Деградація біологічна

Визначення і загальна характеристика

ДЕ­ГРАДА́ЦІЯ БІО­ЛОГІ́ЧНА — процеси пере­творе­н­ня та зміни біо­логічної активності складних органічних речовин, що від­буваються за участі живих організмів. Поряд із фоторозкла­да­н­ням та випаровува­н­ням, Д. б. детермінує зменше­н­ня вмісту різноманітних ксенобіо­тиків в обʼєктах довкі­л­ля, зокрема в ґрунті, а також втрату фізіол. активності пестицидами та зменше­н­ня їхньої кількості без­посередньо в рослинах (детоксикація). Під­твердже­н­ням участі мікроорганізмів у процесах транс­формації та де­градації пестицидів є ві­домості про гальмува­н­ня роз­кла­да­н­ня ксенобіо­тиків під час стерилізації ґрунту. Сут­тєве значе­н­ня процес Д. б. має для роз­кла­да­н­ня низки класів пестицидів, зокрема гербіцидів: хлорфеноксикарбонових кислот, триазинів, похідних сечовини, фенілкарбаматів, тіокарбаматів. При цьому Д. б. може від­буватися як у результаті метаболіч. транс­формації, коли молекула ксенобіо­тика є джерелом вуглецю та енергії, так і шляхом кометаболізму, при якому для транс­формації ксенобіо­тика потрібні ін. орган. сполуки (орган. кислоти, цукри). Низку дослідж. Д. б. персистентних (мають великий період напів­розкла­да­н­ня) гербіцидів провели під керівництвом Ю. Мережинського фахівці від­ділу фізіології дії гербіцидів Ін­ституту фізіології рослин і генетики НАНУ (Київ). Зокрема ви­вчено вплив гербіцидів похідних хлорбензойної та піколінової кислот на мікрофлору ґрунту, встановлено, що Д. б. гербіцидів від­бувається шляхом кометаболізму, виявлено най­стійкіші до гербіцидів види мікроорганізмів, які за умов викори­ста­н­ня від­повід­них індукторів у 2–3 рази при­скорюють процес Д. б. Досліджено також Д. б. гербіциду з групи динітроанілінів — трефлану. Встановлено, що у ній беруть участь мікроорганізми різних таксономічних груп: гриби, актиноміцети, бактерії. Най­активнішими де­структорами є мікро­скопічні гриби, особливо пеніцили та аспергіли, що домінують у верх­ньому шарі ґрунту, а також актиноміцети. Мікроорганізми транс­формують трефлан шляхом деалкілува­н­ня його молекули, від­новле­н­ня нітро­груп до аміно­груп, а також завдяки утворен­ню структурно складніших біциклічних сполук — похідних бензимідазолу. Характер і спрямованість процесу Д. б. трефлану залежать від виду й штаму мікроорганізмів, їхнього віку та умов культивува­н­ня (аерація, рН, наявність косубстратів). На різних етапах роз­витку в клітинах мікроміцетів можна виділити від 2 до 7 метаболітів гербіциду. Вони на­громаджуються в основному в міцелії грибів, а не в культуральному середовищі, що зумовлено інтенсив. сорбцією гербіциду їхньою біо­масою. Д. б. трефлану в культурах актиноміцетів має дещо ін. спектр метаболітів, а також ін. їхній вміст у культуральному середовищі. Зі­ставле­н­ня метаболітів, що виявляються під час Д. б. пестицидів мікроорганізмами в ґрунті та в разі їхньої детоксикації в рослинах, свідчить, що ці процеси мають багато спільного. Проте для неселектив. гербіцидів (гербіциди суцільної дії, для яких від­сутні стійкі види рослин) процес детоксикації в рослинах не від­бувається. Роз­виток генно-інж. методів дав змогу клонувати гени прокаріотів, які кодують ферменти, що сприяють Д. б. зга­даних гербіцидів, та ввести ці гени в рослин­ні організми. Таким чином отримано транс­ген­ні культурні рослини, резистентні до неселектив. типів гербіцидів, зокрема глуфосинату, або під­вищено стійкість певних видів культур. рослин до селектив. гербіцидів. Гербіцид глуфосинат (діюча речовина фосфінотрицин) інгібує фермент глутамінсинтетазу, що призводить до на­громадже­н­ня в рослинах токсич. кількості амонію, ушкодже­н­ня мем­бран і втрати клітинами води. Його використовували раніше лише для знище­н­ня бурʼянів після збира­н­ня культур. рослин чи до їхнього посіву або як десикант. Ген Bar з Streptomyces hydroscopicus кодує фермент фосфінотрицин-ацетилтрансферазу, який каталізує реакцію ацетилюва­н­ня гербіциду й пере­творює його у нефітотоксичну сполуку. Введе­н­ня цього гена в рослини кукурудзи та цукр. буряка забезпечило високу стійкість культур до глуфосинату. Гербіцид бромоксиніл є селектив., його можна за­стосовувати в посівах зернових колосових для знище­н­ня дводольних видів бурʼянів. Ген bxn, який кодує специфічну нітролазу, що пере­творює бромоксиніл у нефітотоксичну 3,5-дібромо-4-гідроксибензойну кислоту, клоновано з Klebsiella ozaenae та введено в рослини тютюну під контролем світлочутливого промотора. Отримані транс­ген­ні рослини мають високий рівень стійкості до бромоксинілу.

