Окисление углеводородов

Известно, что все органические вещества естественного происхождения подвержены воздействию микроорганизмов. Углеводороды входит и химический состав бактериальных, растительных и животных клеток. Они постоянно синтезируются бактериями и растениями. Это означает, что углеводороды должны разрушаться микроорганизмами. И действительно, микробиологические анализы показали, что такие микроорганизмы распространены повсеместно.

АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ)

Среди алифатических углеводородов есть газообразные (с числом атомов углерода от 1 до 5), жидкие (с числом атомов углерода от 5 до 15) и твердые (с числом углеродных атомов?16). Первый в цепи алифатических углеводородов—метан—окисляется специфическими группами микроорганизмов, не использующими других органических соединений за исключением метанола. Все эти бактерии содержат в названии рода приставку methylo. Морфология бактерий весьма разнообразна и иногда находит отражение в номенклатуре: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus. Типичный представитель бактерий, окисляющих метан,— Methylomonas methanica.

Число атомов углерода, образующих цепь алканов, существенно влияет на подверженность соединения воздействию микроорганизмов. Труднее всего окисляются алканы с числом углеродных атомов от 5 до 10. Углеводороды с большей длиной цепи окисляются многими бактериями, причем по мере удлинения цепи возрастает число бактерий, способных усваивать соответствующие вещества.

Углеводороды относятся к числу весьма восстановленных соединений, а чем больше восстановлено вещество, тем больший выход энергии дает оно при окислении, тем больше выход продукции на единицу затраченного субстрата. По этой причине использование нефтепродуктов в качестве субстрата для роста микроорганизмов экономически выгодно. В настоящее время все большее распространение и в СССР и за рубежом находит, получение кормового белка путем выращивания дрожжей рода Candida на нефтепродуктах. С. petrophilum при росте на углеводах имеют экономический коэффициент 0,5, а на углеводородах 0,7—1,0. Активными продуцентами аминокислот оказались коринебактерии.

Разветвленные производные алифатических углеводородов в ряде случаев также доступны микроорганизмам. Химическое строение таких алканов до некоторой степени позволяет строить предположения о том, насколько легко будет окисляться данный углеводород.

При замещении атомов водорода метальными группами играет роль число групп и место их расположения на цепи. По мере увеличения числа ответвленных метальных групп уменьшается доступность соединения микроорганизмам. Алканы с четным числом групп разлагаются хуже, чем с нечетным. Имеет значение и расположение ответвленной метильной группы. Если между ответвленной и конечной метальными группами расстояние менее четырех углеродных атомов, то такие соединения окисляются плохо. Наконец, играет роль и длина ответвленной группы. Замещение водорода группой более длинной, чем метильная, повышает устойчивость соединения к микробиологическому воздействию.

Растущие на углеводородах микроорганизмы по-разному относятся к использованию разветвленных алканов. Mycobacterium и Nocardia лучше приспособлены к использованию разветвленных алканов, чем представители родов Micrococcus и Pseudomonas. Дрожжи Candida их совсем не используют. Есть основание полагать, что большая устойчивость таких углеводородов связана с тем, что сложная конфигурация молекул мешает прикреплению ферментов к субстрату.

Окисление алифатических углеводородов, как простых, так и замещенных, возможно только в присутствии молекулярного кислорода. Кислород нитратов и сульфатов не обеспечивает первой стадии окисления, т. е. превращения парафина в соответствующий спирт. Микроорганизмы обладают ферментами оксигеназами, позволяющими им включать кислород непосредственно в углеводород, в результате чего образуется спирт, затем альдегид и соответствующая жирная кислота. Дальнейшее окисление протекает, как обычно, при окислении кислот с участием кофермента А.

Рисунок

При использовании микроорганизмами углеводородов с четным 1 числом углеродных атомов в среде накапливается уксусная кислота, а при нечетном количестве атомов углерода—пропионовая.

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

К ароматическим относятся циклические углеводороды с сопряженной системой двойных связей. Типичный их представитель—бензол—С6Н6:

Рисунок

Эти вещества обладают сильно выраженным токсическим действием. На бензоле и толуоле развиваются Bacterium benzolicum и В. toluolicum, впервые описанные Таусоном. Эти соединения могут также использоваться некоторыми видами Mycobacterium, Nocardia и дрожжей. Менее токсичны и более подвержены воздействию микроорганизмов полициклические ароматические углеводороды: нафталин, фенантрен, антрацен.

Рисунок

Эти вещества окисляются преимущественно представителями рода Pseudomonas, но их могут использовать отдельные виды Мусоbacterium, Bacillus, Flavobacterium, Nocardia, Aspergillus, Penicillium и др.

Производные ароматических углеводородов играют большую роль в жизни живых организмов и в круговороте углерода в природе. К ним относятся фенолы, лигнины и многие другие соединения.

Фенолы относятся к естественным продуктам обмена растительных и животных организмов. Кроме того, они образуются в очень многих производственных процессах, таких, как переработка сланцев, коксохимическое производство, обработка древесины и т. д. По этой причине фенолы часто содержатся в сточных водах. Попадание в водоем некоторых фенолов в количестве, превышающем 0,001 мг/л, делает воду водоема непригодной для питьевого водоснабжения и рыборазведения.

К фенолам относятся соединения, содержащие гидроксил (один или несколько), связанный с атомом углерода бензольного ряда

Рисунок

Фенолы отличаются высокой реакционной способностью в реакциях окисления.

