8. Взаимодействие тяжелых металлов с микроорганизмами

Микроорганизмы по-разному реагируют на тяжелые металлы. Всем микроорганизмам в качестве компонентов питания необходимы те или иные тяжелые металлы, такие как кобальт (Co), медь (Cu), железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), некоторые нуждаются в молибдене, ванадии, никеле. Эти металлы входят в состав ферментов микроорганизмов.

В некоторых случаях наблюдается стимуляция развития микроорганизмов невысокими концентрациями солей свинца, кадмия и других элементов, которые не являются необходимыми для клетки, и более того, являются токсичными. Это явление можно объяснить эффектом Арндт-Шульца, который заключается в том, что аккумуляция токсичных веществ в не летальных (невысоких) концентрациях на поверхности клетки изменяет проницаемость мембраны, нарушает ее барьерные функции, что определяет свободное поступление пищи и, соответственно, усиливает метаболизм клетки.

При увеличении концентрации солей тяжелых металлов проявляется их токсическое действие. Для разных микроорганизмов токсичны различные концентрации солей тяжелых металлов. Так, для E. coli токсично содержание CdCl₂ - 20 мг/л, ляписа AgNO₃ – 6 мг/л. Токсичность тяжелых металлов зависит от того, в какой форме находится металл:

1. в форме иона в растворе

2. в виде недиссоциированной соли

3. в составе комплексного соединения.

Наиболее токсичны свободные ионы металлов.

Проявления токсичности могут быть различными:

1. изменение клеточного метаболизма

1. бактериостатическое действие (задержка роста и размножения)

2. бактерицидное действие (гибель клеток).

Токсичность ионов тяжелых металлов связана с тем, что они могут выступать в роли антиметаболитов, т.е. способны соединяться с белками, нуклеотидами, коферментами, фосфолипидами и др. веществами, участвующими в метаболизме клетки, выводя их из строя или вызывая их распад. Ионы взаимодействуют с электроннодонорными группами в органических соединениях: аминогруппами, гидроксильными, карбоксильными, фосфатными, сульфгидрильными группами. Тяжелые металлы влияют на многие стороны метаболизма.

1. Ионы тяжелых металлов ингибируют металлосодержащие ферменты, путем замещения специфического катиона.

2. Нарушают синтез рибофлавина и витамина В₁₂ , синтез гемов.

2. Вызывают нарушения функций ЦПМ. Особенно ионы ртути (Hg²⁺) и серебра (Ag²⁺). Ионы взаимодействуют с сульфгидрильными группами (-SH) мембранных белков.

2. Угнетают дыхание клетки в следствие:

а) взаимодействия металлов с компонентами дыхательной цепи

б) нарушения транспорта веществ – субстратов для дыхания.

3. У фотосинтезирующих бактерий нарушают фотосинтез. Фотосинтез чувствительнее к тяжелым металлам, чем дыхание. Например, очень чувствительны к тяжелым металлам цианобактерии. У них ртуть связывается с белками фотосинтетических мембран (тилакоидов).

4. Ингибируют синтез белка и РНК.

5. Оказывают мутагенное действие.

6. Нарушают процесс азотфиксации.

Микроорганизмы способны концентрировать тяжелые металлы, извлекая их из растворов. Микроскопические грибы адсорбируют металлы на поверхности мицелия, бактерии или внутри клеток или на поверхности. Ртуть, кадмий, серебро и уран в основном адсорбируются на поверхности клеток бактерий. Ионы меди, цинка, никеля, кобальта, свинца, стронция, а иногда кадмия и урана в основном транспортируются внутрь клеток, частично на поверхности. Активный транспорт ионов цинка, никеля, кобальта, стронция, кадмия осуществляется системой транспорта ионов магния, иногда системой транспорта ионов марганца и кальция. В некоторых случаях накопление металлов клеткой заканчивается гибелью. Биологический смысл явления неясен. Это явление – биосорбция – нашло практическое применение. Биосорбцию используют для извлечения металлов из растворов. При помощи микроскопических грибов из растворов извлекается до 96-98% серебра и золота, до 84% платины.

Механизмы устойчивости микроорганизмов к тяжелым металлам

1. Генетические механизмы. Гены, определяющие устойчивость к тяжелым металлам часто находятся в плазмидах, иногда в хромосомах. Такие плазмиды относятся к катаболическим (дегенеративные). Катаболические плазмиды несут гены синтеза ферментов, деградирующих различные соединения, например антибиотики или ксенобиотики (пестициды). Например, у некоторых штаммов S. aureus в плазмидах содержатся гены устойчивости к ионам кадмия. Часто, хотя не всегда, они соединены с генами устойчивости к антибиотикам. Эти гены кодируют синтез ферментов - соответствующих редуктаз. Можно выделить адаптивные индуцибельные редуктазы, которые образуются при культивировании штаммов на средах с тяжелыми металлами, и конститутивные редуктазы, которые постоянно продуцируются микроорганизмом, даже при выращивании на обычных средах.

