CURS 7

CURS 7BIOTEHNOLOGII PENTRU DEGRADAREA

XENOBIOTICELOR

I. Poluarea cu xenobiotice

Xenobioticele sunt considerate acele substane chimice naturale sau sintetice ale cror caracteristici fizico-chimice sunt considerate nespecifice (stine) structurilor vii i care nu ndeplinesc un anumit rol n metabolismul caracteristic tuturor organismelor biologice.,,xenos " = strin; bios = viaCaracteristicile xenobioticelor:

sunt rezistente la biodegradare; se pot acumula n concentraii care pot depi anumite limite de toleran ale organismelor vii; determin efecte negative asupra strii de sntate a acestora, datorit persistenei i concentrrii lor, precum i dificultii de a fi introduse n circuitul global al elementelor biogene.Noiunea de poluant se refer la toi factorii fizici (radiaii electromagnetice, ionizante, termice, fonice), chimici (substane organice i anorganice de sintez) sau biologici (toxine virale, bacteriene, fungice), care afecteaz direct sau indirect sistemele biologice, provocnd efecte nocive asupra strii de sntate a acestora.

Termenul de contaminant, spre deosebire de cel de poluant, are un caracter mult mai restrns, fiind strict specific pentru efecte nocive cu caracter de mas i aciune extrem de rapid.Toxic poate fi definit orice factor de natur chimic, fizic sau biologic care are tendina de a perturba homeostazia unui sistem biologic, precum i echilibrul acestuia cu mediul natural n care este integrat.Nu trebuie confundat noiunea de poluant cu cea de toxic, deoarece un poluant nu are ntotdeauna un efect toxic, care s afecteze starea de snatate a unui sistem biologic.

Exist dou modaliti de poluare cu xenobiotice:

1. poluarea localizat (point source pollution), care cuprinde zone mici, asociate cu deversarea unor eflueni industriali sau a unor cantiti mari de reziduuri chimice, prin care agenii poluani sunt eliminai n concentraii relativ mari;

2. poluarea dispersat (dispersed pollution), care se realizeaz n concentraii mai mici, dar pe suprafee mult mai extinse, fiind consecina unor fenomene de volatilizare a unor reziduuri sau deeuri, precum i a unor practici agricole privind utilizarea necorespunztoare a pesticidelor, n urma crora se produce levigarea acestora de pe sol i transportul lor n ruri i lacuri sau n pnza de ap freatic.

n figur sunt reprezentate schematic cile de dispersare a substanelor xenobiotice la nivel global, prin care se evideniaz contaminarea troposferei cu poluani rezultai din procesele de ardere a reziduurilor agroindustriale, administrarea de pesticide, eroziunea solurilor asociat cu levigarea pesticidelor i eroziunea eolian asociat cu antrenarea insecticidelor i a altor substane xenobiotice depuse pe sol i pe sistemul foliar al plantelor.Prin intermediul precipitaiilor atmosferice, aceste substane revin pe suprafaa solului i a apelor prin co-distilare cu vaporii de ap, contaminnd din nou mediile din care au provenit (se contamineaz att apele freatice, ct i rurile, lacurile, mrile i oceanele, prin dizolvarea substanelor xenobiotice n apele de iroire).

Unele xenobiotice pot fi degradate n mediul natural, ca urmare a activitii microorganismelor chemoautotrofe, n timp ce altele sunt rezistente la degradare, fapt pentru care pot persista, uneori, un timp foarte ndelungat. Aceste xenobiotice care manifest rezisten excepional la atacul enzimatic al comunitilor de microorganisme existente n microbiota teluric au fost denumite recalcitrante.Conceptul de recalcitran n cazul xenobioticelor este utilizat pentru a caracteriza acele substane care pot persista perioade ndelungate n condiii naturale fr a fi degradate, fiind extrem de refractare la atacul enzimelor, acizilor i bazelor tari i se pot mineraliza foarte lent.

Datorit acestor ,,caliti, xenobioticele recalcitrante se pot acumula n mediul natural n cantiti mari, cu consecine negative asupra echilibrului ecologic al tuturor ecosistemelor terestre sau acvatice.

Termenul de substane recalcitrante se refer la polimerii din care sunt confecionate ambalajele, precum i la surfactanii de tip alchil-benzen-sulfonat, nalt ramificai, care sunt inclui n formula chimic a multor detergeni.

