Биоремедиация, стимуляция роста, защита растений и забота об окружающей среде: возможности применения биосурфактантов

Биосурфактанты – поверхностно-активные вещества, вырабатываемые микроорганизмами. Они биодеградируемы, нетоксичны, и могут заменить синтетические сурфактанты. Биосурфактанты ускоряют разрушение загрязнителей почвы и рост растений, а также обладают противомикробной активностью. Пока получение биосурфактантов – достаточно дорогой процесс, но интерес к ним растёт в связи с возможностью их применения в охране окружающей среды, нефтяной, пищевой и фармацевтической промышленности вместо синтетических сурфактантов, поскольку они менее токсичны, активны в меньших концентрациях и синтезируются микроорганизмами из возобновляемых материалов. Продуцирующие сурфактанты бактерии находят в воде, в почве и на листьях растений, но, как правило, поиск продуцентов, синтезирующих их в больших количествах, ведут в загрязнённых тяжёлыми металлами и нефтепродуктами почвах. 

Биосурфактантами являются соединения различной природы – гликолипиды, липопротеиды, нейтральные липиды, фосфолипиды, жирные кислоты и полимеры, общей чертой является наличие в составе молекул гидрофильной и гидрофобной части. В основном, продуценты биосурфактантов это Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., Bacillus spp. и Candida spp, которые используют их для эмульгирования нерастворимых субстратов, улучшения подвижности, адгезии, сохранения внеклеточного запаса углерода и защиты от осмотического стресса, поэтому их выработка во многом зависит от условий роста.

С точки зрения охраны окружающей среды биосурфактанты интересны как вещества, облегчающие доступ микроорганизмов и растений к молекулам загрязнителей почвы, что ускоряет процесс биоремедиации. Активные группы биосурфактантов (гидроксильные, аминогруппы, карбонильные группы) образуют комплексы с тяжёлыми металлами. Кроме того, биосурфактанты могут взаимодействовать с углеводородами и пестицидами. Разные биосурфактанты различаются по эффективности влияния на процессы биоремедиации и специфичности к тем или иным веществам. Например, биосурфактанты разных штаммов P. aeruginosa по-разному взаимодействуют с разными углеводородными загрязнителями. Некоторые повышают биодоступность пирена, другие – фенантрена или флюорена. Даже если биосурфактант специфичен к какому-то из углеводородов, в его присутствии активируется и переработка других загрязнителей.

Внесение в почву биосурфактантов ускоряет процесс биоремеиации за счёт её собственной микрофлоры. При их использовании необходимо учитывать многие факторы. Внесение биосурфактанта ускоряет биодеградацию в сообществе, медленно осуществляющем этот процесс. Но в консорциях, быстро разрушающих загрязнители, эффект может быть обратным. Микроорганизмы, медленно разрушающие загрязнители, получают к ним доступ, когда они оказываются в водной фазе благодаря биосурфактантам. С другой стороны, а микроорганизмы, быстро разрушающие загрязнители, часто склонны к формированию биоплёнок, а этот процесс блокируется биосурфактантами. Кроме того, скопление биосурфактантов на границе водной и гидрофобной фазы при нефтяных загрязнениях делает загрязнитель менее доступным микроорганизмов, осуществляющих его разрушение. Хотя связанные с биосурфактантами соединения менее токсичны, что защищает микрофлору почвы, позволяет ей более интенсивно расти и разрушать загрязняющие вещества, например, хлорфенолы, слишком большие концентрации биосурфактанта могут подавить рост микробов, осуществляющих биодеградацию. Точно также, некоторые сурфактанты могут ускорять поглощение тяжёлых металлов корнем растений, обладая, при этом фитотоксическим эффектом, к которому различные растения восприимчивы в разной степени поэтому применять их надо с осторожностью и с учётом используемого для биоремедиации вида растений.

Биосурфактанты легко разрушаются почвенной микробиотой. С одной стороны, это преимущество, благодаря которому они быстро элимируются в окружающей среде, в отличие от синтетических сурфактантов, которые не только длительно сохраняются в почве, но и могут способствовать неконтролируемой миграции загрязнителей. С другой стороны, если использовать их в процессе биодеградации, они будут становиться источником углерода вместо загрязнителя, однако если биодеградацию загрязнителя проводить с применением продуцентов биосурфактантов, то эти микроорганизмы будут разрушать преимущественно загрязнитель.

Биосурфактанты могут продуцироваться и бактериями ризосферы. Именно такие микроорганизмы лучше использовать для фиторемедиации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами. На самом деле, далеко не все микроорганизмы обладают одновременно всеми необходимыми свойствами для использования в данных целях: устойчивостью к загрязнителю, способностью взаимодействовать с растением и продуцировать биосурфактанты.

Помимо использования в биоремедиации, есть и другие возможные варианты применения биосурфактантов в сельском хозяйстве. Как известно, синтетические сурфактанты добавляют к пестицидам – это усиливает их эффект. Однако они накапливаются в почве и могут негативно повлиять на рост и пищевые качества растений. Биосурфактанты быстрее разрушаются и стимулируют разрушение пестицидов, так что их использование, в перспективе, возможно, помогло бы снизить неблагоприятные эффекты применения инсектицидных веществ. Сами по себе биосурфактанты тоже могут применяться и для борьбы с некоторыми фитопатогенами, поскольку они обладают фунгицидным и антимикробным эффектом. Рамнолипиды, одна из групп биосурфактантов, действуют даже на устойчивых к химическим препаратам фитопатогенных бактерий и даже на насекомых-вредителей, стимулируют иммунитет растения. Это обусловлено их способностью, характерной и для других групп биосурфактантов, влиять на мембраны, изменяя их проницаемость, белковый состав мембран и форму клетки. Биосурфактанты в почве делают также более доступными для растений необходимые им вещества, в том числе, гидрофобные соединения, ускоряя их рост.

В перспективе рассматривается применение биосурфактантов в медицине, поскольку они обладают иммуномодулирующим и противовоспалительным эффектом, могут влиять на дифференцировку клеток. Сфоролипиды, разновидность гликолипидов, дестабилизируют мембраны клеток, ингибируя рост патогенов, некоторые трегалозные липиды обладают противогрибковой и противовирусной активностью. Ксилолипиды микроорганизмов-пробиотиков Lactococcus lactis подавляют рост патогенных Escherichia coli и S. aureus , в том числе, обладающих множественной устойчивостью. Показана и противоопухолевая активность соединений данной группы. Однако до данного способа применения биосурфктантов ещё достаточно далеко.