Доктор биологических наук Татьяна ФИНОГЕНОВА, кандидат биологических наук Игорь МОРГУНОВ, доктор биологических наук Владимир МЕЛЬНИКОВ, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН (Пущино, Московская область)

Для уменьшения жесткости воды в состав синтетических моющих средств (СМС) вводятся специальные добавки. Одна из наиболее распространенных - триполифосфат натрия (ТПФ). Его содержит большая часть стиральных порошков, производящихся в России. С грязной водой это химическое соединение, не улавливаемое даже самыми современными очистными сооружениями, попадает в реки и озера, вызывая "цветение" воды. В нашей стране опасность данного вида загрязнения природной среды пока недооценивается.

Всего несколько лет назад такое явление наблюдалось в единичных водоемах, теперь же оно стало массовым - на поверхности скапливаются сине-зеленые водоросли (цианобактерии), размножающиеся с пугающей быстротой. Ранее считалось, что их вызывают удобрения, смываемые с полей. Однако мониторинг показал: наибольшее загрязнение водных бассейнов цианобактериями происходит не столько в непосредственной близости от сельскохозяйственных угодий, сколько вблизи городов с наибольшей плотностью населения. Позднее выяснилось и другое: именно триполифосфаты, входящие в состав СМС, - основная причина массового размножения в водоемах сине-зеленых водорослей. Так, всего 1 г ТПФ стимулирует образование 5 - 10 кг водорослей. Если учесть, что в нашей стране ежегодно расходуют около 1 млн. т СМС, в результате чего в реки, озера, моря попадает 300 - 400 тыс. т триполифосфатов, то, по расчетам, общий объем водорослей может вырасти до 3 трлн т. От экологической катастрофы нас спасает только недостаточное для их роста и развития количество света и тепла в осенне-зимний период.

Напомним: два биогенных элемента - фосфор и азот - лимитируют размножение микроорганизмов и водорослей в воде. В подтверждение канадские экологи провели в свое время несколько демонстрационных опытов. Один из них состоял в следующем: в 1974 г. в чистое озеро внесли небольшое количество фосфатов. Спустя 20 лет его поверхность полностью покрыли сине-зеленые водоросли. В другом случае столь же чистое озеро сначала разделили на две части "плотиной" - пластиковой пленкой. В одну из них внесли источники азота и углерода, в другую, помимо указанных, еще и фосфаты. Без фосфатов водоем оставался чистым, а вот их добавление вызвало "цветение" воды.

Еще в 1960-х годах было установлено: сине-зеленые водоросли по строению клетки и другим характеристикам относятся к прокариотам, или безъядерным живым организмам, причем очень древним*. В отличие от большинства эубактерий (истинных бактерий) цианобактерии обладают как минимум тремя особенностями. Во-первых, способны к фотосинтезу, т.е. используя энергию света, ассимилируют углекислый газ воздуха и синтезируют все углеродные соединения клетки. Во-вторых, обладая ферментом нитрогеназой, способны к азотофиксации, т.е. превращают молекулярный азот атмосферы в аммонийный и аминный азот клетки. Эти два физиологических свойства цианобактерии дают им независимость от поступления извне органических субстратов и связанных форм азота, а также преимущества перед другими биологическими объектами, и при попадании фосфатов в водоем обеспечивают быстрое и беспрепятственное размножение указанных бактерий. Третья, очень опасная, особенность заключается в их способности синтезировать вторичные метаболиты (циклопептиды, алкалоиды и др.) - сильнейшие токсины, вызывающие гибель рыб, птиц, зверей и человека. Следует отметить, что анализ воды с целью поиска таких веществ - сложная и трудоемкая задача.

Первый случай массового отравления токсинами цианобактерии был отмечен в 1996 г. В клинике Института почечных заболеваний (Бразилия) после диализа с использованием некачественной воды у 83 пациентов началось заболевание печени, а 55 погибли. Причем высокотоксичное вещество - микроцистин-LR - обнаружили не только в самой воде, но и в крови, тканях печени умерших.

По направленности действия токсины цианобактерии делятся на три группы. В первую входят гепатоксины. Из них наиболее изучен микроцистин (известно более 40 его вариантов). В конце XX в. микроцистин был выделен из клеток Microcystis aerugenosa, отсюда и название. В дальнейшем установили: он продуцируется многими цианобактериями, в том числе относящимися к родам Anabena, Oscllatoria, Nostoc и др. Другой гепатоксин - нодуларин, его продуцируют Nodularia spumigena и др. Содержание микроцистина и нодуларина может достигать 2 - 3 мг на 1 г клеток цианобактерии.

Оба гепатоксина не разрушаются при пищеварении, концентрируются в клетках печени, вызывая ее некроз и кишечные кровотечения, ингибируют жизненно важные ферменты. При однократном попада-

* См.: А. Воронин и др. Ультрамикробактерии. - Наука в России. 2007, N 5 (прим. ред.).

Морфология клеток сине-зеленых водорослей.

нии в организм больших доз токсина смерть наступает в течение нескольких часов. При длительном употреблении с водой низких доз (0,1 мкг/л) развивается рак печени. Такую ситуацию констатировали в южных областях Китая, где население употребляло для питья непроточную воду.

В 1989 - 1991 гг. специалисты из России и США исследовали "цветущие" водоемы Украины и северо-запада России, в том числе реку Днепр, Киевское водохранилище, озеро Разлив и Куршский залив у города Калининграда. Во всех образцах они обнаружили микроцистин.

Во вторую группу входят нейротоксины, включающие анатоксин a, анатоксин a(s) и сакситоксин. Наиболее распространен первый. Он продуцируется штаммами Anabaena, Aphanizomenon, Cylindrospermum и Oscillaria, обитающими в водоемах Канады, Финляндии, Италии, Шотландии, США, Норвегии. Содержание нейротоксинов в клетках цианобактерий может достигать 1 - 4 мг на 1 г биомассы. Анатоксин a и сакситоксин (они наиболее изучены) блокируют натриевые каналы в нервных аксонах, вызывают прогрессирующий паралич и смерть от остановки дыхания.

К третьей группе относятся цитотоксины - алкалоиды. В числе наиболее изученных - цилиндроспермин, продуцируемый Cylindrospermum raciborskii. Этот микроорганизм выделен как причинный агент массового отравления в штате Квинсленд (Австралия), когда были госпитализированы 140 детей и 10 взрослых. Первоначальное, raciborskii обнаруживали в тропической и субтропической зонах, теперь находят в Северной Америке, Европе. Цилиндроспермин вызывает поражение тканей печени и почек.

Все три типа токсинов имеют общие черты. Действуют в минорных концентрациях (мкг/л). Проникают в организм через рот, кожный покров, при дыхании. Они очень устойчивы, не разрушаются при высокой температуре, обработке воды хлором, сильном подкислении.

Кроме загрязнения окружающей среды, соединения фосфора могут быть опасны для здоровья человека и сами по себе. При непосредственном контакте фосфаты нарушают кислотно-щелочное равновесие клеток кожи, вызывая дерматологические заболевания. Помимо этого, они оказывают негативное воздействие на организм в целом. Попадая через кожу в кровь, могут изменять в ней содержание гемоглобина, вызывать изменение плотности сыворотки крови, содержание в ней белка. При попадании избыточного количества фосфатов в организм может нарушаться функционирование печени, почек, скелетных мышц, что приводит к опасным нарушениям обмена веществ и обострению хронических заболеваний. Установлено, что основной механизм действия соединений фосфора связан с их способностью взаимодействовать с липидно-белковыми компонентами клеточных мембран и проникновением через них в различные структурные элементы клеток. Внутри последних эти вещества способны вызывать глубокие и часто необратимые изменения биохимических процессов. Фосфаты из СМС могут проникать в организм различными путями: как упоминалось, при непосредственном контакте с кожей рук и тела; из

недостаточно выполосканных тканей одежды; через загрязненные сточными водами источники водоснабжения и при купании в загрязненных водоемах.

Мировое научное сообщество осознало необходимость оценки ситуации, связанной с массовым "цветением" водоемов и отравлением воды токсинами, продуцируемыми сине-зелеными водорослями. Первая международная конференция с такой повесткой дня состоялась в 1980 г. (всего к настоящему времени их проведено семь). В последней приняли участие 100 ученых, представлявших страны Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Австралии. К сожалению, исследователей из России среди них не было.

