Безопасный способ уничтожения отходов цивилизации

Экология жизни. Наука и открытия: Загрязнение окружающей среды и переработка отходов — серьезные проблемы современности...

Биодеградация ксенобиотиков как самозащита природы

Загрязнение окружающей среды и переработка отходов — серьезные проблемы современности. Одним из лучших путей их решения является биодеградация — наиболее естественный и экологически безопасный способ уничтожения отходов цивилизации.

Представленная статья ставит задачу показать, что наша биосфера всю историю своего существования находится под надежной и неусыпной охраной микробов-деструкторов, для которых самые ядовитые отходы являются лакомством. А заодно осветить возможности биодеградации.

Как грибы спасли мир

Наверное, каждый читатель знаком с понятием о круговоротах биогенных элементов — углерода, азота, фосфора, серы, железа. Слово «круговорот» указывает на замкнутость — в течение длительного времени атомы элемента в него вовлечены, и надолго из цикла не изымаются. Именно замкнутость круговоротов элементов определяет устойчивость биосферы, существующей уже несколько миллиардов лет.

Но однажды в истории нашей планеты произошел разрыв круговорота, пожалуй, самого важного для жизни элемента — углерода. Было это около 300 миллионов лет назад, в каменноугольном периоде. Тогда облик планеты стремительно менялся, и появилась новая экосистема, доселе не встречавшаяся — лес.

Лес состоит из деревьев, а деревья производят древесину. Значительная составная часть древесины — лигнин — является гидрофобным и нерастворимым сшитым полимером оксикоричных спиртов; фактически, он представляет собой природную пластмассу.

Даже в наши дни он подвергается биодеградации с трудом, при помощи ферментов лакказ, продуцируемых некоторыми грибами-ксилотрофами. А в описываемое время грибы-деструкторы древесины еще не существовали. Мертвая древесина тогда не гнила, а обугливалась (подвергалась абиотической деструкции). Или все-таки гнила, но частично: тогдашние редуценты выедали целлюлозу, а лигнин в виде «бурой гнили» оставался и со временем все равно превращался в уголь.

Так на месте первых лесов формировались залежи каменного угля.

Процесс карбонификации древесины шел, вероятно, по той же схеме, что и на современных торфяниках:

лигнин → торф → бурый уголь → каменный уголь.

На каждой стадии схемы росло относительное содержание углерода в ископаемых остатках.

То есть, как раненое существо теряет кровь, так и биосфера того времени стала терять углерод. В теории, это могло привести к катастрофе. Через несколько миллионов лет значительная часть углерода из живого вещества должна была превратиться в мертвый уголь, и жизнь на Земле или полностью погибла бы, или была бы отброшена в своем развитии обратно в ранний палеозой.

Но этот страшный сценарий не сбылся. Появление нового пищевого ресурса открыло новую экологическую нишу, которая должна была заполниться.

И со временем развились нужные грибы, необходимые ферменты и хитроумные приемы, используемые грибами для разложения лигнина без вреда для собственных тканей.

Конечно, формирование углей продолжается и сейчас — на сфагновых болотах и торфяниках, где создаются уникальные условия с подавлением процесса гниения. Но масштабы этого процесса уже не те, заходит он не столь далеко, останавливаясь, как правило, на стадии бурого угля.

В целом круговорот углерода в биосфере снова стал замкнутым, что, в конечном итоге, привело к появлению нас с вами.

Этот пример очень эффектно демонстрирует возможности биодеградации — деструкции токсичных или трудноусваиваемых веществ специализированными формами жизни.

Живой и мертвый... кислород

И, надо заметить, пример этот далеко не первый. 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!

Случилось событие, именуемое не иначе как кислородной катастрофой. Но жизнь и тогда сумела приспособиться.

Наиболее важные биологические процессы связаны с окислением молекулярным кислородом. Самым значимым из них является, конечно же, аэробное дыхание. В наши дни нелегко себе представить, что пару миллиардов лет назад кислород был вредным для всего живого ксенобиотиком!

