Биодеградация белого фосфора: как яд стал удобрением

Впервые показана возможность деградации белого фосфора под действием … научной статьи по биологии, автор научной работы — Миндубаев Антон …

Лучше всех умеют превращать токсичное в практичное — это хоть как-то реабилитирует их, виновников смертоносных эпидемий, в глазах человека. Одним из самых опасных загрязнителей окружающей среды является белый фосфор — вещество чрезвычайно токсичное и огнеопасное. Несмотря на риски обращения с ним, белый фосфор (как и его разновидность технической чистоты, желтый фосфор) — краеугольный камень химии фосфора, сырьё для производства самых разных продуктов — от спичек до удобрений и пестицидов.

А еще, несмотря на официальный запрет, наложенный Международной конвенцией, белый фосфор применяется в военных целях. В этой статье повествуется о становлении уникального научного исследования, в котором белый фосфор впервые был обезврежен и превращен в полезный для окружающей среды фосфат при помощи микроорганизмов.

Что такое биодеградация?

Совершённый в двадцатом столетии научно-технический прорыв оставил человечеству в наследство не только блага цивилизации, поднимающие уровень жизни, но и множество проблем, остающихся нерешенными. И сейчас, в первые десятилетия века двадцать первого, разразился кризис. Одна из проблем — пагубное воздействие отходов цивилизации на окружающую среду.

Что делать с отходами? Вопрос, на который нелегко ответить. Речь в первую очередь идет об отходах химической промышленности. Поскольку «кровь цивилизации» на сегодняшний день — нефть и природный газ, значит отходы — это преимущественно продукты их переработки [1–4]. Зачастую токсичные, с трудом разлагающиеся в природе. Не менее опасны отходы металлургии — тяжелые металлы и их соединения. Значительную угрозу экологическому балансу создают и удобрения — азотные, калийные и фосфорные. Запасы химического оружия — это вообще отдельная тема, и их утилизация — проблема чрезвычайной остроты. Достаточно сказать, что для производителей химических арсеналов их творения представляют не меньшую угрозу, чем для противника.

И всё-таки, вернемся к «крови цивилизации» — нефти. Будучи продуктом переработки живых организмов, она представляет собой органическое вещество и состоит практически целиком из биогенных элементов (углерода, водорода, серы, азота и других). Значит, теоретически любой нефтепродукт можно вернуть в природный круговорот. На практике это сделать непросто — не любое углеродистое соединение полезно для жизнедеятельности. Необходима трансформация отходов в безвредные вещества.

Она производится разными способами. Органическое вещество можно сжечь, подвергнуть пиролизу (фактически снова превратить в нефть и уголь) или воздействию агрессивных химических реагентов (кислоты, щелочи, перекиси водорода, гипохлоритов), иногда с использованием высоких температур и давлений. Все эти способы широко применяют на практике и постоянно совершенствуют. Без них существование городов и промышленных предприятий стало бы невозможным.

Тем не менее в последние десятилетия одним из наиболее часто применяемых методов обезвреживания промышленных, бытовых и сельскохозяйственных стоков, химического оружия и взрывчатых веществ становится биодеградация [5–7]. В ряде случаев она приходит на смену более ранним методам химической деструкции. Главная причина — сравнительная экологическая безвредность этого метода. Биодеградация — это, как ясно из названия, обезвреживание токсичных веществ организмами—деструкторами, в большинстве случаев микроскопическими [8]. Под воздействием ферментных систем адаптированных микроорганизмов токсичные отходы разлагаются в мягких условиях, без применения жестких химических и физических воздействий.

Привнесенные микроорганизмы-деструкторы не выдерживают конкуренции с исконной микрофлорой водоемов и почв и вытесняются ею после ликвидации загрязнения и восстановления экологического баланса. В некотором смысле биодеградация — это самый естественный способ разложения отходов. Все миллиарды лет существования биосферы микроорганизмы «съедали» отходы ее жизнедеятельности, осуществляли минерализацию органики. Точно так же они поступают и с отходами производства.

Почему же популярность биодеградации начала расти только в последнее время? Отчасти это можно объяснить господствовавшим предубеждением: до недавнего времени было принято думать, что большинство продуктов химической промышленности — вещества, чуждые природе и в ней не встречающиеся. А раз в природе их нет, значит, природа и не способна самостоятельно их уничтожать. В популярных памфлетах экологов до сих пор приходится слышать фразы вроде «диоксины губительны для всего живого» или «полиэтилен не разлагается столетиями». Из специальной литературы уже известно, что полибромдиоксины выделяются морскими губками [9] и уже выведены культуры микроорганизмов, разлагающие полиэтилен (наблюдать за которым веками ни у кого возможности не было) [10].

