Агрессивные метаболиты микроорганизмов в связи с особенностями их биодеструкции

Многие биохимические процессы, происходящие с участием микроорганизмов, применяются в пищевой и легкой промышленности. Велика роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе. В качестве своеобразной пищи для микроорганизмов выступают промышленные материалы (текстиль, металл, бетон, пластмассы, резина, кожа, топливо, лаки, краски, бумага и т. д.), в результате колонизации которых сапрофитами формируется сборная группа бактерий и грибов-технофилов. Биоповреждение материалов и изделий плесневыми грибами происходит за счет механического разрушения разрастающимся мицелием, биозагрязнения и главным образом вследствие воздействия ферментов и органических кислот. Биоповреждение бактериями происходит в основном за счет воздействия ферментов и органических кислот. Разрушение промышленных материалов ферментами. Все разнообразные биохимические реакции, протекающие в живом организме в связи с обменом веществ, совершаются при участии ферментов. Ферменты являются катализаторами биологического происхождения, состоящими из простых (протеины) или сложных (протеиды) белков и небелкового компонента — активной группы. Так, есть ферменты однокомпонентные и двухкомпонентные. В состав активной группы двухкомпонентных ферментов входят витамины или их производные, различные металлы (Fe, Co, Cu), азотистые основания и др. Активная группа ферментов обусловливает их каталитическую способность, а белковая часть — специфические свойства, избирательную способность действовать на определенный субстрат. Ферменты обладают очень высокой активностью и действуют быстро. Молекула фермента за 1 мин может вызвать превращение десятков и сотен тысяч молекул соответствующего субстрата. Каждый фермент взаимодействует лишь с одним определенным веществом и катализирует лишь одно из тех превращений, которым может подвергаться данное вещество.

Специфичность ферментов обусловлена структурными особенностями их молекул и субстрата. Ферменты, присущие данному микроорганизму, входящие в число компонентов его клетки, называют конститутивными. Существуют индуцируемые (адаптивные) ферменты, которые вырабатываются только при наличии в среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. Например, микроорганизм, не ассимилирующий полимеры, можно приучить к их использованию, культивируя в среде с этим полимером как единственным источником углерода. В этих условиях микроорагнизм синтезирует фермент, которым ранее он не обладал. Благодаря экзоферментам, выделяемым в окружающую среду, происходит подготовка пищи к ее поступлению в клетку. Происходит внеклеточное «переваривание» пищи, расщепление сложных веществ субстрата (крахмала, белков и др.) на более простые, способные проникать в клетку.

Цитоплазматические ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающуюся среду, называют эндоферментами (внутриклеточными). Большее значение при возникновении биоповреждений имеют ферменты, выделяющиеся в окружающую среду. В настоящее время известно более 200 ферментов. В соответствии с принятой классификацией все ферменты делят на 6 классов: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы, 4) лиазы, 5) изомеразы, 6) лигазы. Разрушение материалов под действием ферментов происходит в результате различных реакций — окисления, восстановления, декарбоксилирования, этерификации, гидролиза и др. Особенно активное разрушающее действие на большинство материалов оказывают оксидоредуктазы, гидролазы и лиазы.

Оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие реакции процессов энергетического обмена (дыхания, брожения) микроорганизмов. К ним относятся оксигеназы, вызывающие биоразрушение гидрофобных, неполярных веществ типа углеводородов, а также материалов, образованных циклическими соединениями. К оксигеназам принадлежат ферменты, катализирующие непосредственное присоединение кислорода к окисляемому субстрату. Такие реакции являются обычно первым этапом разрушения многих чужеродных веществ живой клеткой. Например, бактерии рода Pseudomonas катализируют разрыв индольного кольца. Дегидрогеназы катализируют реакции переноса водорода с одного соединения на другое.

В классе оксидоредуктаз специфическим характером действия отличаются пероксидаза и каталаза. Пероксидаза катализирует окисление перекисью водорода различных органических соединений — фенолов, аминов, гетероциклических соединений. У мицелиальных грибов значительной пероксидазной активностью обладают представители рода Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Alternaria, Cladosporium и т. д. Каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород и катализирует также окисление перекисями различных спиртов и других соединений. Активными продуцентами каталазы являются некоторые виды грибов рода Penicillium. Гидролазы катализируют процессы расщепления и синтеза сложных органических веществ по типу гидролитических реакций с участием воды. Они являются экзоферментами и участвуют в первичной подготовке питательного субстрата к расщеплению и метаболизму.

Особый интерес в плане проблемы биоповреждений представляет подкласс эстераз. Они катализируют гидролитический разрыв эфирных связей и различных соединений. В разрушении промышленных материалов, содержащих целлюлозу (клетчатку) и другие углеводы, а также их производные, активное участие принимают ферменты группы гликозидаз. Расщепление клетчатки катализируется комплексом ферментов — целлюлазой, которая синтезируются грибами родов Alternaria, Trichoderma, Chaetomia, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium. Чаще продуцирование целлюлазы происходит при +(28…30)⁰С.

Протеиназы, входящие в группу гидролаз, расщепляют белки по месту амидных, т. е. пептидных связей (протеолитические ферменты). Они характеризуются малой избирательностью к субстрату. Поэтому протеиназы микроорганизмов могут участвовать в деструкции полимерных материалов, в первую очередь содержащих амидные и эфирные связи: мочевиноформальдегидных полимеров, акриламидных, полиамидов (капрон, нейлон) и полиуретанов (поролон). Лиазы катализируют реакции негидролитического расщепления органических веществ, сопровождаемые отщеплением от субстрата тех или иных химических групп: СО₂, Н₂О, NH₃. Ферменты характеризуются высокой специфичностью к субстрату, участвуют в деструкции синтетических материалов.

Трансферазы — ферменты переноса. Осуществляют перенос частей молекул или атомных группировок от одних соединений к другим. Изомеразы осуществляют превращение органических соединений в изомеры, что связано с внутримолекулярным перемещением радикалов, атомов, атомных группировок.

Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза сложных органических соединений из более простых. Имеется четкое соответствие между видом поражаемого материала и ферментативными свойствами виновников деструкции. Несколько видов грибов и бактерии образуют биоценоз на материале, и биохимизм распада имеет сложный характер. Так, биодеструкция полимеров в молекуле которых имеются амидные и сложноэфирные связи (полиамиды, полиуретаны, мочевиноформальдегидные смолы, полиэфиры) может происходить в результате поражения микроорганизмами, продуцирующими активные эстеразы и протеолитические ферменты.

Органические кислоты являются сильнейшими агрессивными метаболитами микроорганизмов. Они вызывают быструю и глубокую деструкцию органических и неорганических материалов, включая металлы. Из культур плесневых грибов выделено более 40 различных органических кислот. Грибы рода Penicillium выделяют главным образом лимонную и глюконовую кислоты, Aspergillus — лимонную, глюконовую и щавелевую, а Mucor — янтарную, фумаровую и щавелевую. Все эти кислоты, а также яблочная, обычно выделяются плесневыми грибами в большом количестве. Обычно один и тот же вид гриба способен синтезировать разнообразные родственные кислоты.

В зависимости от количества синтезируемых кислот все грибы можно разделить на три группы: 1) выделяющие в среду относительно большое количество органических кислот (например, Aspergillus niger); 2) продуцирующие небольшое количество кислот (большинство видов грибов); 3) выделяющие в среду ничтожно малые количества кислот (например, Alternaria tenuis).

Механизмы деструкции промышленных материалов органическими кислотами изучены недостаточно. Отдельные типы полимерных материалов отличаются по устойчивости к действию органических кислот. Наиболее устойчивы полиэтилен, пропилен, полистирол, фенопласты, менее стойкие поливинилхлорид, полиметилакрилат и полиамидные смолы. Присутствие в пластмассах органических наполнителей, являющихся, как правило, хорошим питательным материалом для плесневых грибов, способствует активному образованию ими органических кислот и тем самым усиливает разрушение материалов. Органическим кислотам принадлежит ведущая роль в разрушении лакокрасочных покрытий. Повреждающее действие лимонной, винной и фумаровой кислот проявляется уже при концентрациях 0,09−0,4%.

Сильными разрушителями лакокрасочных покрытий являются пировиноградная, глюконовая, уксусная, щавелевая кислоты. Все органические кислоты вызывают интенсивную деструкцию разнообразных целлюлозосодержащих материалов. Металлы под действием органических кислот в ряде случаев корродируют более интенсивно, чем при действии неорганических кислот. Коррозия емкостей с нефтепродукта иногда является результатом действия на алюминиевые сплавы органических кислот, образующихся при разложении нефтепродуктов микроорганизмами. Выделяемые микроорганизмами органические кислоты, ферменты, пигменты и др. метаболиты вызывают существенные изменения физико-механических, диэлектрических и др. свойств материалов, резко ухудшающих их технологические параметры.