Кто съел полиэтилен?

Кандидат химических наук Антон Миндубаев, Институт органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН

Наиболее естественный и экологически безопасный способ уничтожения отходов цивилизации — биодеградация

В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «био/мол/текст-2017» в номинации «Свободная тема».

Наука и жизнь // Иллюстрации
Наиболее важные биологические процессы, связанные с окислением молекулярным кислородом. Самое значимое из них — аэробное дыхание. В наши дни нелегко представить, что пару миллиардов лет назад кислород был вредным для всего живого ксенобиотиком — чужеродным для живых организмов веществом.
Гриб трутовик разноцветный Coriolus versicolor разлагает иприт, структурная формула которого приведена вверху. Фото: Jerzy Opioła/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.
Фрагмент структуры полиэтилена. Разлагается почвенными бактериями Pseudomonas aeruginosa: сначала окисляется по схеме алкан → спирт → альдегид → жирная кислота → ацил КоА, затем подвергается классическому β-окислению до уксусной кислоты.
Капролактам — мономер капроновых волокон — тоже «едят» микробы. Фото: https://glaucous.prom.md.
Наука и жизнь // Иллюстрации

Загрязнение окружающей среды — серьёзная проблема современности. Наиболее естественный и экологически безопасный способ уничтожения отходов цивилизации — биодеградация, то есть разложение загрязнителей живыми организмами — бактериями, грибами, водорослями. Но всегда ли это возможно? Оказывается — да! Даже самые ядовитые и «неразлагаемые» отходы типа полиэтилена для микробов-деструкторов — настоящее лакомство.

Наверное, каждый читатель знаком с понятием биосферного круговорота биогенных элементов — углерода, азота, фосфора, серы, железа. Слово «круговорот» указывает на замкнутость процесса: атомы элемента вовлечены в него в течение длительного времени. Именно замкнутость круговоротов элементов определяет устойчивость биосферы. Но однажды в истории нашей планеты произошёл разрыв круговорота важнейшего для жизни элемента — углерода. Было это около 300 млн лет назад, в каменноугольном периоде. Тогда облик планеты стремительно менялся и появилась новая, доселе не встречавшаяся экосистема — лес. Лес состоит из деревьев, а деревья производят древесину. Значительную часть древесины составляет лигнин, который подвергается биодеградации лишь с помощью ферментов лакказ, продуцируемых некоторыми грибами ксилотрофами. Но в описываемое время они ещё не существовали. Поэтому после гибели дерева древесина не гнила, а обугливалась (подвергалась абиотической деструкции). Точнее, гнила, но частично: существовавшие тогда организмы-деструкторы выедали целлюлозу, а лигнин оставался и со временем превращался в уголь. Так на месте первых лесов формировались залежи каменного угля. Процесс карбонификации древесины шёл, вероятно, по той же схеме, что и на современных торфяниках: лигнин → торф → бурый уголь → каменный уголь. На каждой стадии этого процесса росло относительное содержание углерода в ископаемых остатках, то есть как раненое существо теряет кровь, так и биосфера того времени стала терять углерод. Это могло привести к катастрофе: через несколько миллионов лет значительная часть углерода из живого вещества должна была превратиться в мёртвый уголь и жизнь на Земле полностью бы погибла или была бы отброшена обратно в ранний палеозой.

Но этот страшный сценарий не сбылся. Появление лигнина — нового пищевого ресурса — открыло новую экологическую нишу, которая должна была заполниться. И со временем развились грибы, способные разлагать лигнин без вреда для собственных тканей. Благодаря биодеградации лигнина этими организмами круговорот углерода в биосфере снова стал замкнутым, что в конечном итоге привело к появлению нас с вами.

