Как природа исправляет ошибки человека. Биодеградация пестицидов.

Пестициды могут не только длительно сохраняться в почве и на дне водоёмов, они также могут накаливаться в тканях животных и переноситься по пищевым цепочкам к хищникам. Попавшие в организм матери до беременности пестициды могут сказаться на здоровье детей. Воздействие веществ, влияющих на эндокринную регуляцию, может серьёзно отразиться на интеллектуальном развитии ребёнка, привести к развитию рака в детском возрасте или к смерти ребёнка. У беспозвоночных показано влияние таких веществ на фертильность, но насколько такой эффект выражен для человека пока не ясно. Поскольку многие пестициды влияют на гормональную регуляцию, контакт с ними может привести к развитию гормонзависимых опухолей, таких как рак молочной железы. Ряд соединений, таких как ДДТ или атразин, присутствуют в окружающей седее и обнаруживаются даже там, глее они были выведены из употребления десятки лет назад. Одним из решений такой проблемы может стать поиск бактерий, способных метаболизировать пестициды, и использование их для деконтаминации почвы и водоёмов.

Микроорганизмы, способные обезвреживать и полностью разрушать пестициды уже можно найти в почвах, загрязнённых такими веществами, хотя с начала применения пестицидов не прошло ещё 100 лет. Дело в том, что некоторые белки могут иметь ферментативные свойства, которые не могут проявиться в нормальных условиях. Такие особенности возникают случайным образом. Интересно, что разные ферменты могут иметь похожие побочные активности: в биодеградации 4-нитролюэна задействованы различные пути у псевдомонад и микобактерий. Более того, как например это происходит у Pseudmonas putida штамма OU83, у одного организма могут быть два независимых пути метаболизма одного соединения, в данном случае – 3-нитротолуена. Микроорганизмы с такими возможностями получают преимущество при обитании в загрязнённых биотопах. Стремительно происходящая эволюция бактерий позволяет появиться новым метаболическим путям, разрушающим и утилизирующим токсичные соединения.

Пентахлорфенол использовался как гербицид, пестицид, средство защиты от грибов и бактерицидное вещество. Сейчас это самое распространённое хлорсодержащее вещество среди загрязнителей грунтовых вод, несмотря на то, что уже несколько десятилетий применение его запрещено в ряде стран. Оказалось, что пентахлорфенол является канцерогенным, но из-за его широкого распространения, в мире много территорий, где почва заражена этим соединением. С использованием материала из илов водоёмов, загрязнённых пентахлорфенолом при культивировании в аэробных условиях удалось получить систему, в которой пентахлорфенол являлся единственным источником углерода. Способность разрушать это вещество также была обнаружена у микроорганизмов из бытового стока, однако у них она была гораздо менее выражена. Поскольку исходный материал содержал различные микроорганизмы, необходимо было провести идентификацию вида, разрушающего пестицид. Это оказалась Pseudomonas mendocina, штамм был назван NSYSU-002. Это не единственный штамм псевдомонады, способный разрушать данное вещество. Примером может быть штамм псевдомонады, ADP, разрушающий в ходе метаболизма атразин, и упомянутый ранее штамм OU83.

Использование псевдомонад штамма IES-Ps-1 (штамм выделен из почвы сельскохозяйственных угодий) для разрушения циперметрина в искусственных условиях показало хорошие результаты, хотя при адаптации к пестициду бактерии испытывали стресс, их рост замедлялся, и клетки принимали нетипичную форму. Этот штамм может расти также в присутствии других пестицидов с большей или меньшей эффективностью по сравнению с ципермтрином.

В ряде случаев разрушение осуществляется не одним микроорганизмом, а консорцией. В таких случаях одного метаболического пути в рамках единичных клеток не развивается. Исследование процессов биодеградации различных веществ и конструирование новых метаболических путей из известных ферментов позволяет искусственно создать в клетках одного хорошо изученного и нетребовательного к условиям культивирования микроорганизма новые искусственные метаболические пути. Таким образом был получен штамм Pseudomonas putida, разрушающий фосфорорганический пестицид параоксон. Чтобы создать такой штамм понадобились гены четырёх разных видов. Это не единственный генно-инженерный штамм с подобными свойствами. Как правило, полученные в лабораториях штаммы, способные к биодеградации, не устойчивы в окружающей среде, что является дополнительной проблемой при поиске решений для очистки природных объектов.