Или другой пример — постулат «зеленой химии» о прекращении использования в промышленности галогенов (фтора, хлора, брома и йода) как чуждых окружающей среде элементов, игнорирующий присутствие в природе 2 500 галогенорганических веществ как биологического, так и абиотического происхождения — и это порядком устаревшие данные за 1996 год, с тех пор их количество должно было возрасти еще [11]. Конечно, играет роль и лобби: политические круги, заинтересованные в сокращении промышленных мощностей, склонны преувеличивать экологическую угрозу. А самое главное — совершенствование методов химического анализа позволило существенно расширить спектр известных природных веществ. Оказалось, что большинство химических продуктов, пусть в следовых количествах, но постоянно выделяется живыми организмами и циркулирует в биосфере [12].

Бурно развивающаяся наука метаболомика резко расширяет спектр соединений, которые с полным основанием можно называть природными. Например, окись этилена никогда не рассматривалась в качестве такового. Наоборот, это широко известный дезинфицирующий агент, канцероген, мутаген и нервно-паралитический яд, токсичный для всех форм жизни. К тому же этиленоксид пожаро- и взрывоопасен. Однако известно, что этиленоксид образуется эндогенно в результате окисления этилена оксидазами [13]. Сам этилен, в свою очередь, выделяется растениями и микроорганизмами, выполняя функции фитогормона [14]. Присутствуя в атмосфере, этилен проникает в организм животных и аэробных микробов, в которых окисляется до этиленоксида. Таким образом, некоторое количество (пул) этого токсиканта постоянно находится в биосфере. По-видимому, еще никто не подсчитывал общее количество эндогенной окиси этилена в биосфере или ее биопродукцию за год. Вполне возможно, что она сравнима с годовым промышленным производством этого соединения. В любом случае есть основания называть этиленоксид природным веществом! И это далеко не единственный пример. Соответственно, микроорганизмы-деструкторы с подобными веществами постоянно сталкиваются и способны их разлагать.

Конечно, это не единственная причина длительной непопулярности биодеградации. Как и любой метод, она имеет ограничения. В природе ни одно токсичное вещество не накапливается в чистом виде. Например, фенол в следовых концентрациях всегда присутствует в биосфере — как продукт распада ароматических аминокислот [15]. Однако только с возникновением химической промышленности стало возможным наполнять этим веществом цистерны. Поэтому для ликвидации цистерны концентрированного фенола биодеградация не подходит. Как известно, даже концентрированный раствор глюкозы может служить консервантом. Зато биодеградация очень эффективна при случайных разливах токсичных веществ в воде или почве. Не случайно в патентной базе ФИПС при наборе ключевого слова «биодеградация» открывается солидное количество патентов по устранению нефтяных пленок.

Другое ограничение биодеградации — недостаточная скорость эволюции. Микроорганизмы «не поспевают» за промышленностью. Для ускорения эволюции подходят разнообразные приемы: создание накопительных культур, генная инженерия, направленная селекция и так далее, но они требуют глубоких знаний и высокого технологического уровня, а также значительных вложений. Позволить это могут немногие государства и корпорации.

В интереснейшей статье [16] сообщается о том, что бактерия-мутант «научилась» производить нужный ей белок (точнее, подладила под новые потребности уже имеющийся), и потребовалось ей на это всего четверо суток! По всей видимости, общее разнообразие ферментов, участвующих в биодеградации ксенобиотиков (веществ, «чуждых жизни»), бесконечно велико и основано на спонтанном либо направленном мутагенезе. Это позволяет биосфере быть готовой к усвоению даже тех веществ, которые еще не синтезированы.

Сейчас известно, что гены, кодирующие ферменты биодеградации, часто собраны на мобильных молекулах ДНК — плазмидах. Например, на плазмиде pADP1 локализованы гены atz, позволяющие бактерии-хозяину утилизировать пестицид атразин, а мегаплазмида pNL1 содержит bph-гены, ответственные за катаболизм бифенила, и множество других генетических кластеров для деградации ароматики [17, 18]. Плазмиды с «экзотическими» генами быстро распространяются в популяции микробов в присутствии токсичного вещества и так же быстро элиминируются после его уничтожения: живой клетке становится невыгодно содержать бесполезные гены. Природа, как известно, скупа на нововведения — точно так же, при помощи плазмидных генов, у микроорганизмов распространяется и устойчивость к антибиотикам. По этой же причине созданные в лабораториях узкоспециализированные микроорганизмы-деструкторы в большинстве своем не способны жить в нормальных природных условиях — их вытесняют более приспособленные «дикие» штаммы. То есть для них наличие в среде ксенобиотика — необходимое условие существования. Соответственно, они обречены на поддержание в коллекциях культур или загрязненных почвах вокруг предприятий, риск бесконтрольного распространения таких микроорганизмов минимален.