Возникновение темного (красно-коричневого) окрашивания часто служит основным препятствием для спуска в водоем очищенных сточных вод, содержащих фенолы. Фенолы активно участвуют в обменных процессах растений и животных, но только микроорганизмы способны расщеплять фенольные соединения до углекислоты (рис. 42).

Рисунок

Среди бактерий, расщепляющих фенолы, первое место принадлежит видам рода Pseudomonas, окисляющим многие углеводороды.

Лигнины представляют собой наиболее устойчивую часть растительных веществ. Они нерастворимы в воде и трудно поддаются воздействию микроорганизмов. Молекулярная масса лигнинов колеблется от 1000 до 10 000. В состав их входят углерод, водород и кислород. Все лигнины содержат производные фенилпропана, но, несмотря на это, по химическому составу и степени устойчивости они неоднородны. Лигнины хвойных пород в значительном количестве содержат ванилин, лигнины лиственных—сиреневый альдегид. Большинство лигнинов имеет в своем составе конифериловый спирт.

Рисунок

Отдельные мономеры лигнина связаны в более или менее длинные цепочки. Связи эти весьма устойчивы, они могут разрушаться только микроорганизмами, да и то весьма медленно. Наиболее активно разрушают лигнины высшие грибы, относящиеся к классу Basidiomycetes.

К группе фенилзамещенных алифатических углеводородов относятся многие детергенты и пестициды. Они чрезвычайно устойчивы к микробиологическому воздействию и по этой причине накапливаются в почве и воде и сохраняются в них в течение многих лет. Одним из наиболее стабильных соединений этой группы является ДДТ.

Рисунок

Окисление ароматических соединений обычно идет через стадию гидроксилирования с образованием дифенола пирокатехина.

Рисунок

Дальнейшее окисление возможно либо путем дегидрирования, либо путем разрыва связи в кольце.

По мере увеличения числа гидроксильных групп фенольные соединения становятся все более реакционно способными. Известны три способа разрыва кольца:

1. Разрыв двойной связи между углеродными атомами, несущими гидроксильные группы:

Рисунок

Дальнейшее расщепление идет с участием КоА и приводит к образованию янтарной и уксусной кислот. Таким путем расщепляются простые производные ароматических соединений.

2. Разрыв связи между гидроксилированным углеродным атомом и смежным с ним атомом углерода:

Рисунок

Среди промежуточных продуктов окисления обнаруживаются пировиноградная и другие кислоты.

3. Расщепление связи между углеродным атомом, несущим гидроксильную группу, и смежным углеродным атомом, несущим боковую цепь или карбоксил.

Рисунок

Среди промежуточных продуктов окисления имеются кислоты: фумаровая, ацетоуксусная и др.

Ферменты, катализирующие расщепление ароматического кольца, вырабатываются клеткой только во время роста на средах с ароматическими соединениями, т. е. относятся к индуцированным. Установлено, что в расщеплении пирокатехина, участвует железосодержащий фермент пирокатехаза.

Полициклические ароматические соединения при окислении также подвергаются гидроксилированию с последующим расщеплением гидроксилированного кольца. Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Рисунок

Углеводороды, содержащие в своем составе фенильные и алкильные группировки (фенилалканы), могут быть использованы в качестве источников питания штаммами микобактерий, нокардий, микрококков и псевдомонад. Степень их доступности микроорганизмам зависит от числа и местоположения фенильных и алкильных групп. Экспериментально показано, что гексилбензол сульфонат за неделю разрушался смешанными культурами микроорганизмов на 20—30 %, сульфонаты октилбензола—на 70—80 %. Соединения фенилалканов, содержащие 10 и более атомов С в алкильной группе, разрушились за тот же срок на 100 %.

Вещества с разветвленной цепью более устойчивы, чем с неразветвленной. Чем больше ответвлений и чем они длиннее, тем устойчивее соединение. Трудно поддаются биологическому окислению ароматические соединения, содержащие в кольце галоиды и нитрогруппы.

АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Большинство алициклических углеводородов по химическому составу почти не отличается от алифатических углеводородов. Отсюда и их название—алициклические, т. е. алифатические циклические углеводороды. Состав циклопарафинов выражается формулой СnH2n. Молекулы основных углеводородов циклопарафинового ряда состоят из метиленовых групп СН2, углеродные атомы которых связаны между собой в кольцо.

Рисунок

Производные углеводородов циклопарафинового ряда называются нафтенами. Среди всех углеводородов нафтеновые наиболее устойчивы к бактериальному воздействию. По-видимому, это объясняется особой химической прочностью молекулы, отсутствием двойных связей и боковых радикалов, которые ослабляли бы связь С—С. Нафтеновые кислоты легче поддаются разрушению микроорганизмами, чем нафтеновые углеводороды. Были описаны отдельные случаи окисления этих соединений бактериями родов Pseudomonas и Micrococcus, но в основном они скорее разрушаются смешанными культурами микроорганизмов.

Механизм окисления нафтеновых углеводородов изучен слабо. По-видимому, он связан с образованием соответствующих кетонов и, возможно, с последующим разрывом кольца. Этот путь был экспериментально подтвержден в опытах с окислением циклопропана:

Рисунок

Есть основания полагать, что образование кетона предшествует разрыву кольца и у других алициклических углеводородов.