Сначала появились аэротолерантные микробы, умеющие обезвреживать кислород (опять биодеградация!). Позже жизнь «догадалась», что кислород — чрезвычайно сильный акцептор электронов, и окисляя им органические молекулы, можно получить баснословное количество необходимой для жизнедеятельности энергии. И сейчас большинство форм жизни без кислорода существовать не способно.

Короче говоря, экологический кризис, охвативший Землю в наше время и связанный с загрязнением окружающей среды человеком, не первый и наверняка не последний. С уверенностью можно сказать, что он будет преодолен.

Это, конечно, не значит, что на кризис следует закрывать глаза. Ведь предыдущие кризисы длились миллионы лет, а хочется завершить его побыстрее!

Но, с другой стороны, демонизировать человеческий род и представлять его «раковой опухолью на теле земли» тоже не стоит.

В конце концов, появление новых видов, умеющих производить новые вещества, происходит постоянно. И в процессе эволюции постоянно появляются новые виды, приспособленные эти вещества кушать, то есть возвращать обратно в круговорот элементов.

В свете вышесказанного, ажиотаж вокруг сжигания ископаемого топлива не вполне обоснован. Ведь сейчас в биосферу возвращается тот углерод, который был из нее когда-то изъят.

Terra incognita

Человек приспособил биодеградацию для своих нужд. Это явление используется для очистки сточных вод уже сотню лет. Английский химик Диброн в 1887 году смог очистить сточную жидкость, выдерживая в ней культуру микроорганизмов. А в 1916 году в той же Англии, в промышленном Манчестере, построили первый аэротенк, и ввели понятие «активный ил».

Еще лет двадцать—двадцать пять назад считалось, что способность к метаболизму ксенобиотиков (в переводе с древнегреческого этот термин означает «чуждый жизни»: ξενος — чуждый и βιος — жизнь) у микроорганизмов очень ограничена, и большинство из них не используется. Но в настоящее время убедительно показана способность как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов к деградации ксенобиотиков.

Когда процесс осуществляется не индивидуальным микроорганизмом, а структурированной микробной ассоциацией (сложность которой вполне сопоставима с многоклеточным организмом), эффективность и глубина деградации органических соединений заметно увеличивается.

Микроорганизмы, способные к переработке ксенобиотиков, довольно разнообразны, и зачастую высоко специализированы. Биодеградация имеет глубокую фундаментальную основу, заключающуюся в громадном разнообразии видов и форм микроорганизмов, встречающихся в природе, и скорости их непрерывной эволюции.

Микробиологи сходятся во мнении, что описанные в настоящее время микробы составляют от 0,1% до нескольких процентов их подлинного разнообразия. Свыше 90% из них не растут в искусственных средах и именуются общим термином «некультивируемые». 

Это громадный пробел в таксономии! Нам практически ничего не известно об их метаболических путях и возможностях метаболизма.

Здесь спрятано много удивительных тайн и будущих переворотов в науке. Когда эти тайны будут разгаданы, наши представления о жизни на Земле существенно изменятся, а классический учебник биохимии разрастется до объемов энциклопедии «Терра».

Следовательно, нет ничего удивительного в том, что постоянно пополняется список веществ, подверженных биодеградации.

Правильный путь

Эффективность метода биодеградации основана на поразительных гибкости и совершенстве метаболических путей микроорганизмов. 

Биосфера способна перерабатывать практически любое химическое вещество. Микробные популяции создают новые, не существовавшие ранее ферменты (а заодно и кодирующие их плазмидные гены), в эксклюзивном порядке к любому продукту химической промышленности.

Понимание этого вселяет надежду на то, что современный экологический кризис когда-нибудь будет преодолен. Ну а мы, люди науки, должны всеми мерами этому способствовать.опубликовано econet.ru

Автор: Антон Миндубаев

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet