В природе обитают более 100000 видов микроорганизмов, среди которых несколько сотен видов продуцируют вещества или осуществляют реакции, полезные для человека. Сегодня известны многие тысячи родов и видов микробов. Они существуют в почве, в глубинах земли, в воздухе, на поверхности воды и на дне морей. Они проявляют завидную устойчивость к ядам, выдерживают мощные давления и вакуум, высокие концентрации кислот и щелочей, высокие дозы ультрафиолета и сильнейшее радиоактивное излучение. Ученые обнаружили микроорганизмы, избравшие себе местом жительства активную зону ядерных реакторов. Впервые значение микробов определил Пастер: «Если микроорганизмов не будет на земле, то она загромоздится трупами». Почвенные микроорганизмы невидимы простым глазом, зато результаты их гигантской работы, как говорится, налицо: плодородие почв, круговращение элементов и веществ в природе, чистота планеты, полезные ископаемые.

Несколько сотен видов микроорганизмов используются в различных отраслях биотехнологии. Их относят к 4 группам: бактерии, актиномицеты, дрожжи и плесневые грибы.

Дрожжи. В экологической биотехнологии используются полезные виды дрожжей относящиеся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов). Candida utilis – растёт в сточных водах бумажной промышленности, Trichosporum cutaneum – окисляет многочисленные органические соединения, в том числе токсичные (фенол), применяется в системах аэробной переработки сточных вод. В биотехнологических процессах также используются дрожжи родов Torulopsis, Rhodotorula, Hansenula, Pichia.

Плесневые грибы. Представители этого класса микроорганизмов вызывают многочисленные превращения в твёрдых средах, которые предшествуют брожению. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, протеазы, пектиназы), органические кислоты (лимонную, молочную), антибиотики. Наиболее часто в микробиологическом производстве используют микроскопические грибы родов Aspergillus, Rhisopus, Trichoderma, Cladosporium, Penicillium.

Бактерии. В биотехнологических процессах применяются представители родов Micrococcus, Bacillus, Nocardia, Brevibacterium, Pseudomonas, Mycobacterium, Corinebacterium, Aerobacter, Achromobacter.

Уксуснокислые (глюконобактерии и ацетобактеры) превращают этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Некоторые представители бацилл сбраживают сахара в ацетон, этанол, бутанол (ацетонобутиловое брожение), другие виды могут сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения. Молочнокислые бактерии представлены лактобациллами, лейконостоками и стрептококками. Лейконостоки превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ; стрептококки продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями лактобацилл, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

Актиномицеты. Из этих микроорганизмов наиболее представительны роды Streptomyces, Micromonospora и Actinomyces, отдельные виды которых продуцируют антибиотики.

Биодеградация органических соединений, загрязняющих окру-жающую среду, оправдана только в том случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация; если же биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не только нецелесообразной, но даже вредной.

Детоксикация загрязняющих среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, который подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

Участие микробных сообществ в биодеградации ксенобиотиков

Можно выделить стабильные сообщества, в которых взаимодействия между отдельными его членами дает им ряд преимуществ, в результате чего такая ассоциация становится более эффективной, чем отдельно взятые виды.

Классификация микробных сообществ основана на характере взаимосвязей между отдельными видами:

1) сообщества, в которых один или несколько членов не способны к синтезу тех или иных компонентов, необходимых для роста; этот дефицит покрывается за счет метаболической активности других членов сообщества. Сложность различных взаимоотношений в подобных сообществах может варьировать, но в любом случае взаимосвязи такого типа, по всей видимости, играют роль в деградации многих соединений.

Например, сообщество из двух микроорганизмов, растущее на циклогексане, включает один из видов Nocardia, способный окислять циклогексан, но не способный к росту на нем одном, а также один из видов Pseudomonas, который поставляет другим видам необходимые для роста соединения, возможно биотин. Такие взаимосвязи могут быть облигатными для роста определенных видов или поставлять дополнительные питательные вещества, способствующие росту первично окисляющего организма и увеличению скорости деградации. Это со всей очевидностью показывает, что истинную скорость деградации ксенобиотиков в окружающей среде можно оценить, только учитывая возможности микробных сообществ, а не отдельных видов микроорганизмов;

2) сообщества, в которых метаболиты, в какой-то мере подавляющие рост организма-продуцента или других организмов в том же местообитании, удаляются остальными членами сообщества;

3) сообщества, в которых параметры роста одного или не-скольких его членов изменяются так, что получается более конкурентоспособное сообщество, устойчивое к изменениям среды. Такое сообщество может стать менее чувствительным к ингибированию субстратом и приобрести способность справляться с перегрузками, возникающими в очистных системах;

4) крайне важная роль микробных сообществ в деградации ксенобиотиков состоит в том, что они способны осуществлять совместную «метаболическую атаку» на субстрат. Отдельные члены такого сообщества в отличие от сообщества в целом не обладают метаболической активностью, необходимой для полной деградации данного соединения. Так, в лаборатории иногда не удается добиться минерализации какого-либо вещества, но происходит это потому, что деградацию тщетно пытаются осуществить с помощью одного вида микроорганизмов. Отмечалось также, что такого рода комбинированная метаболическая система может возникать в результате синтеза отдельными видами разных компонентов ферментного комплекса, с проявлением ферментативной активности только у целого сообщества (например, синтез активной лецитиназы двумя видами Pseudomonas);

5) ранее подчеркивалась важность сопряженного метаболизма для расщепления ксенобиотиков. Микроорганизмы, растущие на одном субстрате, превращают другой в ходе одной или нескольких ферментативных реакций.

Эти реакции не связаны с ростом микроорганизма в том смысле, что в них не образуются промежуточные продукты, которые данный организм использовал бы для роста. Однако эти промежуточные продукты могут служить источником углерода для других членов сообщества;

6) были выявлены сообщества, в которых осуществляется передача восстановительных эквивалентов от одной популяции другой. В анаэробных условиях классическим ферментативным способом получения избытка восстановительных эквивалентов было восстановление конечных продуктов обмена. Однако в упомянутых сообществах используется второй, акцепторный ор-ганизм. На сегодняшний день уже выделено немало таких сообществ. Анаэробное разрушение подобными сообществами ароматических соединений может иметь экономическое значение;

7) при изучении непрерывных культур были обнаружены сообщества, в которых к полному использованию лимитирующего рост субстрата способна не одна, а несколько первичных популяций, хотя можно было бы ожидать, что наиболее конкурентоспособный организм окажется доминирующим. Следовательно, существующие в сообществе взаимодействия должны стабилизировать свободную конкуренцию между его членами.

В стабильных сообществах микроорганизмов создаются условия для свободного обмена генетической информацией между популяциями. Важным эволюционным механизмом появления новых штаммов in vivo, способных взаимодействовать с новыми компонентами окружающей среды, может служить перенос плазмид между сообществами микроорганизмов. Частота таких событий для природных сообществ неизвестна, однако в условиях лаборатории они действительно происходят.