В бактериальных природных сообществах всегда происходит обмен генетической информацией. Плазмиды могут переносить генетическую информацию от одного микроорганизма к другому, минуя даже межвидовые и межродовые барьеры. Так переносятся гены антибиотикоустойчивости. Плазмиды увеличивают биохимическую изменчивость популяции.

Воздействие факторов среды приводит к инсерциям, делециям или перераспределению последовательности ДНК в плазмидах. Такие рекомбинационные события изменяют структурную целостность плазмиды, и тем самым могут влиять на экспрессию ее генов путем их переориентации относительно промотора или удаления инсерционно инактивированных последовательностей. Рекомбинация может увеличивать метаболические возможности микроорганизма. Пластичность катаболических плазмид обеспечивает механизм, с помощью которого обмен генетическим материалом может привести к созданию организма, способного к эффективной утилизации нового субстрата в фазе обогащения, т.е. в накопительной культуре. В природных сообществах микроорганизмы, изначально не обладавшие способностью утилизировать данное соединение, в ответ на присутствие нового субстрата «реконструируются» путем переноса генетической информации, что приводит к способности утилизировать новый субстрат. Например, способность деградировать ксенобиотики появляется через 2 месяца после поступления их в почву.

2. Работа специфических систем транспорта удаления токсических ионов из клетки. Наблюдается общая закономерность: выброс токсичных катионов и ионов из клетки происходит за счет работы специфичных систем транспорта, которые не транспортируют из клеток важные для нее элементы, а поступление в клетку за счет работы менее специфичных систем транспорта, служащих для поступления в клетку питательных веществ.] Например, устойчивые к кадмию клетки S. aureus обладают системой выноса ионов кадмия из клетки путем антипорта Cd²⁺ /2H⁺ .

3. Другие механизмы. 1) Синтез в клетках специфических белков, богатых сульфгидрильными группами – металлотионеины. Обезвреживают токсические ионы, связываясь с ними (ионы могут взаимодействовать с различными группами в белках, особенно с сульфгидрильными). Синтез этих белков регулируется на уровне транскрипции и индуцируется в присутствии металла. 2) образование капсул - например, штаммы Klebsiella aerogenes, имеющие капсулу, устойчивее к кадмию, чем штаммы, лишенные ее. 3) обезвреживание ионов тяжелых металлов в результате взаимодействия с сероводородом. Так, у Klebsiella aerogenes описан механизм обезвреживания ионов кадмия при его взаимодействии с образуемым клеткой H₂S. CdS аккумулируется на поверхности клетки, не проникая в цитоплазму. Устойчивость к кадмию у этой бактерии теряется в отсутствии металла, т. е. это индуцируемый физиологический процесс.

В природных популяциях микроорганизмов выделяются штаммы бактерий и других микроорганизмов, устойчивых к тяжелым металлам. Их можно обнаружить не только в местах обитания с высоким содержанием тяжелых металлов, но в составе любого микробного сообщества.

Использование тяжелых металлов в качестве антисептиков. Антимикробный эффект тяжелых металлов основан на способности осаждать белки и прочие органические соединения. В качестве антисептиков в медицинской практике широко используются нитрат серебра (ляпис), сульфат меди (медный купорос) и хромат ртути. Не рекомендуется применять для дезинфекции соединения свинца, мышьяка и ртути, так как они способны аккумулироваться в организме человека.

Определенные группы микроорганизмов способны использовать те или иные соединения тяжелых металлов в своем метаболизме для получения энергии или в качестве акцептора электронов. Например, тионовая бактерия – Thiobacillus ferrooxidans, обитающая в кислых рудничных стоках, способна окислять соли двухвалентного железа до Fe³⁺ , а также сульфиды меди, урана. Эта бактерия развивается в кислой среде при рН от 1 до 4,8 и t от 5 до 35°С. Двухвалентное железо окисляется в периплазматическом пространстве, в клетку не поступает, электроны, высвобождающиеся при окислении акцептируются медьсодержащим белком рустицианином, и переносятся в дыхательную цепь. Эти бактерии используются для выщелачивания металлов из руд – окисляют сульфидные минералы.