Можно привести и более ранний пример биодеградации в истории нашей планеты. Ещё задолго до появления деревьев атмосфера Земли стала насыщаться продуктом жизнедеятельности цианобактерий — агрессивным и токсичным окислителем, молекулярным кислородом О2. Для первых живых организмов и современных анаэробных бактерий кислород так же ядовит, как газообразный хлор для человека. И случилось событие, именуемое кислородной катастрофой, — массовая гибель существовавших тогда анаэробных микроорганизмов. Но жизнь сумела приспособиться. Сначала появились аэротолерантные микробы, способные обезвреживать кислород. Позже жизнь «догадалась», что, окисляя кислородом органические молекулы, можно получить баснословное количество необходимой для жизнедеятельности энергии. И сейчас большинство форм жизни на Земле не способно существовать без кислорода.

Так что можно с уверенностью сказать: экологический кризис, охвативший Землю в наше время по вине человека, будет преодолён. Появление новых биологических видов, которые производят новые вещества, происходит постоянно. Одновременно в процессе эволюции возникают новые виды, приспособленные этими веществами питаться и возвращать их в круговорот. В свете вышесказанного ажиотаж вокруг сжигания ископаемого топлива не вполне обоснован. Ведь сейчас в биосферу возвращается тот углерод, который был из неё когда-то изъят.

Таинственный мир

Человек приспособил явление биодеградации для своих нужд. Например, для очистки сточных вод оно используется уже более ста лет. В 1916 году в Англии, в промышленном Манчестере, был построен первый аэротенк и введено понятие «активный ил». Тем не менее ещё лет двадцать — двадцать пять назад считалось, что способность перерабатывать ксенобиотики (ксенобиотик — чуждый жизни, от древнегреческого ξένος — чуждый и βίος — жизнь) у микроорганизмов очень ограничена. Способность как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов разлагать эти вещества не вызывает сомнения. Когда процесс осуществляется не индивидуальным микроорганизмом, а структурированной микробной ассоциацией (сложность которой вполне сопоставима с многоклеточным организмом), эффективность и глубина деградации органических соединений заметно увеличиваются.

Эффективность биодеградации основана на поразительной гибкости и совершенстве метаболических путей микроорганизмов. Вот один пример. Ацетонитрил*, органический растворитель и комплексообразователь, сравнительно легко подвергается биодеградации культурами микроорганизмов, продуцирующих ферменты нитрилазы и амидазы, например Nocardia rhodochrous LL100—211. Нокардии гидролизуют ацетонитрил практически до безвредного ацетата аммония, легко утилизируемого большинством микроорганизмов в качестве источника углерода и азота. А в организме млекопитающих тот же ацетонитрил при помощи цитохрома Р450 окисляется до формальдегидциангидрина, далее распадающегося на чрезвычайно токсичные (способные привести к летальному исходу) метаболиты формальдегид и синильную кислоту.

Микроорганизмы, способные к переработке ксенобиотиков, довольно разнообразны. Микробиологи сходятся во мнении, что описанные в настоящее время микробы составляют от 0,1% до нескольких процентов их подлинного разнообразия. Более 90% из них не растут в искусственных средах и именуются общим термином «некультивируемые». Нам практически ничего неизвестно об их метаболических путях и возможностях метаболизма.

Разрушители ядов

Высшие ароматические соединения (бензпирен, дибензофуран, дибенздиоксины и прочие) печально известны как сильнейшие канцерогены и мутагены. Эти вещества легко образуются, например, при неполном сгорании органики и в небольшой концентрации всегда содержатся в дыме, то есть при вдыхании отравленного смогом городского воздуха они всегда попадают в наши лёгкие. К тому же ароматические молекулы обладают высокой устойчивостью. А благодаря выраженной липофильности полиароматика ещё и склонна аккумулироваться в живых организмах. Самое главное, полиароматические молекулы плоские и легко укладываются в стопку нуклеотидов ДНК, то есть обладают сродством к «молекуле жизни». Причём не просто укладываются, а в результате окисления цитохромами активируются и образуют с нуклеотидами ковалентные связи — так называемые аддукты. Это неизбежно приводит к повреждению хрупкой двойной спирали, на чём, собственно, и основан механизм токсического действия бензпирена, хризена и подобных молекул.

