Изменение активности оксидоредуктаз в процессе ремедиации почв, загрязненных опасными ксенобиотиками

В подавляющем  большинстве случаев для ПАУ  характерны канцерогенные свойства. При попадании в организм под  действием ферментов из ПАУ образуются эпоксисоединения, реагирующие с гуанином (Hofmann, 1986). Это препятствует синтезу ДНК, вызывает нарушение транскрипционных процессов, часто приводит к возникновению мутаций, способствует развитию раковых заболеваний.

Имеющиеся литературные данные (Майстренко, 2003) указывают на способность лишь небольшого числа микроорганизмов и растений обезвреживать ПАУ путём их деградации до обычных клеточных метаболитов.

1.1.3. Пестициды

Пестициды –  средства защиты растений и борьбы с вредителями, в прошлом столетии стали наиболее распространёнными химическими загрязнителями окружающей среды. Согласно данным Агентства защиты окружающей среды и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), к пестицидам относится более 1000 представителей самых разных классов химических соединений, таких как карбаматы, тиокарбаматы, дипиримиды, триазины, феноксиацетаты, кумарины, нитрофенолы, пиразолы, пиретроиды, а также органические соединения хлора, фосфора, олова, ртути, мышьяка, меди и т.д. (Матвеев, 2001). Производство и употребление пестицидов, количество которых измеряется десятками миллионов тонн в год, тесно связано с сельским хозяйством. Наиболее распространённые пестициды (Гусакова, 2000):

• Альгициды – средства против водорослей.
• Акарициды – применяются против клещей.
• Антизарастающие агенты – для предотвращения зарастания разными водными организмами подводных поверхностей.
• Атрактанты – средства для приманивания паразитов.
• Бактерициды – используются для уничтожения бактерий.
• Гербициды – для уничтожения сорной растительности.
• Десиканты – для осушивания корней растений.
• Дефолианты – предназначены для ускорения опадания листвы.
• Инсектициды – для уничтожения насекомых.
• Моллюскоциды – используются для защиты от улиток.
• Нематоциды – защита от вредных нематод.
• Реппеленты – средства, отпугивающие вредителей, включая насекомых.
• Фумиганты – препараты для уничтожения вредителей в зданиях.
• Фунгициды – защита от грибковых заболеваний.

Чрезвычайно широкое  применение пестицидов во всем мире приводит к их повсеместному распространению. Разнообразными пестицидами загрязнены почвы сельскохозяйственных плантаций, грунтовые воды и водоёмы. Токсичная часть молекул пестицидов, составляющая основу их действия, или входящие в состав пестицидов в виде минорных составных частей или даже примесей токсичные компоненты часто попадают в пищевую цепь и вызывают разные заболевания (Эйхлер, 1985).

Органо-фосфатные  пестициды, такие как эфиры фосфорной  и тиофосфорной кислот (например, инсектициды  – алкилфосфаты, паратион и др.), а также карбаматы (например, гербициды – барбан, бетанал; фунгицид – манеб и др.) (табл. 3.) действуют на нервную систему, блокируя ферменты, регулирующие активность нейротрансмиттера – ацетилхолина (Русин, 1989).

К примеру, алкилфосфаты (триэтилфосфат) являются сильными ингибиторами ацетилхолинистеразы. Это влияет на передачу сигнала к нервным окончаниям с ацетилхолин-рецептором. Снижение активности фермента приводит к накоплению ацетилхолина, что в свою очередь в зависимости от дозы этого метаболита вызывает признаки таких болезней, как слюноотделение, отёк легких, колики, понос, тошнота, ухудшение зрения, увеличение кровяного давления, мышечные спазмы и судороги, нарушение речи, паралич дыхательных путей (Русин, 1989). Подобную клиническую картину могут дать фосфаты и карбаматы при попадании в организм в больших количествах.

Инсектициды на основе хлорорганических соединений (например, хлордан, диелдрин, 1,1,1-трихлор-2,2-бис(п-хлорфенил)этан (ДДТ), линдан) (табл. 3.) довольно легко  проникают в организм человека через  пищеварительный тракт или кожу, если они применялись в растворённом виде.

Таблица 3.

Примеры фосфорорганических и хлорорганических пестицидов

При этом мембраны нервных клеток располагаются так, что сохраняется проницаемость для осмотического переноса потока натрия. Нарушенный действием пестицидов потенциал покоя после возбуждения либо совсем не возвращается к исходному значению, либо снижается лишь частично. Таким образом, хлорорганические соединения изменяют возбудимость нервных клеток (Русин, 1989). Сначала при этом повреждая нервные пути, а затем при более высоких концентрациях и сенсорные нейроны. Хлордан и диелдрин являются соединениями с ярко выраженным канцерогенным характером действия.

ДДТ относится  к числу чрезвычайно активных препаратов с инсектицидным действием. Это соединение впервые было синтезировано  в 1874 году, а с 1930 года, когда были установлены его инсектицидные  свойства, началось его интенсивное  применение против возбудителей малярии – комара анофелеса (Эйхлер, 1985). Широкое и неограниченное применение ДДТ привело к его повсеместному распространению, что связано с его хорошей растворимостью в жирах. Данный фактор определил внедрение этого инсектицида в цепь питания, причем количество ДДТ в последних звеньях питательной цепочки почти в миллион раз превышает его содержание в обычных условиях. Примером может служить цепь питания от дождевой воды через жвачных животных к материнскому молоку (Эйхлер, 1985). ДДТ хорошо сорбируется глинами, а также накапливается в перегное с сосновыми иглами, где этот инсектицид растворяется в восковом веществе сосновой хвои. Это вещество оказывает крайне отрицательное воздействие на экосистему, отравляя многие организмы. ДДТ представляет собой типичный контактный яд, быстро проникающий через кожу. Он нарушает нормальный цикл в мембранах нервных клеток, так как понижает чувствительность натриевого насоса, поэтому после возбуждения нервных сигналов не происходит восстановление нормального потенциала покоя. Попадание в организм большого количества ДДТ вызывает паралич конечностей. Предполагают (Эйхлер, 1985), что через материнское молоко этот инсектицид может серьёзно вредить здоровью ребенка или, проникая в половые железы, нарушать способность к деторождению. В обычных условиях ДДТ распадается медленно и не полностью. В аэробных условиях продуктами распада являются производные дихлорэтилена, мене токсичные, чем сам ДДТ; в анаэробных условиях образуются производные дихлорэтана, легко трансформирующиеся в производные уксусной кислоты.

Гербициды оказывают  на организм человека физиологическое  действие, отличающееся от их действия на растения. Дипиридилы, например гербицид паракват, уже при внешнем контакте с кожей вызывают образование  волдырей и язвы (Стокер, Сигер, 1982). При попадании в организм дипиридил повреждает почки и печень, а затем, вызывая фиброзные изменения лёгких, приводит к летальному исходу. Из-за высокой токсичности дипиридил требует крайне осторожности при применении.

Токсичными свойствами обладают также так называемые пиретроидные пестициды, представляющие собой синтетические аналоги широко распространенного инсектицида – пиретрина – соединения, выделенного из хризантемы. Используемые в качестве инсектицидов пиретроиды модифицированы с целью повышения их стабильности. Некоторые синтетические пиретроиды характеризуются токсичным действием на нервную систему.

1.2. Биоремедиация загрязненных почв

Биоремедиация загрязнённых почв и грунтов представляет собой набор способов, основанных на применении биологических агентов для очистки почв и грунтов от поллютантов. Чаще всего для биоремедиации почв используются микроорганизмы, обычно бактерии и грибы; реже – растения (Киреева, 2005).

Выбор определённой технологии биоремедиации основывается на основе таких критериев как природные условия места очистки, свойства почвы, концентрация и уровень токсичности поллютанта и т.д. Применяемые в биоремедиации почв технологии можно объединить в две группы: методы in situ и методы ex situ.

Биоремедиация in situ

Биоремедиация in situ основана на очистке среды от поллютанта без удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ (Obed, Schacht, 2002).

Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, с тем, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию поллютантов. Данная техника чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов (Kenneth, Ajibo, 2002).

Помимо кислорода, стимуляция биодеградации может осуществляться путём введение в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию поллютанта. Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие удобрения (Kenneth,Ajibo, 2002).

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических поллютантов, присутствующих в почве (Kenneth, Ajibo, 2002).

Биоремедиация ex situ

Биоремедиация ex situ основана на снятии слоя загрязнённой почвы и очистке её от поллютантов за пределами места загрязнения, что делает этот подход более дорогостоящим, чем биоремедиация in situ. Тем не менее, у технологий данного типа есть ряд преимуществ: они требуют меньше времени и обеспечивают полный контроль процесса очистки.

Одним из типов, применяемых при биоремедиации ex situ технологий, является использование биореакторов (Киреева, Мустафина, 2000). Перед помещением в биореактор из почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносятся проводящие очистку от поллютанта почвы микроорганизмы, для которых в реакторе создаются оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва высушивается и возвращается в окружающую среду.

Другой подход биоремедиации ex situ заключается в том, что удалённая с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию.

Существует  целый ряд методов биоремедиации, позволяющих проводить более  полную очистку почвы, причём как  в условиях in situ, так и ex situ. Одной из таких перспективных технологий является применение пены. Смесь пенообразующего вещества вместе с деградирующими бактериями накачивается сжатым воздухом на определённой глубине почвы. Другая перспективная технология биоремедиации почвы основана на механизме электролиза (Матвеев, 2005). В почву помещают две противоположно электрически заряженных конструкции (по сути, катод и анод). Происходит электролиз почвенной воды, образуется водород и стимулирующий метаболизм деструкторов кислород.

При практическом применении той или иной технологии биоремедиации основным показателем их эффективности нередко служит конечный результат – ускорение процесса очищения почвы от  загрязнителя. При этом механизмы процесса очистки часто остаются вне поля зрения исследователей, вследствие чего и результат оказывается плохо предсказуемым (Семенов, Куличевская, 1998). Поэтому в настоящее время актуальным является поиск показателей для мониторинга процессов биоремедиации.

Фиторемедиация

Одним из наиболее эффективных методов очищения почвы  от загрязнителей является фиторемедиация – это технология использования растений и ассоциированных с ними микроорганизмов для разложения, сдерживания распространения или обезвреживания загрязнителей. Новой концепцией фиторемедиации является использование растений совместно с ростостимулирующими штаммами-деструкторами. Фиторемедиация эффективна только на участках с низким к средним уровнем загрязнения ( Киреева, 2000). Растения способны очищать почву на глубину роста своих корней. Таким образом, деревья и кустарники очищают почву на большую глубину, чем травянистые растения. Фиторемедиационный потенциал растений зависит от метаболической активности (при разложении) или от концентрации токсикантов в органах растений и массы последних (при накоплении). Токсиканты в растениях могут: накапливаться в корнях, стеблях и листьях (например, тяжелые металлы); разлагаться до менее токсичных веществ (органические соединения); передвигаться по растению и испаряться с его надземных органов. Растения могут участвовать в фиторемедиации и косвенно: например, некоторые растения сорбируют токсиканты на поверхности своих корней; жуки и микробы, живущие около корней растений способны разлагать токсические вещества до безвредных (Киреева, 2000).