Для більшості класів гербіцидів вибірковість дії повʼязана з різницею в здатності певних видів рослин до метаболіч. детоксикації ксенобіо­тиків. Існує низка фермент. систем, які беруть участь у детоксикації гербіцидів, але дослідже­н­ня довели, що в цього процесу є спільні для багатьох видів рослин закономірності. Метаболічна детоксикація гербіцидів, як правило, починається з окисле­н­ня або гідролізу, що забезпечує подальшу конʼюгацію токсикантів з глутатіоном, глюкозою або амінокислотами. Утворені конʼюгати можуть бути не­активними до звʼязува­н­ня з сайтом дії, менш мобільними, вони є субстратом для подальшої транс­формації, яка від­бувається шляхом вторин. конʼюгації, метаболіч. роз­кладу або компартментації. Найтиповішими реакціями, що від­буваються за участі цитохром P-450 залежних монооксигеназ, є гідроксилюва­н­ня ароматич. кільця, чи алкільної групи, або O,N-деалкілюва­н­ня. Нині ві­домо багато ізоформ цитохром Р-450 залежних монооксигеназ, які беруть участь у біо­синтезі вторин. метаболітів: феніл­пропаноїдів, терпенів, жирних кислот та ін. продуктів вторин. метаболізму. Після первин. транс­формації, повʼязаної з окисле­н­ням або гідролізом, у більшості випадків ксенобіо­тики під­лягають глюкозиліруван­ню. Ці реакції каталізують О- і N-глюкозилтрансферази, які є мем­бранозвʼязаними ферментами з молекуляр. масою від 40 до 62 kD. Прості конʼюгати ксенобіо­тиків з глюкозою можуть бути субстратом для вторин. конʼюгації, яка призводить до формува­н­ня глюкозилглюкозидів або 6-О-малонілглюкозидів. Остан­ні виникають у результаті дії малонілтрансфераз, які використовують малоніл-КоА як донор ацильної групи. Деякі карбонові кислоти, зокрема 2,4-Д або похідні арилоксифенокси­пропіонової кислоти, можуть утворювати ефіри з глюкозою або амідні конʼюгати з амінокислотами. Однак ці процеси мають зворот. характер, внаслідок чого не ведуть до стабільної детоксикації зга­даних вище препаратів.