Кажется, что есть повод для паники: от таких зловредных соединений нет спасения! Тем не менее, хотя с появлением в атмосфере Земли кислорода на планете постоянно что-то горело, образовывались полиароматические молекулы, их уровень оставался низким. В роли спасителей выступили, как нетрудно догадаться, микробы.

Поскольку высшие арены представляют собой большие молекулы достаточно сложного строения, для них характерны длинные, многообразные и сложные пути катаболизма с множеством промежуточных продуктов. Таким образом, к микробным метаболитам можно отнести большинство высших ароматических систем. А конечными продуктами деградации становятся совершенно безвредные (и даже полезные для здоровья) уксусная и янтарная кислоты, вступающие далее в цикл Кребса, конечные продукты которого — углекислый газ и вода.

Как результат микробы способны «есть» даже асфальт и каменный уголь, состоящие из высших аренов очень сложного строения.

Знаменитейший из пестицидов — вещество с мудрёным названием 1,1,1-трихлор-2,2-бис (4-хлорфенил)этан, запомнившееся широкой общественности под названием ДДТ. Дурная слава этого соединения не ослабевает и сейчас, хотя официально ДДТ много лет как запрещён и не производится. Причина кроется в свойствах этого ароматического соединения. ДДТ очень устойчив и может сохраняться в окружающей среде десятками лет. Как ни парадоксально, опасность ДДТ связана с его низкой токсичностью для теплокровных: ДДТ — инсектицид и изначально разрабатывался для борьбы с беспозвоночными. Он сильно гидрофобен (то есть не смачивается водой), почти нерастворим в воде, но хорошо — в жирах. Поэтому ДДТ склонен накапливаться в тканях живых организмов, всегда содержащих липиды, и неприметно «портить» обменные процессы. Сочетание жирорастворимости и устойчивости привело к тому, что следовые концентрации ДДТ обнаруживались даже в жировой ткани пингвинов, живущих в Антарктиде и питающихся рыбой из океана, то есть в местах, где ДДТ никогда не применялся. Негативное влияние пестицида проявляется не сразу, а лишь когда инсектицид уже накопился в высоких концентрациях в окружающей среде и проник в живые организмы.

Долгое время именно ДДТ преподносился как пример вещества, не подверженного биодеградации. Теперь же известно, что этот ксенобиотик в несколько стадий окисляется культурами специализированных микробов до п-хлорбензойной кислоты. Далее, уже другими микробами, п-хлорбензойная кислота подвергается катаболизму по пути, общему для всех ароматических веществ, до безопасного ацетата, то есть для полного обезвреживания ДДТ требуется не один, а несколько видов микробов — так называемая консорция видов. Впрочем, факт биодеградации ДДТ не должен вызывать излишнее благодушие: она происходит очень медленно, и большинство промежуточных продуктов разложения не менее опасны, чем исходное вещество.

Другой очень известный ядохимикат — гербицид атразин, подавляющий рост сорняков. Его биологическая активность распространяется на животных и человека. Атразин относится к группе так называемых эндокринных дизрупторов, — он влияет на баланс половых стероидных гормонов у позвоночных. Так, самцы лягушек становятся гермафродитами, а у человека развивается рак молочной железы. К счастью, токсичный ксенобиотик в несколько стадий превращается в дружественные биосфере вещества — аммиак, углекислый газ и хлорид-ион. Разлагает его штамм бактерий Pseudomonas sp. ADP. Практически все стадии осуществляются специфическими ферментами, кодируемыми плазмидными генами** бактерий atzA, atzB и atzC. Атразин применяется на полях с 1958 года, и за этот срок у почвенной микрофлоры появилась плазмида с новыми генами, кодирующими ферменты, ранее не встречавшиеся в природе! Это замечательный пример эволюции в действии.

Иприт (ди-β-хлорэтилсульфид) — одно из самых ранних боевых отравляющих веществ, применявшееся ещё в Первую мировую войну. В месте попадания капель иприта на живую ткань появляются практически не заживающие нарывы и язвы. И хотя из химических арсеналов его давно вытеснили более изощрённые яды, утилизация начинённых ипритом боеприпасов до сих пор остаётся актуальной проблемой.

Конечно, крайне трудно представить, что какой-то живой организм способен усваивать иприт. И действительно, деградация иприта начинается с химического гидролиза щелочами до спирта тиодигликоля. Токсичность этого вещества неизмеримо ниже исходного, и микроорганизмы-деструкторы с ним уже справляются, но всё равно он подвергается биодеструкции чрезвычайно тяжело. Нужна целая консорция микроорганизмов (как и в случае ДДТ) для гидролиза тиодигликоля до смеси меркаптоэтанола и этиленгликоля. Оба образующихся соединения усваиваются микроорганизмами уже намного легче. Таким образом, обезвреживание иприта требует комплексного подхода. Впрочем, коллектив авторов из Японии в статье, недавно опубликованной в «Biotechnology Letters», сообщает, что при помощи грибов Coriolus versicolor и Tyromyces palustris им удалось обезвредить иприт напрямую, без применения химической стадии.

Цианиды — излюбленное средство убийства в детективных романах. А ещё они широко применяются в золотодобыче, производстве красителей и химии комплексных соединений. Всё это многообразие сфер применения основано на одном ярко выраженном свойстве цианидов — они образуют прочные комплексы с ионами переходных металлов. Причём неважно где — в пробирке, на золотом прииске или в эритроцитах человека, когда они связываются с ионами железа и гемоглобин перестаёт присоединять кислород, что ведёт к смерти.

Однако многие живые организмы постоянно готовы к встрече с цианидами и научились их обезвреживать, правда, в очень низких концентрациях. Дело в том, что цианиды, вопреки своей устрашающей репутации, не относятся к ксенобиотикам и широко распространены в природе. Косточки многих растений из семейства розоцветных содержат цианогенные гликозиды, выделяющие синильную кислоту. Поэтому красочно описанный в детективах запах синильной кислоты можно ощутить, просто разжевав во рту семечки из яблока. А съев стакан ядрышек абрикосовых косточек, можно получить смертельную дозу цианида.

Известно немало метаболических путей, которыми обезвреживаются цианиды в организме. Анаэробные бактерии восстанавливают синильную кислоту до метана и аммиака, аэробные микроорганизмы гидролизуют её до формамида и далее до муравьиной кислоты и аммиака. В организме млекопитающих при помощи фермента роданазы цианид превращается в менее токсичный роданид либо включается в состав непротеиногенной аминокислоты β-цианоаланина. Аминокислота образуется заменой тиоловой группы цистеина на цианогруппу. Далее цианогруппа может подвергаться ферментативному гидролизу, и образуется полезная аминокислота аспарагин.

Другой замечательный комплексообразователь — угарный газ (монооксид углерода) — образуется в результате неполного сгорания органики и ряда биохимических процессов. Не имея ни вкуса, ни запаха, он может убить человека незаметно. Под действием угарного газа, как и в случае с цианидами, гемоглобин в крови перестаёт связывать кислород. Однако монооксид углерода не страшен специализированным карбоксидобактериям, например Oligotropha carboxidovorans, которые в аэробных условиях окисляют его в безобидный углекислый газ при помощи фермента дегидрогеназы монооксида углерода. Надо отдать должное карбоксидобактериям, они большие труженики, занятые очисткой воздуха. Каждый год в результате их деятельности из нижних слоёв атмосферы Земли удаляется сто миллионов тонн (!) угарного газа.

Очень сильный и коварный яд — метиловый спирт. Смертельная доза составляет всего тридцать миллилитров, а от пяти миллилитров человек слепнет. Запах метанола практически неотличим от запаха этилового спирта, и отравиться им очень легко, причём сам по себе метанол практически не токсичен. Отравление вызывает формальдегид, образующийся в результате окисления метилового спирта ферментом алкогольдегидрогеназой. Формальдегид — вещество, склонное вступать в многообразные химические реакции. Поэтому он реагирует буквально со всем, что есть в организме, и является ядом широкого спектра действия. Метилотрофные микроорганизмы***, так же как люди, окисляют метанол алкогольдегидрогеназой до формальдегида, который для них неопасен. Далее метилотрофы утилизируют его в качестве источника углерода тремя известными путями.

В одном из путей формальдегид соединяется с глицином с образованием аминокислоты L-серина. В двух других путях формальдегид при помощи соответствующих ферментов присоединяется к пятиуглеродному сахару пентозе с образованием шестиуглеродного сахара гексозы. Фактически это та самая реакция Бутлерова, которая, согласно современным представлениям, привела к появлению сахаров в Первичном океане древней Земли, а впоследствии и жизни на ней. То есть любым из трёх путей ядовитые метанол и формальдегид в одну-две стадии превращаются в полезные вещества, аминокислоты и сахара! Эти превращения — яркая иллюстрация удивительного совершенства микробных метаболических путей.

Один из наиопаснейших загрязнителей окружающей среды — тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4, который длительное время использовался как антидетонационная присадка к моторным топливам. Китай производит его до сих пор — для стран третьего мира. Кроме того, тетраэтилсвинец во всём мире продолжают добавлять в авиационный бензин и специальные марки бензина для спортивных автомобилей. Для него вообще не существует предельно допустимой концентрации: присутствие тетраэтилсвинца в воде даже в «пороговых» количествах обнаружения самым чувствительным прибором делает её непригодной для использования.

Тетраэтилсвинец — это типичное органическое вещество, летучая жидкость, не смешивающаяся с водой, но отлично растворимая в жирах. И в то же время она содержит свинец — элемент, совсем не характерный для органической химии, который и придаёт веществу токсичность. А боковые этильные группы обусловливают его липофильность (растворимость в жирах) и способность беспрепятственно проникать через клеточные мембраны, из-за чего токсичность тетраэтилсвинца становится экстремально высокой.

Казалось бы, такое вещество никто не способен использовать для питания. Тем не менее тетраэтилсвинец гидролизуется почвенными микроорганизмами до этилового спирта и ионов двухвалентного свинца в составе неорганической соли. Разумеется, свинец никуда не девается и остаётся опасным для окружающей среды. Но неорганические соли свинца менее токсичны, поскольку не проникают через липидные мембраны клеток.

Подсказка природы и сила эволюции

Разумеется, было бы нерационально формировать метаболические пути биодеградации «с нуля». Гораздо проще приспосабливать под новые нужды пути, уже существующие в природе. Пример такого «приспособления» — утилизация полиэтилена — самого широко используемого искусственного полимера. Он дёшев в производстве, получается из доступного сырья, сравнительно стоек, обладает хорошими прочностными характеристиками, неядовит. Поэтому из полиэтилена делают всё — от водопроводных труб до пищевой плёнки.

По своей химической природе полиэтилен — высший алкан, состоящий из повторяющихся метиленовых звеньев –(СН2)n –, то есть его строение очень похоже на строение пчелиного воска и жиров, которые микробы давно научились усваивать. Правда, есть отличие: цепочки молекул полиэтилена значительно длиннее. Соответственно его молекулы менее подвижны и в реакции вступают хуже. Следовательно, усвоить полиэтилен микробу всё-таки труднее, чем воск или триглицерид. Поэтому полиэтиленовые пакеты даже в почве сохраняются годами.

Тем не менее полиэтилен хотя и медленно, но разлагается почвенными бактериями Pseudomonas aeruginosa. Поскольку макромолекула полиэтилена подвергается ферментативной деструкции только с конца, разветвлённый полиэтилен разлагается микроорганизмами быстрее, чем линейный. Биодеградацию полиэтилена можно ещё ускорить, если заранее ввести в него так называемые прооксиданты — вещества, которые при попадании полиэтиленового изделия в окружающую среду приобретают свойства окислителей и дополнительно рвут макромолекулы на куски.