II. Interaciunea sistem biologic-xenobiotic

Impactul xenobioticelor la nivelul populaiilor i comunitilor de organisme biologice reprezint consecina propagrii n trepte a efectelor interaciunilor dintre aceti factori poluani i materia vie, de la nivel molecular pn la nivel biocenotic i chiar la nivelul biosferei.

n procesul interaciunii sistem biologic-xenobiotic se disting trei faze: faza de expunere

faza toxico-cinetic

faza toxico-dinamic

1.Faza de expunere

Pentru ca un xenobiotic s-i exercite aciunea sa asupra unui organism, acesta trebuie s fie expus unei anumite doze, corespunztoare producerii unui efect toxic.

Aceast prim faz a interaciunii dintre organism i xenobiotic reprezint etapa iniial de manifestare a fenomenului de toxicitate, concretizat prin contactul direct sau indirect al xenobioticului cu organismul receptor (,,gazd).

2.Faza toxico-cineticAceast faz corespunde aciunii organismului asupra xenobioticului i cuprinde urmtoarele etape:

a) absorbie

b) distribuie (transport)

c) depozitare

d) bioacumulare (bioconcentrare)

e) biotransformare (metabolizare)

f) eliminare (evacuare)

a) Absorbia

Reprezint trecerea xenobioticului din mediul extern n mediul intern prin traversarea mai multor tipuri de membrane.

Traversarea membranelor este condiionat de:

natura chimic i organizarea structural a moleculelor constitutive ale membranelor

proprietile fizico-chimice ale mediului adiacent ambelor fee ale membranei

caracteristicile structurale ale membranelor

b) Distribuia (transportul)

Reprezint transferul xenobioticului din snge n esuturi i organe.

Traversarea membranelor se realizeaz prin:

transportul pasiv (difuziune simpl) - trecerea xenobioticului dintr-o zon cu presiune osmotic mare spre o alt zon cu presiune osmotic scazut, n sensul gradientului de concentraie ( de la o concentraie mai mare la una mai sczut), fr consum de energie (acizi organici, alcaloizi, substane organice volatile).

transportul activ const n trecerea xenobioticului dintr-o zon cu presiune osmotic mic spre o zon cu presiune osmotic mai mare, mpotriva gradientului de concentraie (de la o concentraie mai mic la una mai mare), cu consum de energie.

c) Depozitarea (localizarea)

Este procesul de fixare selectiv a xenobioticelor n diferite esuturi sau organe.

Intensitatea i modul de depozitare a xenobioticelor depind de:

vascularizarea esutului;

afinitatea chimic a constituenilor tisulari pentru anumite xenobiotice (Pb2+, Ba2+, F- - n tesut osos, Ag2+ - n piele).

d) Bioacumularea (bioconcentrarea)

Bioacumularea reprezint acumularea net a unui poluant n stare lichid, gazoas sau solid, pe suprafaa i n interiorul organismelor vii aparinnd unor populaii sau comuniti.

Bioacumularea este un proces biochimic, care const n concentrarea selectiv a unor compui chimici n celulele i tesuturile unui organism biologic, ntr-o proporie mult mai ridicat dect cea existent n mediul natural.

Gradul de bioacumulare a unui xenobiotic ntr-o anumit biocenoz este dependent de:

proprietaile fizico-chimice ale xenobioticului;

nivelul de organizare a sistemului biologic implicat n interaciunea cu xenoboticul;

factorii de mediu externi (temperatura, pH-ul, concentraia de oxigen, dioxid de carbon, concentraia de elemente minerale);

caracteristicile mediului intern la nivelul situsului de interaciune a organismelor cu xenobioticele.

e) BiotransformareaReprezint procesul biochimic de conversie enzimatic a xenobioticelor n metabolii cu polaritate accentuat, mai uor excretabili i cu grad de toxicitate redus. Unele xenobiotice pot fi transformate n metaboliti lipsii de toxicitate, proces numit detoxicare. Anumii compui toxici pot fi reinui prin sechestrare sau imobilizare n anumite situsuri din structura intern a organismelor, eliminnd sursa producerii de efecte adverse asupra sistemelor biologice respective.Efectele adverse pot s apar atunci cnd: se declaneaz mecanismul de activare a compusului toxic, prin intermediul cruia efectul negativ al xenobioticului asupra organismului poate s devin mai intens; exist riscul transformrii compusului inactiv, existent n faza iniial, ntr-unul cu activitate advers mult mai intens.f) EliminareaReprezint ndeprtarea din snge, limf, lichid interstiial, celule i esuturi a a metaboliilor polarizai sau ionizai.

Calea, viteza, durata, gradul eliminrii sunt influenate de o serie de factori fizico-chimici i biologici, iar nocivitatea unei substane toxigene este cu att mai mare cu ct eliminarea sa este mai lent.