Еще одна проблема, связанная с биодеградацией — уязвимость деструкторов. Как и любые организмы, они чувствительны к факторам среды. Например, микроорганизм может эффективно разлагать иприт, но при этом быть чувствительным к ионизирующему излучению. А микроорганизмы, устойчивые к радиации, имеют низкий темп размножения и медленный метаболизм, то есть мало подходят на роль деструкторов [19, 20]. Поэтому биодеградация никогда не вытеснит другие методы ликвидации отходов. Но эффективная ликвидация возможна только комплексом методов, обязательно включающим биодеградацию.

Как уже упоминалось чуть выше, организмы-деструкторы существуют в коллекциях. В России крупнейшая из них — Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов (ВКПМ), созданная в 1969 году и насчитывающая около двух десятков тысяч культур. ВКПМ не только поддерживает культуры, следит за сохранением их свойств, но и ведет каталог, устанавливает таксономическую принадлежность поступающих микроорганизмов, предоставляет культуры заинтересованным лицам (и принимает свод правил предоставления).

Естественная среда обитания деструкторов — активные илы и осадки сточных вод (ОСВ), скапливающиеся в отстойниках очистных сооружений (рис. 1). Здесь они постоянно участвуют в процессе водоочистки. Почва вокруг предприятий тоже служит источником ценных культур, поскольку незначительные утечки реагентов происходят, несмотря на все меры предотвращения.

Отстойники очистных сооружений Рисунок 1. Отстойники очистных сооружений химических предприятий — естественная среда обитания микроорганизмов-деструкторов. Рисунок с сайта kprf.ru.

Для устранения случайных разливов токсичных веществ используют микроорганизмы в составе наполняющих материалов — как правило, пористых сорбентов (торфа, компоста, соломы, золы от сгоревшего угля и так далее). Такой сорбент впитывает ксенобиотик, удаляет его из воды или почвы, а содержащиеся в нём микробы приступают к деструкции. Описания подобных материалов и методов их применения даны в соответствующих патентах.

Причиной написания этой статьи стало то, что с недавнего времени наш авторский коллектив (о котором расскажу чуть позже) сам начал заниматься биодеградацией. Причем объект исследования мы выбрали очень необычный — белый фосфор [7, 12, 21–31]. В доступной литературе не удалось найти сведений о деградации элементного, в том числе белого, фосфора активным илом без искусственного внесения химических реагентов. Не найдена информация и о путях метаболизма белого фосфора в присутствии микробиоты или в тканях высших организмов. В изданной литературе речь идет исключительно об абиогенных путях деградации и детоксикации белого фосфора. О токсичности белого фосфора для прокариот тоже ничего не известно. Потому количественные данные о снижении выделения газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов ОСВ в присутствии различных концентраций белого фосфора без преувеличения уникальны. Получая их, мы опирались исключительно на результаты собственных исследований.

Наибольшую трудность для метаболизма белого фосфора представляет отсутствие углеродного скелета. Большинство ксенобиотиков, как уже говорилось, производится из нефти и относится к органическим соединениям, сравнительно легко преобразуемым в биологические молекулы. Ферментные системы клетки адаптированы к метаболизму органических веществ. Белый фосфор — это простое вещество, не только чрезвычайно токсичное, но и не встречающееся в природе.

Как известно, разработка подходов к биодеградации нового объекта начинается с поиска микроорганизмов, разлагающих родственные соединения. Например, штаммы, разлагающие хлорбензоаты, выведены путем направленной селекции из культур, разлагающих незамещенный бензоат [32]. В случае с белым фосфором такой отбор невозможен: микробный метаболизм, скажем, серы или селена имеет очень отдаленное сходство, слишком велика разница в свойствах веществ.

Таким образом, попытка осуществить его биодеградацию — довольно смелый научный вызов. Однако высокая реакционная способность белого фосфора и возможность преобразовать его в биологически совместимый фосфат позволяют рассчитывать на решение этой проблемы

Итак, что же такое белый фосфор?

Читать полный текст статьи phosfopr

Подготовил Вениамин Гольденберг

Источник: Федоровский бюллетень

Олег Дашевский, независимый журналист
e-mail: oleg.dashevski@gmail.com

постоянный адрес материалов в открытом допуске по адресу:

https://drive.google.com/drive/folders/0B2J6IE9zVpRvVzFVM0tIT2s3Qnc