Кратко — общие принципы, по трём типам загрязнителей, и ключевые факторы, определяющие скорость и полноту биодеградации.
1) Общие принципы биоразложения
- Каталитическое действие микробных ферментов: превращение органической молекулы через окисление/восстановление, гидролиз, присоединение/расщепление кольца и т.д. Продуктом полной биодеградации (минерализации) являются $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ (а при анаэробных путях — $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$ и др.).
- Два основных режимa: аэробный (оксидативный, обычно быстрее) и анаэробный (редуктивный или ферментативный, часто медленнее, но необходим для галогенированных соединений).
- Типы биотрансформаций: первичная трансформация (структура меняется, но соединение может оставаться токсичным) и окончательная минерализация.
- Кинетика часто аппроксимируется первым порядком: $$C_t=C_0{e}^{-kt},$$ где $t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}.$ При росте микроорганизмов используют модели типа Моно (Monod): $$v=v_{max}\frac{S}{K_s+S}.$$
2) Нафта (углеводороды нефтяной фракции)
- Состав: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды. Поведение зависит от летучести, растворимости и гидрофобности.
- Механизмы:
- Алканы: первичное гидроксилирование (алкангидроксилазы/алканмоноксигеназы) → альдегиды → жирные кислоты → β‑окисление.
- Низкомолекулярные ароматические соединения (нафталины, моноароматы): диоксигеназы/моноксигеназы вводят кислород в кольцо → образование катехолов → расщепление кольца (орто- или мета-путь).
- Анаэробно: добавление через фумарат (alkylsuccinate synthase), бензоил‑CoA путь, сульфат/нитрат/метаногенный метаболизм.
- Ограничения: при наличии тяжёлой НПЛФ‑фазы (non‑aqueous phase liquids) и сильного сорбирования биоavailability снижается.
- Примеры времён разложения (очень ориентировочно): легкие фракции — десятки часов–дней ($\sim 0.1$–$\sim 10$ дней), тяжёлые/полициклические ароматические углеводороды — месяцы–годы ($\sim 30$–$\sim 1000$ дней).
3) Фенолы
- Химия: гидроксилированные ароматические соединения легко активируются фенолгидроксилазой → образование катехола → последующее расщепление:
- Орто‑расщепление: катехол‑1,2‑диоксигеназа.
- Мета‑расщепление: катехол‑2,3‑диоксигеназа.
- Аэробная деградация обычно быстрая; анаэробные пути возможны через карбоксилирование и путь бензоил‑CoA.
- Типичные скорости: аэробно — часы–дни ($\sim 0.1$–$\sim 10$ дней); при недостатке O2 — значительно медленнее.
4) Пестициды (разные классы: органофосфаты, карбаматы, органохлорные, триазины и др.)
- Разнообразие механизмов:
- Гидролиз эфирных/карбаматных связей (эстеразы, фосфотриэстеразы) — часто приводит к быстрой детоксикации (например, для многих органофосфатов).
- Окисление/деалкилирование (монооксигеназы, P450‑подобные ферменты).
- Для сильно галогенированных/хлорированных (DDT, эндрин, некоторые промышленные пестициды) критична анаэробная восстановительная деполихлоринация (редуктивная дехлорировка) — часто единственный путь к разложению.
- Некоторые трансформации не приводят к минерализации, образуются стойкие/токсичные метаболиты.
- Устойчивые пестициды (органохлорные) имеют большие периоды полураспада — годы-десятилетия ($\sim 10$–$\sim 10000$ дней), в то время как многие органофосфаты/карбаматы деградируют за дни–недели ($\sim 1$–$\sim 100$ дней).
5) Факторы, определяющие скорость и полноту биодеградации
- Химическая структура загрязнителя:
- полярность/растворимость; водорастворимость увеличивает доступность,
- степень замещения электронооттягивающими группами (галогены) снижает реактивность,
- молекулярная масса и сложность кольцевых структур.
- Биодоступность:
- сорбция на органическое вещество/частицы, присутствие НПЛФ → уменьшает растворимую фракцию,
- масса поверхности и эмульгирование (сурфактанты повышают доступность).
- Микробная популяция:
- наличие специфических деградирующих штаммов/плазмидных катаболических генов,
- адаптация/акклиматизация и численность,
- конкуренция и токсины.
- Окружающие условия:
- электронный акцептор: ${\mathrm{O}}_2$ (аэробно) vs $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-},\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-},\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ (анаэробно),
- температура (скорость ферментативных реакций обычно растёт с температурой до оптимума),
- pH (оптимум ферментов обычно нейтрально‑слабокислый/слабощелочной),
- доступность питательных веществ (N, P, микроэлементы) — соотношение C:N:P влияет на рост микробов,
- влажность/диффузия и физическое перемешивание.
- Концентрация и токсичность:
- высокие концентрации могут ингибировать микроорганизмы;
- низкие концентрации иногда замедляют вследствие лимитирующей биомассы.
- Комметаболизм:
- для ряда соединений трансформация возможна только в присутствии побочного субстрата (ростового источника), тогда скорость зависит от наличия ко‑субстрата.
6) Оценка и кинетика
- Часто используют первый‑порядковую кинетику с $k$ и $t_{1/2}$: $$t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}.$$ - При автотрофном или субстрат‑ограниченном росте применима модель Моно: $$\mu ={\mu }_{max}\frac{S}{K_s+S}.$$
Короткий вывод: скорость и полнота биодеградации строго зависят и от природы вещества (структура, гидрофобность, замещение), и от условий среды (окислительно‑восстановительный режим, температура, питательные вещества), и от наличия/активности соответствующей микробной сообщества; некоторые соединения (легкие углеводороды, фенолы, многие оргафофосфаты) легко минерализуются аэробно за часы–дни, тогда как сильно галогенированные/высокомолекулярные соединения могут сохраняться годами и требуют специфических анаэробных путей или вмешательства.