Одним із найважливіших процесів, що сприяє детоксикації гербіцидів у рослинах, є утворе­н­ня конʼюгатів із глутатіоном. Ця реакція від­бувається завдяки взаємодії глутатіону з електрофільним субстратом. На від­міну від конʼюгації з глюкозою, цей процес не потребує попереднього окисле­н­ня або гідролізу молекули гербіциду. Для конʼюгації з глутатіоном до­статньо, щоб вихідна сполука мала електрофільний центр (галоген, фенолат, алкіл сульфоксиду). Ці реакції каталізують глутатіон-S-трансферази (GST). Вперше утворе­н­ня конʼюгатів гербіциду з глутатіоном показано для атразину в рослинах кукурудзи. Остан­нім часом охарактеризовано й клоновано числен­ні ізоформи GST (пере­важно з кукурудзи). Активність GST також детермінує чутливість різних видів рослин до багатьох груп гербіцидів, зокрема до хлорацетанілідів і похідних триазину. Для стабільної детоксикації ксенобіо­тиків недо­статньо отрима­н­ня конʼюгатів з глюкозою або глутатіоном, оскільки утворені продукти можуть зберігати фізіол. активність. Зокрема конʼюгати гербіцидів з глутатіоном здатні інгібувати активність GST, що пригнічує процес детоксикації самого гербіциду та ін. ксенобіо­тиків. Тому необхідною складовою процесу детоксикації є компартментація метаболітів, яка може охоплювати накопиче­н­ня водорозчин­них метаболітів у вакуолі клітини. При ви­вчен­ні транс­порту конʼюгатів глутатіону через тонопласт встановлено, що це АТФ-залежний процес, однак на нього не впливає активність звичайних H⁺-ATФ. Припускають, що він від­бувається за участі специфіч. Mg-залежної АТФ, функція якої в нормал. метаболізмі неві­дома. У вакуолі конʼюгати метаболітів гербіцидів з глутатіоном транс­формуються з утворе­н­ням конʼюгатів із цистеїном. Таким чином, функціонує т. зв. механізм пастки, що сприяє на­громаджен­ню залишків токсикантів у вакуолях. Транс­порт через тонопласт конʼюгатів метаболітів гербіцидів з глюкозою ще не ви­вчено остаточно, але встановлено, що цей процес посилює наявність MgATФ, а ін. глюкозиди, напр., ескулин, інгібують його. Важливе значе­н­ня для регуляції вибіркової токсичності гербіцидів має той факт, що цитохром Р-450 залежні монооксигенази, глюкозил- і глутатіон-S-трансферази є не лише кон­ститутивними, а й спроможними до індукції ферментами, активність яких може зро­стати в результаті впливу різних чин­ників. Зокрема основою захисної дії багатьох антидотів є здатність під­вищувати активність на­званих ферментів, а також стимуляція транс­порту метаболітів через тонопласт, що в результаті сприяє метаболіч. детоксикації гербіцидів у культур. рослинах.

Літ.: Мережинский Ю. Г. По­ступление и ин­активация гербицидов в растениях // Физиология и биохимия растений на Украине. К., 1968; P. C. Kearney, D. D. Kaufman. Degradation of herbicides. New York, 1969; Скрябин Г. К., Головлева Л. А. Микробиологическая транс­формация и де­градация пестицидов // Изв. АН СССР. 1975. Вып. 6; Круглов Ю. В. Микробиологические факторы детоксикации пестицидов // СХБ. 1979. Т. 14, № 6; Мережинский Ю. Г., Васильченко В. Ф., Кофман И. Ш. Метаболизм трефлана в почве и по­ступление его метаболитов в растения // Механизм действия гербицидов и синтетич. регуляторов роста растений. Уфа, 1984; K. Hatzios. Mechanisms of action of herbicide safeners: An overview // Crop safeners for herbicides: development, uses and mechanisms of action. San Diego, 1989; D. j. Cole. Detoxification and activation of agrochemicals in plants // Pesticide Science. 1994. № 42; K. Kreuz, R. Tommasini, E. Martinoja. Old enzymes for a new job // Plant Physiology. 1996. Vol. 111; Левенко Б. А. Пере­нос генов и про­блемы транс­ген­ных растений // ФиБКР. 1998. Т. 30, № 2; Мордерер Е. Ю. Избирательная фитотоксичность гербицидов. К., 2000.

Є. Ю. Мордерер

Завантажити статтю