Механизмы действия большинства биоцидов к настоящему времени изучены крайне недостаточно.
Тем не менее уже сейчас можно с полной уверенностью утверждать, что токсичность фунгицидов и бактерицидов обусловлена прежде всего их воздействием на те или иные стороны обмена веществ у микробов. Методы максимально эффективного использования фунгицидов, синтез новых фунгицидов высокой активности возможны лишь при глубоком знании механизмов их действия на обмен веществ, метаболизм плесневых грибов, процессов, в результате которых наступает гибель грибов или по крайней мере резкое торможение их роста. Эти знания необходимы для научно обоснованного, планомерного решения задач и химикам, синтезирующим новые фунгициды, и тем, кто их использует в различных отраслях народного хозяйства.
Известно, что почти все процессы, все реакции обмена веществ любого живого организма (в том числе и плесневых грибов) катализируются ферментами, протекание любой биохимической реакции возможно лишь при наличии в организме того или иного фермента, В связи с этим гибель грибов при обработке фунгицидами в большинстве случаев обусловлена ингибированием ферментов, потерей их активности в результате взаимодействия с фунгицидами.
В настоящее время известно более 1000 различных ферментов. Наряду с индивидуальной специфичность им присущ и ряд общих свойств: все они простые или сложные белки, их способность к катализу обусловлена определенным сочетанием в пространстве некоторых аминокислот в результате свертывания белковой нити в клубок, т. е. образования третичной структуры.
Все те соединения, которые вызывают денатурацию белков, их коагуляцию, осаждение, приводят к потере ферментами каталитической активности. Клубок белковой нити при этом разматывается, аминокислоты каталитического центра далеко отходят друг от друга, каталитический центр перестает существовать. В закреплении, удержании пространственной клубкообразной структуры белков существенную роль играют водородные связи и гидрофобные взаимодействия. Вещества, разрушающие эти связи, инактивируют ферменты. Денатурацию и осаждение ферментов вызывают, например, мочевина, ТХУ, спирты, дубильные вещества, соли тяжелых металлов (Sn, Zn, Ag, Hg, Cd), многие поверхностно-активные вещества (катапин, этоний). Однако для подавления ферментов не обязательно денатурировать всю молекулу, достаточно заблокировать функциональные группы активного центра. Для этого требуются небольшие концентрации биоцидов, но нужно, чтобы они специфически взаимодействовали.
Ферменты очень чувствительны к окислителям. Инактивацию вызывают даже слабые окислители типа перманганата и Н2О2, а также молекулярный хлор, йод. Обязательные компоненты молекул некоторых ферментов — катионы металлов, прежде всего железа, цинка, меди, молибдена. Поэтому соединения, образующие комплексы с металлами, сильно подавляют активность металлсодержащих ферментов. Такого рода действием обладают оксихинолин (оксин), фенантролин, диэтилтиокарбамат, а также широко известные фунгициды группы дитиокарбаматов.
Очень многие антибиотики, которые можно добавлять в полимерные материалы, также подавляют биосинтез белков, нуклеиновых кислот и такой важнейший Процесс в системе обмена веществ у микроорганизмов, Жак дыхание. Процесс дыхания условно можно разделить на два этапа: первый — расщепление молекул соединений, служащих энергетическим сырьем (углеводы, органические кислоты и др.) на более мелкие молекулы; второй — аккумуляция энергии, высвобождающейся при измельчении веществ на первом этапе. Судя по результатам проводившихся опытов, обе эти стадии дыхательного акта доступны для биоцидов. Так, горьковские исследователи (Анисимов А. А. и др.) обнаружили, что довольно обширная группа фунгицидов снижает активность ряда ферментов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот — важнейших систем реакций первого этапа дыхания.
Как видим, биоциды блокируют самые различные звенья в цепи обмена веществ у микроорганизмов. Тем не менее первичный механизм токсического воздействия на метаболизм у многих антисептиков один и тот же — повреждение молекул ферментов. Вероятнее всего, биоциды выводят из строя ферменты, взаимодействуя с так называемыми активными группировками в их молекулах, которые в сущности и обусловливают каталитическую активность энзимов. В частности, способность к инактивации ферментов подобным образом сейчас точно установлена для биоцидных соединений, содержащих в своих молекулах атомы тяжелых металлов и галогенов. Однако некоторые антисептики, например, серосодержащие фунгициды, по-видимому, могут тормозить биохимические реакции и не взаимодействуя непосредственно с ферментами.
Действие биоцидов на грибы может быть очень разносторонним. В ряде случаев под влиянием этих ядов повреждается структура клеток мицелия. Фунгициду нарушают целостность, резко изменяют физические свойства клеточной оболочки грибов, прежде всего ее пластичность, в результате чего нити мицелия искривляются, скручиваются, прекращается их рост, нарушается проницаемость плазматических мембран в мицелии грибов, что ведет к искажению и торможению многих процессов обмена веществ. Таким же образом, видимо, действуют фунгициды из группы поверхностно-активных веществ.
Некоторые бактерициды и фунгициды угнетают деление микробных клеток. Механизмы этого явления пока еще малопонятны, но предполагают, что оно обусловлено взаимодействием молекул биоцидов с определенными группировками белков, входящих в состав хромосом. Воздействие органических фунгицидов приводит иногда к наследственным изменениям строения и формы живой клетки, к задержке роста и образования спор, к деформации и увеличению ядра. Способность какого-либо соединения ингибировать ферменты грибов или резко нарушать, прекращать какие-то другие жизненные процессы и функции не всегда означает, что это соединение — хороший фунгицид. Чтобы быть таковым, оно должно хорошо проникать к месту своего действия (внутрь клетки или на ее поверхность) и накапливаться там в необходимой концентрации. К сожалению, в проблеме проницаемости живых клеток еще много белых пятен, поэтому не во всех случаях здесь можно построить определенные прогнозы для того или иного соединения. Однако уже бесспорно, что наряду с пассивным поступлением веществ в живую клетку, подчиняющимся законам диффузии и осмоса, существуют активные системы переноса, обеспечивающие поглощение вещества клеткой и накопление его g использованием энергии дыхательных процессов.
Диффузионное проникновение неэлектролитов в клетку идет в 100—10000 раз медленнее, чем их диффузия через слой воды такой же толщины. Для молекул неэлектролитов с массой более 70 и диаметром более 0,5 нм скорость диффузии в живую клетку обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы и прямо пропорциональна растворимости в липидах (жирах и жироподобных веществах). Последнее объясняется тем, что мембраны живых клеток имеют гидрофобную липидную (жировую) основу. Молекулы с массой менее 70 проникают не в соответствии с их жирорастворимостью, а значительно быстрее. Предполагают, что они проникают через поры в липидном (жировом) слое мембран. Диаметр этих пор должен быть примерно 0,5—0,8 нм. Видимо, эти поры возникают временно, электронно-микроскопически они не улавливаются.
Во многих случаях проникновение электролитов в живую клетку тем более затруднено, чем больше электрический заряд данного иона. В частности установлено, что, как правило, проницаемость анионов тем выше, чем меньше степень диссоциации данной соли. Однако все перечисленное закономерно лишь при условии, что этот процесс идет по градиенту концентрации, в сторону ее уменьшения. В то же время очень часто в природе этот процесс идет против градиента концентрации и тогда указанные закономерности не действуют или по крайней мере бывают существенно искажены. В этих случаях активный транспорт идет с использованием энергии дыхания, за счет которой особые вещества мембран, называемые «переносчиками» (чаще всего это некоторые белки), захватывают проникающие молекулы по одну сторону мембраны и транспортируют через мембрану на ее другую сторону. Таким путем могут поступать в клетку и соли, и органические вещества. Однако активный транспорт в основном характерен для питательных веществ клетки, поступление которых необходимо организму. Для этого вида мембранного транспорта характерна высокая специфичность, один переносчик транспортирует только одно вещество или небольшую группу близких по строению.
Следует помнить, что нерастворимые вещества тоже могут поступать в живой организм в виде твердых небольших частиц. Это происходит путем обволакивания, окружения таких частиц внешней мембраной клетки с дальнейшим выталкиванием внутрь клетки. Такой путь поступления называют пиноцитозом.
В природных условиях все перечисленные пути проникновения веществ в живую клетку зачастую функционируют одновременно, доля значения каждого из них меняется во времени, зависит от условий, свойств данных клеток и т. д. Поэтому прогнозировать характер поступления того или иного фунгицида в мицелий гриба практически невозможно, требуется проведение специальных экспериментов. Интересные результаты получены Норманом Дурамом (Оклахома). Он синтезировал многочисленные гетероциклические биоциды и показал, что с увеличением гидрофобкости этих соединений биоцидность резко возрастает.
Таким образом, эффективность того или иного фунгицида во многом зависит от его способности проникать в живую клетку гриба. Эта способность в некоторых случаях связана со степенью гидрофобности данного фунгицида, в других — со степенью диссоциации, но в целом это явление имеет очень сложный характер.
Мы рассказали только о тех механизмах токсического воздействия биоцидов на микроорганизмы, которые сейчас более или менее известны. На самом же деле их, очевидно, гораздо больше. Например, в самое последнее время начали появляться сведения о том, что фунгициды могут быть генетическими ядами и повреждать наследственный аппарат микробов. Так что даже о самих принципах взаимодействия «биоцид—микроб» нам еще известно далеко не все, а тем более о деталях.