Учитывая высокую гигиеническую опасность фосфатов для человека и животных, во многих странах установили жесткие требования к их содержанию в сточных водах, питьевой воде и продуктах питания. В результате с начала 1990-х годов законодательно запретили крупнейшим компаниям производство фосфатсодержащих СМС. В настоящее время в Германии, Италии, Австрии, Норвегии, Швейцарии и Нидерландах стирают только порошками без фосфатов. В Бельгии таких более 80%, Дании - 54, Финляндии и Швеции - 40, Франции - 30, Великобритании и Испании - 25, Греции и Португалии - 15%. В Японии уже к 1986 г. в СМС фосфатов не было вообще. Соответствующие запреты действуют в Республике Корея, на Тайване, в Гонконге, Таиланде, ЮАР. В США они охватывают более трети штатов. Одновременно в мире началось строительство специальных очистных сооружений для удаления из сточных вод фосфора и азота. Предпринятые меры позволили восстановить биологическое состояние Рейна, Великих озер, Миссури, Миссисипи, ряда рек и озер Китая, озер в скандинавских странах, акватории морей европейских стран.

К сожалению, в России ситуация иная. Производимые у нас СМС содержат от 10 до 40 % полифосфатов, следовательно, продолжается неконтролируемый сброс источника фосфора в водоемы страны. При этом более 80% производства стиральных порошков контролируются западными компаниями, у себя на рынке выпускающими бесфосфатные СМС. Сами производители утверждают, что действуют в соответствии со стандартами России. И это действительно так - у нас законодательно не запрещено использование полифосфатов в СМС. А поскольку потребление стиральных порошков возрастает, количество вредных веществ (и, соответственно, цианобактерий) в водоемах стремительно увеличивается. "Цветут" не только озера со стоячей водой, но и реки, и даже морские побережья. Так, в 1960-х годах содержание микроорганизмов в черноморской воде не превышало 50 г/м, сейчас же в 50 раз больше. Особое опасение вызывает "цветение" Волги и Днепра, являющихся стратегическими источниками пресной воды для России и Украины. Создавая пленку на ее поверхности, цианобактерии мешают доступу кислорода, разлагаясь, выделяют, наряду с опаснейшими токсинами, метан, аммиак, сероводород. Как следствие, происходит массовый мор рыбы.

Как уже говорилось, триполифосфаты при стирке снижают жесткость воды и улучшают моющее действие порошка. Необходимо найти им экологически безопасную замену. В последние два десятилетия с этой целью применяли цеолиты. Но в начале 2000-х годов было установлено: их использование ведет к увеличению количества пыли в жилых помещениях. Шведские ученые выяснили, что в ее состав входит значительное количество частиц цеолитов из стиральных порошков. Попадая на кожу, они вызывают раздражение, а с вдыхаемым воздухом могут проникать в легкие.

Вместе с тем снижение жесткости воды может быть достигнуто заменой полифосфатов и цеолитов в СМС на такой экологически безопасный компонент, как цитрат натрия. Соли лимонной кислоты снижают жесткость воды и безопасны для человека и животных. Вопрос о замене фосфатов в составе СМС на цитрат поднимался отечественными и зарубежными экологами еще в конце 1960-х - начале 1970-х годов. Именно тогда в мире возник интерес к использованию н-парафинов нефти в качестве сырья для микробиологических синтезов. В нескольких странах, в том числе и в СССР, были найдены дрожжи, способные потреблять н-парафины и синтезировать из них лимонную кислоту. В дальнейшем ученым из Японии и России удалось разработать принципиально новые технологии производства технических цитратов для использования в составе СМС.

Разработка микробиологических процессов получения лимонной кислоты и ее солей с использованием дрожжей Yarrowia lipolylica ведется в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. ГК. Скрябина более 30 лет. За это время созданы технологии ее получения не только из парафинов нефти, но и из таких возобновляемых субстратов, как глюкоза, этанол и отходы спиртовых производств, растительных масел и продуктов их переработки, а также технического глицерина и глицеринсодержащих отходов производства биодизеля. После проведения ферментационного процесса содержание лимонной кислоты в культуральной среде достигает 100 - 120 г/л. Все процессы позволяют получать продукт с высоким выходом от использованного субстрата (80 - 120 %).

Для изменения состава СМС, производимых в России, необходимо принять нормативно-правовые и санитарные документы, ограничивающие применение полифосфатов. Отсутствие законодательных норм ведет к бесконтрольному загрязнению водоемов.

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: