническое отравление, так называемый сатурнизм, с довольно разнообразными клиническими проявлениями: поражает центральную и периферическую нервные системы, костный мозг, кровь, сосуды, подавляет синтез белка, действует на генетический аппарат клетки, оказывает гонадотоксичное и эмбриотоксичное действие, активирует онкологические процессы (Русин, 2005).

Все соединения свинца характеризуются сходным  действием, разница в токсичности  объясняется неодинаковой растворимостью этих соединений в желудочном соке, кишечнике, крови и цитоплазматической жидкости организма. Труднорастворимые соединения свинца также подвергаются преобразованиям в кишечнике, в результате чего их растворимость и всасываемость существенно повышаются. Свинцовые белила, сульфат и оксид двухвалентного свинца токсичнее других соединений. Особой токсичностью характеризуются соединения свинца, содержащие токсичный анион, например ортоарсенаты, хроматы и азид. Биоцидными свойствами отличаются органические соединения свинца, в частности тетраэтилсвинец, который применяют для повышения октанового числа бензина. Летучий тетраэтилсвинец быстро распространяется в воздухе и в результате действия УФ-лучей расщепляется на радикалы. Радикал триэтилсвинца реагирует с разными веществами, обладающими акцепторными свойствами. Образовавшийся ион триэтилсвинца за счёт ионного заряда проявляет гидрофильные свойства, а наличие этильных групп придает иону липофильный характер, благодаря чему ион свинца легко проникает через мембраны и связывается с соединениями серы, белками и пептидами, вызывая изменения в их структуре. Следует отметить, что ввиду высокой токсичности применения этилированного бензина во многих странах запрещено или ограничено (Русин, 2005).

1.1.2. Ароматические углеводороды

Бензол  и его гомологи

Токсичной основой  многих органических соединений является ароматическое кольцо бензола. Сам  бензол и его гомологи чрезвычайно  токсичны. Более чем 90% производимого  бензола связано с нефтехимической  промышленностью, остальная часть  приходится на коксохимическое производство и природный газ. Крупнейший экспортёр бензола – Великобритания – ежегодно производит бензол в количестве около миллиона тонн (Фелленберг, 1997). Из-за высокой токсичности производство и применение бензола с 1980 г. ограничено в странах ЕЭС, Великобритании и США, несмотря на это, бензол остается одним из самых опасных и требующих особого внимания токсичных соединений.

Большую часть  бензола и его гомологов в  виде разных смесей применяют во многих видах топлива с целью повышения  октанового числа горючего, заменяя при этом очень токсичную добавку бензина – тетраэтилсвинец. Кроме того, бензол применяют как сырьё в производстве стирола, циклогексана, этилбензола, кумола, нитробензола, анилина, а также как растворитель или добавочный компонент при производстве красок, чернил, резины, клея, смесей, выводящих пятна, при производстве мебели, моющих средств, лекарств, пестицидов. Очевидно, не будет лишним отметить, что бензол является также компонентом дыма сигарет.

Основными антропогенными источниками распространения бензола и его гомологов в окружающей среде является (Фелленберг, 1997):

• выброс сырой нефти и нефтепродуктов при очистке и переработки сырой нефти;
• эмиссия от комбинатов, производящих и перерабатывающих смолу и уголь;
• отходы производства, в которых бензол является конечным продуктом или исходным компонентом синтеза;
• эмиссия при сгорании топлива и горючих ископаемых;
• утечка из подземных резервуаров для хранения горючих продуктов.

Бензол, прежде всего, попадает в атмосферу в  процессе производства или использования, откуда проникает в другие экосистемы. В разных количествах бензол содержится в водах океанов, морей, озер, водохранилищ и рек, в грунтовых водах, даже в питьевой воде, почве, осадках и др.

Бензол и  его гомологи – давно и хорошо известные канцерогенные вещества, вызывающие лейкемию (Эйхлер, 1985). Попадая в печень и лёгкие, бензол, будучи неполярным и относительно устойчивым соединением, подвергается первичному окислению цитохром Р450-содержащей монооксигеназой, в результате чего образуется бензолоксипин и оксид бензола. Эти соединения характеризуются более высокой растворимостью в воде и более реакционноспособны, чем сам бензол. Далее продукты первичного окисления бензола из печени потоком крови переносится в другие органы, включая костный мозг. В этих тканях бензолоксипин и оксид бензола подвергаются следующим ферментативным превращениям: сначала они восстанавливаются до фенола, который затем окисляется до пирокатехина или гидрохинона. Эти дифенилы, в свою очередь, окисляются до бензохинонов. Превращения дифенолов, в основном, катализируется ферментами клеток костного мозга. Образовавшиеся бензохиноны характеризуются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Каждый из них за счёт оксогрупп может связывать две молекулы белка или нуклеиновых кислот, что приводит к нарушению их нормальной биологической функции (Стокер, 1982).

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

Эти токсичные  соединения почти нерастворимы в  воде, имеют высокую температуру  кипения и с трудом поддаются биологической деградации. Тем не менее, эти вещества получили повсеместное распространение. К этим веществам относят: 3,4-бенз(а)пирен, 1,2-5,6-дибензантрацен, 7,12-диметилбензантрацен, 3-метил-холантрен, 3,4-бензофлуорантрен (Hofmann, 1986). Все эти соединения имеют, как минимум, одно углубление в структуре молекулы, так называемую “Bay”-область, характерную для многих канцерогенных веществ. ПАУ в промышленных масштабах не производятся, соединения этого класса образуются в процессе горения и содержатся во многих природных продуктах. Например, представителей ПАУ можно встретить в смолах, битумах, саже, гуминовых компонентах почвы, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в копченых продуктах, табаке и многих других продуктах. ПАУ встречаются в воздухе, воде и почве, что создаёт реальную опасность их накопления в живых организмах и повышенных концентрациях.