Биодеградация распространенного и стойкого гербицида ацетохлора рукотворным микробным консорциумом AT1 доказала отличные перспективы в восстановлении окружающей среды.
Команда ученых под руководством доктора Сюй Минкая из Института прикладной экологии Китайской академии наук подтвердила возможности восстановления здоровья почв после гербицидного загрязнения в новом исследовании.
Ацетохлор, хлорацетанилидный гербицид, широко используется в качестве довсходового гербицида на полях сои, кукурузы и других культур для борьбы с однолетними травами и широколиственными сорняками.
В 2007 году мировые продажи ацетохлора составляли 450 миллионов долларов, а в 2011 уже 530 миллионов долларов в 2011 году. В последние годы в Китае ежегодно применялось от 20 000 до 30 000 тонн ацетохлора, что делает его одним из наиболее широко используемых гербицидов в Китае.
Однако существуют значительные риски, связанные с чрезмерным использованием гербицидов на основе ацетохлора, включая вредное воздействие на рост и развитие сельскохозяйственных культур и разнообразие почвенных микроорганизмов, а также потенциальное загрязнение поверхностных и грунтовых вод из-за его высокой растворимости. Эти экологические проблемы требуют разработки эффективных стратегий рекультивации для устранения остатков гербицида.
Микробная деградация является экономически эффективным и экологически чистым процессом, который не приводит к вторичному загрязнению.
Были изучены многочисленные штаммы, деградирующие ацетохлор.
Например, Pseudomonas olevorans LCa2 (Xu et al., 2006) может деградировать 7,6 мг/л за 7 дней посредством гидроксилирования, N -деалкилирования, C -деалкилирования и дегидрирования, тогда как Pseudomonas aeruginosa JD115 может метаболизировать 10–50 мг/л.
Сообщалось, что штаммы Sphingomonas wittichii DC-6 и Sphingobium sp. DC-2 разрушают ацетохлор посредством N- деалкилирования.
Деалкилирование - часто встречающиеся метаболические реакции, происходящие в алкиламиногруппах. N -деалкилирование связано с сохранением, ослаблением или потерей фармакологической активности метаболитов по сравнению с их исходными препаратами.
В этом исследовании использовалась стратегия «сверху вниз» для обогащения естественного микробного консорциума AT1, полученного из загрязненных ацетохлором сред.
Устойчивость AT1 и способность разлагать ацетохлор в различных концентрациях оценивались с использованием системы высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Чтобы охарактеризовать сообщество, ученые использовали высокопроизводительное секвенирование гена 16S рРНК для анализа бактериального разнообразия, структуры, функции и взаимодействий в процессе разложения гербицида консорциумом AT1. Кроме того, всесторонне проанализировалы метаболические пути с использованием жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии на основе метаболомного обнаружения и оценена способность AT1 к биоразложению гербицида в почве на основе жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией.
При обогащении микробного консорциума AT1 в оптимизированных условиях он выполнил почти полную биодеградацию концентрации ацетохлора до 1000 мг/л в течение 12 дней. Это превосходит ранее описанные штаммы или системы.
«С помощью микробиомно-метаболомического анализа установлен новый путь деградации ацетохлора, обусловленный синергетическими метаболическими взаимодействиями между различными микробами. В этом пути Pseudomonas инициирует N-деалкилирование, Diaphorobacter катализирует гидролиз амидной связи, а Sphingomonas способствует как карбоксилированию, так и гидроксилированию ароматического кольца. Совместно эти микробы расщепляли ацетохлор на более мелкие промежуточные соединения, такие как 2,6-диметиланилин, резорцин и фенол, которые затем минерализовались и направлялись в цикл трикарбоновых кислот - центральный путь получения энергии в микробном метаболизме», - сообщает в релизе Китайская академия наук.
Источник: Journal of Environmental Management (2025). DOI: 10.1016/j.jenvman.2025.125892
В целом, эти результаты значительно расширяют понимание разлагающих бактериальных сообществ и закладывают основу для применения бактериальных сообществ для устранения остатков гербицидов и восстановления здоровья окружающей среды.
Здесь следует пояснить, что существуют значительные ограничения в использовании отдельных штаммов для рекультивации загрязненной почвы, включая низкую эффективность, неполную деградацию и конкуренцию с местными микроорганизмами, что приводит к снижению эффективности.
Полная биодеградация ацетохлора обычно требует скоординированного действия множества микроорганизмов, которые используют комплементарные метаболические пути и ферментативные системы. Таким образом, микробные консорциумы могут усиливать процесс деградации за счет своих синергических эффектов.
В частности, члены консорциума могут повышать эффективность деградации, трансформируя токсичные промежуточные продукты или секретируя соединения, способствующие росту и облегчающие деградацию. Такие консорциумы извлекают выгоду из метаболического перекрестного питания, разделения труда и катаболического разнообразия, что позволяет более эффективно расщеплять структурно сложные соединения.
Действительно, несколько исследований показали, что по сравнению с отдельными штаммами бактериальные консорциумы более эффективны в деградации гербицидов, таких как диурон, атразин и хлоримурон-этил, демонстрируя потенциал кооперативного метаболизма.
Источник: Chinese Academy of Sciences. DOI: 10.1016/j.jenvman.2025.125892