Ученые Казанского научного центра РАН и ученые из Апатитов впервые в мире осуществили биодеградацию трибутилфосфата (ТБФ) при помощи плесневых грибов аспергиллов. Исследователи выявили штамм микроскопического гриба, способный расти в присутствии высокотоксичного промышленного соединения — трибутилфосфата — и, вероятно, биологически разрушать его до менее опасных продуктов.Полученные результаты открывают перспективы создания экологически безопасных технологий очистки сточных вод и загрязнённых почв.
До представленного исследования биодеградация ТБФ была известна только у бактерий. Конечно, не вызывало сомнений, что грибы, эукариотические формы жизни, тоже способны метаболизировать это вещество.
Трибутилфосфат (ТБФ) широко применяется в горнодобывающей промышленности, ядерной энергетике и химическом производстве. Он используется для извлечения металлов, переработки ядерного топлива, а также входит в состав пластификаторов и гидравлических жидкостей. Однако ТБФ относится к высокотоксичным органофосфорным соединениям: он способен накапливаться в живых организмах и вызывать гибель водных беспозвоночных даже в малых концентрациях.
Вот поэтому работа проделана не только в Казани, сотрудниками ФИЦ КазНЦ, Лаборатории МГММ ФИЦ КазНЦ РАН и КНИТУ, а совместно с самым северным наукоградом России – заполярными Апатитами, с Институтом проблем экологии Севера КНЦ РАН. Кольский полуостров славится огромнейшими месторождениями рудных минералов, содержащих большую часть таблицы Менделеева, а мощностей их переработки хватает на обеспечение огромной страны и, во многом, целого мира. Разумеется, трибутилфосфат в качестве экстрагента применяется здесь крупнотоннажно, и вносит значительный вклад в загрязнение уязвимых полярных экосистем.
ТБФ представляет собой эфир фосфорной кислоты, биодеградация которого представляет собой ферментативную деэтерификацию до спирта бутанола и неорганического фосфата. Но метаболизм ТБФ прост только на первый взгляд. Не в любой живой клетке присутствуют ферментные системы, способные гидролизовать трехзамещенные фосфаты – соединения, весьма редкие в природе. Именно этим определяется токсичность данного вещества. Но авторы показали не только сам факт грибной биодеградации трибутилфосфата. Оказалось, что близкородственные штаммы черного аспергилла, ставшие основным объектом исследований коллектива, по разному реагируют на присутствие трибутилфосфата. Дочерний штамм более устойчив к ТБФ и более эффективно его утилизирует. Это прекрасно вписывается в идею постепенного эволюционного приспособления к загрязнению фосфорными соединениями.
Следует особо отметить, что ТБФ в своем составе содержит фосфор – ценнейший и дефицитный биогенный элемент, необходимый всем без исключения формам жизни. То есть, задача грибков состояла в том, чтобы переработать токсичную форму фосфора в безвредную, и даже полезную. Авторы статьи выращивали аспергиллы в культуральной среде, в которой не было других источников необходимого фосфора, кроме ТБФ. И микроорганизмы были вынуждены обезвреживать токсикант, что изначально и являлось целью работы.
Исследование показало, что культуральные среды с добавлением ТБФ оказывают сильное токсическое воздействие на инфузорий Paramecium caudatum и рачков Artemia salina. Особенно опасным соединение оказалось в условиях дефицита неорганического фосфора — смертность тест-организмов в таких средах возрастала вдвое.
На этом фоне особый интерес представляет открытие способности микроскопических грибов рода Aspergillus противостоять действию трибутилфосфата. В ходе экспериментов были изучены два штамма гриба Aspergillus niger, ранее адаптированные к экстремально токсичным формам фосфора. Было установлено, что оба штамма способны расти в присутствии ТБФ, однако их реакция на загрязнитель существенно различается.
Один из штаммов — Aspergillus niger F-4816D — продемонстрировал повышенную устойчивость к токсиканту. Более того, в среде без неорганического фосфора его рост не только не подавлялся, но в ряде случаев даже усиливался. Это указывает на возможную способность гриба использовать трибутилфосфат как источник фосфора, расщепляя его до менее токсичных соединений.
В отличие от него, исходный штамм A. niger F-4815D оказался значительно более чувствительным к ТБФ: у него резко замедлялся рост, нарушалось формирование спор и снижалась скорость развития колоний. Такие различия подтверждают, что устойчивость к органофосфорным ксенобиотикам может быть результатом адаптации и направленного отбора микроорганизмов.
По мнению авторов работы, биодеградация трибутилфосфата грибом A. niger F-4816D, вероятно, происходит за счёт работы фосфоэстераз — ферментов, расщепляющих эфирные связи с образованием менее опасных продуктов, таких как бутанол и неорганические фосфаты.
Практическое значение исследования заключается в возможности создания биотехнологий очистки сточных вод и почв от трибутилфосфата и сходных органофосфорных загрязнителей. В настоящее время биологическое обезвреживание токсичных отходов набирает популярность. Этим методам очистки с каждым годом поддается все большее число токсичных поллютантов. В отличие от химических методов нейтрализации, биологические подходы отличаются экологической безопасностью и могут быть применимы для рекультивации промышленных территорий и очистки техногенных водоёмов.
В дальнейшем ученые планируют изучить продукты трансформации трибутилфосфата и оценить, насколько эффективно гриб снижает токсичность среды в реальных условиях. Полученные результаты делают микроскопические грибы перспективным инструментом «зелёной» химии и экологической биотехнологии.
Авторы имеют опыт в исследовании биодеградации: в более ранних работах они впервые в мире описали биодеградацию элементного фосфора – белого и красного.
Источник: Минобрнауки России