Fenomenul de detoxicare este asociat cu cel de eliminare prin excreie metabolic a unui poluant, prin care se produce o scdere treptat a concentraiei acestuia n interiorul organismului intoxicat.Curirea sau limpezirea reprezint mecanismul biochimic a crui funcionalitate reflect ritmul de trecere a substanei poluante ntre compartimentele din interiorul organismului care posed niveluri normale ale concentraiei xenobioticului.Speciile vegetale pot s elimine xenobioticele fie prin fenomene de purificare (evapo-transpiraie), fie prin cderea frunzelor, exudaie radicular, fie, chiar, prin leziuni provocate de animalele erbivore.Speciile animale pot s elimine din organism anumite substane poluante prin diferite mecanisme (respiraia pulmonar, secreia biliar, secretia gastro-intestinal, excreia digestiv i renal).

3.Faza toxico-dinamicAceast faz reprezint ansamblul fenomenelor care se petrec n organism la diferite niveluri, conducnd, n final, la producerea efectului toxic, prin exercitarea aciunii directe a substanei toxigene asupra organismului receptor. Efectele nocive ale xenobioticelor se manifest la nivel de: esut, organ, aparat, sistem.

Pentru a caracteriza din punct de vedere ecotoxicologic, dinamica unui anumit ecosistem, n interaciune cu factorii poluani, i pentru a percepe semnificaia ecologic a impactului exercitat att asupra comunitilor de organisme vii, ct i asupra mediului abiotic n care acestea se afl integrate structural i funcional, trebuie analizate toate etapele specifice procesului de poluare. n contextul analizrii aspectelor referitoare la determinarea cauzelor polurii, precum i la evaluarea efectelor toxice ale interaciunii xenobioticelor, att cu materia vie, ct i cu mediul abiotic, se constat faptul c exist trei faze majore, distincte, n cursul evoluiei procesului de poluare a mediului.

Prima faz se refer la eliberarea compusului chimic poluant, n mediul ambiant i, consecutiv, la expunerea componentelor biotice i abiotice ale ecosistemelor n care acestea sunt integrate la aciunea perturbatoare a xenobioticului respectiv.

n cea de-a doua faz, xenobioticul interacioneaz cu organismele vii, care fac parte integrant din structura biocenozei ecosistemului expus anterior aciunii poluante. Acest tip de interaciune determin att doza care va fi absorbit de materia vie, dup ce a intrat n contact cu xenobioticul, ct i modul n care fiecare dintre organismele vii din biocenoz vor reaciona la impactul cu acest factor perturbator, prin generarea efectelor la nivel individual, concretizate prin fenomenul de bioabsorbie, distribuie, depozitare, biotransformare i eliminare.

Cea de-a treia faz corespunde interaciunii xenobioticului cu organismele vii, aparinnd biocenozei din ecosistemul afectat, care se manifest, preponderent, prin transformri structurale i funcionale, pornind de la nivel molecular, pn la niveluri superioare de organizare a materiei vii, cum sunt populaiile i comunitile de organisme biologice.

III. Biodegradarea xenobioticelor

Noiunea de biodegradare -orice transformare care are drept rezultat obinerea unui produs cu o molecul mai mic decat cea original.

Biodegradarea microbian a moleculelor organice se realizeaz, n mod natural, prin intermediul ciclurilor biogeochimice ale tuturor elementelor. n aceste procese biodegradative intervin, de regul, mai multe comuniti de microorganisme nalt specializate n sinteza de enzime, care descompun substanele organice cu greutate molecular mare n compui cu structuri chimice simplificate prin desfacerea legturilor chimice existente ntre moleculele componente, procurndu-i, astfel, att energia, ct i nutrimentele extrem de necesare desfurrii metabolismului microbian.

n marea lor majoritate, xenobioticele sunt substane sintetice preponderent recalcitrante, care induc un tip de transformare biochimic, al crei rezultat este apariia unor produi noi, refractari i toxici, uneori cu toxicitate chiar mai ridicat dect cea a compusului iniial, sau cu efect oncogen.

n principal exist dou procese majore de biodegradare a xenobioticelor:

a) mineralizarea

b) co-metabolismul.

a) Mineralizarea

Reprezint consecina unui proces de biodegradare complet, fiind reacia cea mai adecvat a unui sistem ecologic la fenomenul de acumulare a unor compui chimici cu structuri complexe.

Procesul de mineralizare permite eliberarea mai mult sau mai puin rapid a unor xenobiotice, de tipul pesticidelor sau fertilizatorilor organici de sintez. Acest proces are, de regul, urmtoarele caracteristici definitorii:

secvenele enzimatice sunt caracteristice metabolismului microbian, prin care sunt convertite substanele organice iniiale n substane anorganice;

ntr-o anumit proporie, carbonul prezent n compoziia substratului este convertit la constitueni celulari, iar energia rezultat este utilizat n sinteza acestora;

mineralizarea este asociat frecvent cu detoxificarea, n condiiile n care produii intermediari ce rezult n cursul acestui proces nu sunt foarte toxici i au o durat de existen, ca atare, foarte scurt.b) Co-metabolismul

Termenul de co-metabolism a fost propus pentru a defini un anumit proces biochimic de transformare a unui substrat sub aciunea unui microorganism i de a evidenia necesitatea prezenei, concomitent, a unui alt substrat menit s asigure creterea microorganismului

Ulterior, aceast noiune a fost redefinit pentru a caracteriza procesul de transformare a unui substrat, care nu permite creterea unui microorganism (non-growth substrate), n prezena unui substrat de cretere sau a altui compus transformabil biochimic.

Foarte muli compui xenobiotici, n special pesticidele organo-clorurate, nu pot fi folosii ca unic surs de carbon i energie, n procesul de nutriie al microorganismelor i, drept urmare, nu pot fi eliminai din mediul ambiant. Cu toate acestea, ei pot fi, ns, modificai pe cale biologic, n mod natural, prin aciunea unor populaii mixte de microorganisme.

Procesul biochimic, prin care o specie microbian oxideaz o substan, fr s fie capabil s o utilizeze ca surs de carbon i energie pentru creterea acesteia, este denumit co-oxidare.Biodegradarea unor compui organici, rezisteni la atacul unui microorganism devine realizabil numai n cazul n care sistemul substrat - mediu - microorganism este suplimentat cu unul sau mai multe substraturi suplimentare, utilizabile pentru cretere de ctre microorganismul respectiv.

Noiunea de co-metabolism a fost considerat mult timp drept un proces n care reaciile ce se produc nu reprezint evenimente metabolice noi, ci doar o nou abordare metodologic, decurgnd din cuplarea, la nivel celular, a metabolismului specific celor dou substraturi, dintre care unul este xenobiotic (non-growth), iar cellalt este utilizat pentru procesul de cretere microbian.

Procesele de co-metabolism prezint urmtoarele caracteristici principale:

au loc numai n medii naturale (ap, sol etc.), nesterile i niciodat n cele sterilizate;

nu poate fi izolat niciodat un singur microorganism, capabil s utilizeze substanele xenobiotice, n mod eficient, ca surs de nutrimente i energie;

populaia microbian, rspunztoare de degradare, nu crete numeric sau ponderal (biomas), n urma introducerii substratului respectiv n ap sau n sol. n aceast circumstan, explicaia rezid n faptul c populaiile de microorganisme care ndeplinesc funcia de co-metabolism sunt mici, degradarea compuilor este lent, iar rata de multiplicare a acestora nu crete n timp, aa cum este cazul microorganismelor, care metabolizeaz diferite substraturi, pn la mineralizare;

produii rezultai din procesul de co-metabolism sunt lipsii, de cele mai multe ori, de orice funcie metabolic, dac sunt degradai, n continuare, de alte enzime aparinnd catabolismului.

n acest context, o particularitate frecvent ntlnit n cursul desfurrii proceselor de co-metabolism o reprezint acumularea n mediu a compuilor intermediari, care nu mai pot fi metabolizai, n continuare, de ctre anumite specii de microorganisme.

n natur, populaiile de microorganisme, capabile s desfoare procese de co-metabolism, n cursul degradrii anumitor compui xenobiotici, sunt relativ reduse, att numeric, ct i prin biomasa lor total.

Co-metabolismul substanelor xenobiotice se deruleaz, cu o vitez extrem de sczut, n cadrul ecosistemelor naturale, permind acumularea unor produi intermediari nemetabolizabili, iar, n anumite situaii, chiar a unor produi mai toxici dect cei existeni iniial.

Fenomenul de co-metabolism este extrem de important pentru desfurarea procesului de biodegradare a anumitor xenobiotice, iar datorit acestui fapt, diferite substane recalcitrante, eliminate permanent n natur, se acumuleaz foarte rar, dei prezint diferite grade de rezisten.

Cunoaterea mecanismelor proceselor de biodegradare a produilor naturali, precum i a rezistenei substanelor xenobiotice la aciunea microorganismelor au permis introducerea n practic a unor procedee care s se apropie de obiectivul ndeprtrii poluanilor recalcitrani din mediul natural, prin urmtoarele aplicaii de nivel industrial:

producerea de biopesticide, care s nlocuiasc treptat majoritatea produselor xenobiotice obinute prin sinteze chimice artificiale;

utilizarea unor teste fiabile, care s stabileasc gradul de biodegradabilitate n timp scurt a xenobioticelor care urmeaz a fi sintetizate, precum i lipsa de toxicitate a acestora nainte de comercializare.

PAGE 1