Криобиологические сосуды > Окружающая среда и биотехнология > Биодеградация поверхностно-активных веществ

Биодеградация поверхностно-активных веществ


По чувствительности к биодеградации синтетические поверх­ностно-активные соединения, применяемые в быту и в промыш­ленности как моющие средства, можно разделить на «жест­кие» и «мягкие». Анионные соединения этой группы, такие как алкилбензолсульфонаты, в конце 50-х гг. привлекли к себе внимание тем, что они загрязняют окружающую среду: это проявлялось в образовании пены в водоемах. Сначала в продажу поступали «жесткие» детергенты, устойчивость которым придавали их разветвленные алкильные боковые цепи. Чтобы предотвратить их накопление в природе, промышленность доб­ровольно перешла к производству подверженных биодеграда­ции, линейных неразветвленных алкилбензолсульфонатов. Раз­рушение этих поверхностно-активных соединений начинается с окисления концевых метальных групп, после чего за счет р-окисления идет расщепление линейных боковых цепей. Коль­цевые структуры молекул обычно разрушаются только после полной деградации боковой цепи. Данный процесс осуществля­ется только в аэробных условиях, поскольку для начального окислительного этапа требуется кислород. Разветвленные мо­лекулы не всегда оказываются устойчивыми, хотя процесс их β-окисления и затруднен. Механизм разрушения разветвлен­ной цепи до конца не установлен. Связь углерод — сера явля­ется очень прочной, и это увеличивает биологическую инерт­ность молекулы детергента. Реакции десульфирования деталь­но не изучены, но скорее всего в них участвуют гидроксилазы или монооксигеназы. По-видимому, далее сульфонатный оста­ток превращается в сульфат, возможно, с образованием суль­фита в качестве промежуточного продукта. Есть ос­нования считать, что десульфирование и жега-рзацепление ароматического кольца детерминируются плазмидами.
Алкилсульфаты все еще используются как моющие средст­ва на фабриках-прачечных и в косметической промышленно­сти; основную их массу составляют первичные алкилсульфаты. Линейные сульфаты легко разрушаются, но этот процесс замедляется из-за наличия разветвленных участков. В первич­ной атаке этих молекул участвуют сульфатазы, образующие соответствующие спирты, которые подвергаются затем даль­нейшему метаболизму. Для этого процесса кислород не ну­жен, и он может идти в анаэробных условиях. Необычность алкилсульфатаз по сравнению с сульфатазами вообще состоит в том, что они атакуют связь С—О в группах С—О—S. Пер­вичные и вторичные алкилсульфаты индуцируют образование сложного комплекса сульфатаз.
Неионные детергенты применяются в быту; поскольку они облегчают смачивание и способствуют образованию эмульсий, их с успехом используют при производстве аэрозолей для сельского хозяйства и в косметической промышленности. Ли­нейные первичные алкогольэтоксилаты минерализуются быстро и до конца, но более высокомолекулярные гомологи более ус­тойчивы. Деградация осуществляется путем окисления конце­вых метальных групп и последующего р-окисления с образова­нием низкомолекулярных алканоатэтоксилатов, лишенных поверхностно-активных свойств. У вторичных алкогольэтоксила гдe, гидрофобная алкильная цепь разрушается с обоих концов за счет ω и β-окисления. Имеющиеся   в   этих   соединениях эфирные связи увеличивают их устойчивость к биодеградации.
Были предложены возможные способы расщепления этих свя­зей, , в частности монооксигеназное расщепление, гидролиз, уча­стие углерод: кислород—лиазы   и   окисление   а-атома   углерода эфирной связи   с   последующим   гидролизом сложного эфира.
 
СООН.СН2.О.СН(СООН).СН2СООН    КМС
СООН.СН2.О.СН2.СООН    ОДА
СООН.СН2.О.СН2.СН2.О.СН2.СООН         ЭГТА
N(CH2COOH)3    HГА

Рис. 6.20. Структура некоторых органических соединений, пригодных, для повышения эффективности детергентов.
 
Имеющиеся в продаже детергенты редко содержат по весу более 30% поверхностно-активного соединения. К числу осталь­ных компонентов относятся оптические отбеливатели, отбеливатели-окислители, вспомогательные пенообразователи, анти­коррозийные добавки и (в ряде случаев) ферменты. Основную массу составляет носитель (наполнитель). Наполнители нужны для: 1) уменьшения концентрации свободного кальция и магния с целью предотвращения образования неорганических осад­ков в противном случае выпадут в осадок соли щелочнозе­мельных металлов и аниона детергента; 2) диспергирования агрегатов почвенных частиц и стабилизации почвенных суспензий. Наполнители должны иметь хорошую буферную емкость и не вступать в нежелательные реакции с другими компонен­тами смеси. В течение многих лет для этих целей использова­ли тринатрийфосфат, но он ускоряет зарастание внутренних водоемов. Процесс эвтрофикации водоемов может ускоряться в результате биодеградации и минерализации любого азоти­стого или фосфорного соединения. В поисках кандидатов на роль свободных от азота и фосфора наполнителей были выбра­ны синтетические карбоксиэфиры (КМС, карбоксиметилсукцинат; ОДА, окисидиацетат; ЭГДА, этиленгликольдиацетат; рис. 6.20). Изучение метаболизма КМС и его аналогов позволило понять, каким путем микроорганизмы приобретают способность к деградации новых ксенобиотиков. Сам КМС быстро разруша­ется в природе; в начальной реакции участвует индуцибельная, лиаза, расщепляющая молекулу КМС с образованием гликолата и фумарата. Аналоги 'КМС оказались более стойкими, види­мо, вследствие субстратной специфичности индуцируемых лиаз. Устойчивость этих аналогов не связана с процессом их поглощения клетками, поскольку было п'оказано, что они по­ступают в них при участии конститутивной системы транспор­та цитрата. КМС-лиаза оказалась удивительно сходной с полигалактуронатлиазой; организмы, развивающиеся на КМС, так же хорошо растут на полигалактуронате. Это весьма пока­зательный пример появления способности к деградации путем приобретения новой функции уже существующими ферментами. Возможно, что эта лиаза кодируется пйазмидой. В качестве на­полнителя широко использовался нитрилтриацетат (НТА), по­скольку он подвержен быстрой биодеградации в системах ак­тивного «ла и в речной воде.