Многие биохимические процессы, происходящие с участием микроорганизмов, применяются в пищевой и легкой промышленности. Велика роль микроорганизмов и в круговороте веществ в природе.
В качестве своеобразной пищи для микроорганизмов в настоящее время выступают различные промышленные материалы (текстиль, металл, бетон, пластмассы, резина, кожа, топливо, лаки, краски, бумага и т.д.), в результате "колонизации" которых сапрофитами формируется своеобразная 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 же бактериями происходит в основном за счет воздействия ферментов и органических кислот.
Разрушение промышленных материалов ферментами. Общая характеристика ферментов. Все разнообразные и многочисленные биохимические реакции, протекающие в живом организме в связи с обменом веществ, совершаются при участии ферментов - биологических катализаторов, вырабатываемых клетками организма.
Ферменты являются катализаторами биологического происхождения, состоящими из простых (протеины) или сложных (протеиды) белков и небелкового компонента - активной группы. Так, есть ферменты однокомпонентные и двухкомпонентные.
23
В состав активной группы двухкомпонентных ферментов входят витамины или их производные, различные металлы (Fe, Co, Сu), 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. Ничтожно малого количества фермента достаточно, чтобы вовлечь в реакцию значительную массу реагирующего вещества (субстрата).
Ферменты действуют чрезвычайно быстро. Молекула фермента за 1 мин может вызвать превращение десятков и сотен тысяч молекул соответствующего субстрата.
Особенностями ферментов являются их субстратная специфичность и специфичность действия - 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. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку.
Каждый микроорганизм обладает комплексом разнообразных ферментов, своеобразием и активностью которых определяются его биохимическая деятельность, избирательность в отношении питательных веществ, роль в круговороте веществ в природе, в процессах биодеструкции.
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 микроорганизм синтезирует фермент, которым ранее он не обладал.
Некоторые ферменты, выделяемые микроорганизмами во внешнюю среду, принято называть экзоферментами. Они играют большую роль в подготовке пищи к ее поступлению в клетку. Происходит внеклеточное "переваривание" пищи - расщепление сложных веществ субстрата (крахмала, белков и др.) на более простые составляющие, способные проникать в клетку.
Цитоплазматические ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающую среду, называют эндоферментами (внутриклеточными). Эти ферменты участвуют во внутриклеточных процессах обмена веществ.
Большее значение при возникновении биоповреждений имеют ферменты, выделяющиеся в окружающую среду, а не ферменты, функционирующие только внутри клетки.
24
В настоящее время известно более 200 ферментов. В соответствии с принятой классификацией все ферменты делят на шесть классов: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы, 6) лигазы.
Разрушение материалов под влиянием 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. В этот класс входят многочисленные ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции процессов энергетического обмена (дыхания, брожения) микроорганизмов.
Из оксидоредуктаз особую роль в разрушении многих промышленных материалов играют оксигеназы. В первую очередь, к такого рода процессам относится 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.
Большое значение в процессах биодеструкции имеют и другие ферменты класса оксидоредуктаз - дегидрогеназы и оксидазы. Дегидрогеназы катализируют реакции переноса водорода с одного соединения на другое. Термином "оксидаза" обозначаются ферменты, участвующие в реакциях, где акцептором водорода служит непосредственно кислород. Дегидрогеназы катализируют окисление гидроксильных групп до альдегидных и далее до карбоксильных, а также образование ненасыщенных соединений из предельных.
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 родов 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.
25
Важное место в биоповреждении промышленных материалов принадлежит ферментам класса гидролаз, ибо многие из них, будучи экзоферментами, участвуют в первичной подготовке питательного субстрата к расщеплению и метаболизму. Гидролазы катализируют реакции расщепления сложных соединений на более простые с одновременным присоединением воды. Особый интерес в плане проблемы биоповреждений представляет подкласс эстераз. Они катализируют гидролитический разрыв эфирных связей в различных соединениях.
В разрушении промышленных материалов, содержащих целлюлозу (клетчатку) и другие углеводы, а также их производные, активное участие принимают ферменты группы гликозидаз (старое название - карбоангидразы). Расщепление клетчатки катализируется комплексом ферментов - целлюлазой. Основу его составляют ферменты, гидролизующие связи между глюкозными остатками в молекуле клетчатки с образованием целлобиозы и глюкозы.
Наиболее выраженной способностью синтезировать целлюлолитические ферменты обладают микроскопические грибы родов Alternaria, Trichoderma, Chaetomium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium и др. Различные виды целлюлозоразрушающих грибов способны расти и продуцировать целлюлазу лишь в определенных температурных пределах, чаще всего при +(28... 30) °С.
Особый интерес среди гидролаз представляют ферменты группы протеиназ. Их основное действие - расщепление белков по месту амидных, т.е. пептидных связей (протеолитические ферменты). Однако некоторые из протеиназ обладают достаточно широкой субстратной специфичностью, т.е. малой избирательностью. Это дает основание предполагать возможность какого-то участия протеиназ микроорганизмов 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. При этом могут разрываться связи - С - С, - С - О, - С - N -, а отщепляемыми группами являются вода, углекислый газ, аммиак и др. Ферменты этого класса характеризуются высокой специфичностью и избирательностью по отношению к субстрату. Тем не менее, общая направленность их действия дает основание предположить и возможность участия этих ферментов в деструкции синтетических материалов.
Трансферазы - ферменты переноса. Ферменты этой группы катализируют перенос частей молекул или атомных группировок от одних соединений к другим. Известно много таких ферментов и их различают по тем группам, перенос которых они катализируют.
26
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. У последних особенно активны бывают ферменты, расщепляющие основной тип связей в данном материале. Однако, в целом, в разрушении материалов участвуют многие ферменты. Несколько видов грибов и бактерий 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.
Разрушение промышленных материалов органическими кислотами. Сильнейшими агрессивными метаболитами микроорганизмов являются органические кислоты. Они вызывают быструю и глубокую деструкцию промышленных материалов как органических, так и неорганических, включая металлы.
Из культур плесневых грибов удалось выделить более 40 различных органических кислот. Грибы рода Penicillium выделяют главным образом лимонную и глюконовую кислоты, Aspergillus - лимонную, глюконовую и щавелевую, а Мисоr - янтарную, фумаровую и щавелевую.
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 небольшие количества кислот (большинство видов грибов);
- 3) выделяющие в среду ничтожно малые количества кислот (например, Alternaria tennis).
Чаще всего плесневыми грибами в больших количествах выделяются: лимонная, глюконовая, щавелевая, молочная, фумаровая, янтарная и яблочная кислоты.
Конкретные механизмы деструкции отдельных промышленных материалов органическими кислотами в большинстве случаев исследованы пока недостаточно. Отдельные типы полимерных материалов отличаются по устойчивости к действию органических кислот. Наиболее устойчивы в этом отношении полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенопласты, менее стойкие поливинилхлорид, полиметилакрилат и полиамидные смолы. Присутствие в
27
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 достаточно низких концентрациях (0,09 - 0,4 %). Сильными разрушителями лакокрасочных покрытий являются пировиноградная, глюконовая, уксусная, щавелевая кислоты. Все органические кислоты вызывают интенсивную деструкцию разнообразных целлюлозосодержащих материалов.
Особого внимания заслуживает коррозия металлов под влиянием органических кислот. В некоторых случаях под их действием металлы корродируют даже более интенсивно, чем при действии неорганических кислот. Коррозия емкостей с нефтепродуктами иногда является, видимо, результатом действия на алюминиевые сплавы органических кислот, образующихся при разложении нефтепродуктов микроорганизмами.
Выделяемые микроорганизмами органические кислоты, ферменты, пигменты и некоторые другие метаболиты вызывают существенные изменения физико-механических, диэлектрических и других свойств материалов, резко ухудшают их технологические параметры.
28