Микроорганизмы в ряду поколений вырабатывают к ксенобиотикам всё большую устойчивость, превращаясь в специализированные штаммы-деструкторы конкретных соединений. Римма Наумова, профессор Казанского университета, в своей диссертационной работе показала пример адаптации накопительной культуры бактерий к ?-капролактаму — мономеру капрона, широко известного синтетического волокна. Первый посев показал признаки роста колонии бактерий только через четыре недели при концентрации капролактама всего полграмма в литре культуральной среды. Четвёртый пересев продемонстрировал биодеградацию капролактама в концентрации уже 2 г/л в течение одного-двух дней! Но это ещё не всё! Удалось получить штамм, разлагающий капролактам в концентрации 5 г/л и даже полимерный капрон (полиамид 6-аминокапроновой кислоты). К капролактаму в концентрации 15 г/л (а это тридцатикратное увеличение концентрации по сравнению с исходной) вырабатывалась частичная адаптация. Фактически капролактам для этих микробов уже не ксенобиотик, а пища.

Биосфера способна перерабатывать практически любое химическое вещество. Микробные популяции производят новые, не существовавшие ранее ферменты (а заодно и кодирующие их плазмидные гены). Это вселяет надежду, что современный экологический кризис когда-нибудь будет преодолён. Ну а мы должны всеми мерами этому способствовать.

Словарик

Лакказа — фермент, который встречается во многих микроорганизмах, грибах, растениях. В природе широко распространены лакказы и лакказоподобные ферменты, которые участвуют в синтезе лигнина у растений, разложении лигнина грибами, в процессах детоксикации, окислительного стресса, в патогенезе растений.

Липофильные вещества — хорошо растворимы в липидах и плохо — в воде; гидрофильные — наоборот.

Сигнальная трансдукция — биохимический процесс восприятия внешнего сигнала клеткой и последующие внутриклеточные реакции на данный сигнал.

Высшие арены — сложные молекулы большой массы, содержащие несколько ароматических циклов.

Катаболизм — одно из направлений метаболизма, ведущее к распаду сложных молекул на более простые.

Цикл Кребса — цикл трикарбоновых кислот — центральная часть общего пути катаболизма, ведёт к окислению органических молекул до углекислого газа и воды.

***

Соли двухвалентной ртути весьма токсичны. Они вытесняют из белков полезный металл — цинк, и белок моментально утрачивает активность, причём необратимо. Поскольку в следовых концентрациях ртуть присутствует в земной коре, некоторые бактерии «научились» её обезвреживать. Эти микроорганизмы с помощью вырабатываемого ими фермента способны восстанавливать ионы Hg2+ до металлической ртути (которая значительно менее ядовита, чем её соли). То есть металлическая ртуть может быть получена при помощи фермента. Согласитесь, фермент, осуществляющий металлургический процесс, явление необычное.

***

Все производные фосфоновых кислот и некоторые замещённые фосфаты очень токсичны. Их токсичность имеет различные «оттенки», в зависимости от природы заместителей, поэтому среди фосфорорганических веществ есть пестициды, боевые отравляющие вещества, сильнодействующие лекарственные препараты. Но несмотря на внешнее разнообразие, все вещества этой группы вызывают мышечные спазмы и паралич, остановку дыхания. Яркий пример этой группы соединений — нервно-паралитическое отравляющее вещество VX — одно из самых ядовитых веществ, созданных человеком. Впрочем, у представителей царства грибов нервной системы нет, и в данном случае это даёт им неоспоримое преимущество. При помощи съедобного гриба вешенки Pleurotus ostreatus деградация V-газа идёт до фосфата и сульфата, аммиака, воды и углекислого газа.

Комментарии к статье

* Ацетонитрил используется для растворения масел, жиров, лаков, эфиров целлюлозы, различных синтетических полимеров и неорганических солей.

** Плазмида — кольцевая ДНК, намного короче обычной бактериальной хромосомы; часто содержит гены, отвечающие за приспособленность к факторам неблагоприятной среды. Часто встречается в бактериях, очень редко — в клетках эукариот.

*** Метилотрофные микробы в качестве источника углерода используют метильные группы.

Случайная статья

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки