Реферати » Реферати по біології » Анаеробні співтовариства мікроорганізмів, що руйнують ароматичні ксенобіотики

Анаеробні співтовариства мікроорганізмів, що руйнують ароматичні ксенобіотики

Московський державний університет ім.М.В. Ломоносова

Біологічний факультет

Кафедра мікробіології

Реферат

Анаеробні співтовариства мікроорганізмів, що руйнують ароматичні ксенобіотики.

Виконала студентка 4-го курсу каф. мікробіології

Лінькова Юлія

Керівник семінару:

А.І.Нетрусов

Москва

2002

Зміст.


1.Вступ

3

2.Біодеградація

3
3.Аеробний і анаеробний метаболізм ароматичних сполук

5
3.1.Ароматические субстрати та шляхи їх руйнування в анаеробних умовах

6

4.Сінтрофние асоціації та консорціуми, які розкладають аминоароматические речовини. 7
5.Технологіческій аспект
11
6.Заключеніе

12
7.Спісок використаної літератури 13

1.Вступ.
З розвитком хімічної промисловості в біосферу стало надходити більше тисячі різних ксенобіотиків, які значною мірою забруднюють довкілля. Відомо, що сполуки, що вносяться людиною в довкілля останнім часом (інсектициди, гербіциди, детергенти та інші ксенобіотики) крім того, що дуже токсичні, ще й стійкі в середовищі (що становить небезпеку для людини і тварин) .Нині навантаження на природні процеси самоочищення біосфери є надлишкової, і паралельно з деструкцією забруднень йде їх поступове накопичення в навколишньому середовищі. Деградація ксенобіотиків мікроорганізмами є однією з важливих проблем захисту біосфери.

2.Біодеградація.

Біоруйнування (биодеградация) - це перетворення складних речовин за допомогою біологічної активності. Це широке поняття включає три вужчих процесу: 1) трансформацію, або незначні зміни молекули; 2) фрагментацію, або розкладання складної молекули на більш прості з'єднання і 3) мінералізацію, або перетворення складної речовини в найпростіші (Н2О, СО2, Н2, NH3, CH4 і т.д.). Основними біологічними агентами, які здійснюють біоруйнування, є мікроорганізми, що володіють величезною різноманітністю ферментних систем і великоюлабільністю метаболізму. Саме вони здатні розкладати широкий спектр хімічно стійких сполук, тим самим повертаючи основні живильні елементи в глобальні цикли і запобігаючи накопичення «мертвих» залишків на поверхні Землі.
Найбільш активно беруть участь в руйнуванні ксенобіотиків бактерії і гриби, основна кількість яких виділено з грунту і води.
Представники бактерій відносяться до різних родів Грам-негативних і Грам-позитивних аеробних і анаеробних організмів. З найбільш важливих аеробних Грам-негативних бактерій слід зазначити види пологів Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes,
Acinetobacter, Flavobacterium, метанокісляющіх і нитрифицирующие бактерії, а з Грам-позитивних - представників родів
Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus і Bacillus.

Деякі види нітрат- і сульфатредуцирующих бактерій, а також метаногенів археї активно беруть участь в анаеробної деградації ксенобіотиків. Гриби, здатні аеробно руйнувати такі сполуки, відносяться до пологів Phanerochaete (збудники «білої гнилі» ),
Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium (Шлегель, 1987).

Особливої ??актуальності руйнівне здатність мікроорганізмів придбала в останні десятиліття у зв'язку з збільшується, у біосфері стійких забруднювачів антропогенного походження, причому нерідко в масштабах, що перевищують природну самоочищаються здатність. Справа в тому, що людині вдалося створити такі сполуки, які не руйнуються в природі в звичайних умовах. Це різні синтетичні полімери, барвники, пестициди, фармацевтичні препарати, миючі засоби і т.д. Ці чужорідні речовини (ксенобіотики) мають унікальну біологічну активність вже на рівні мікродомішок. У широкому сенсі до ксенобіотиків можуть бути віднесені і речовини природного походження, але отримані в сверхколічествах і переміщені в невластиві їм місця (наприклад, нафта). Більшість таких сполук володіє значною стабільністю, і для їх повного розкладання при звичайних умовах потрібні століття.
Відбувається безперервний перенесення цих речовин по харчових ланцюгах і їх накопичення на кінцевих етапах, до яких відноситься і людина. Величезне число ксенобіотиків надзвичайно токсично і проявляє мутагенну, канцерогенну, аллергенную і тератогенну активності. Однак зрозуміло, що людство не може повністю відмовитися від використання таких речовин, так як вони застосовуються практично у всіх областях діяльності. Тому на перший план виходить використання біоразрушаемих здатності мікроорганізмів для очищення навколишнього середовища від антропогенних забруднювачів.

3.Аеробний і анаеробний метаболізм ароматичних сполук.
Існує два типи метаболізму ароматичних субстратів, аеробний і анаеробний. Аеробне деградація простих ароматичних сполук ініціюється введенням в молекулу однієї або двох гідроксильних груп під дією моно-або діоксигенази. Далі катехол піддається орто- або мета-розщепленню ароматичного кільця з утворенням відповідних похідних муконовой кислоти. Ці неароматичного продукти далі окислюються з використанням реакцій загальних метаболічних шляхів до води і вуглекислоти. Якщо на бензольном кільці є заступники, то вони можуть перетворюватися і отщепляться як до, так і після розкриття кільця. Розкладання ароматичних кислот може починатися з неокислювальної декарбоксилирования, що приводить до утворення фенолів, які потім окислюються в лінійні неграничні дикарбонові кислоти (Elder, 1994; Heider, 1997) .Основними мікроорганізмами, які руйнують в аеробних умовах прості ароматичні сполуки, є представники родів Pseudomonas,
Alcaligenes, Bacillus і гриби роду Aspergillus, широко розповсюджені в грунтових і водних екосистемах.
В анаеробних умовах, за відсутності такого окислювача як кисень, руйнування ароматичних речовин відбувається більш складно, в багатоетапному процесі за участю різних ферментів. Мікроорганізми здатні використовувати широкий набір ароматичних субстратів в нітрат-
, сульфат-, залізо-і карбонат-відновлюють умовах. Основними етапами процесу біодеградації є активування бензольного кільця, його розрив і утворення С1- і С2-сполук. Активування кільця може бути результатом реакцій карбоксилювання, анаеробного гидроксилирования і освіти КоА-тіоефірів ароматичних кислот. В останній реакції беруть участь розчинні, неспецифічні, індуцібельная
коа-лігази або КоА-трансферази. Центральним интермедиатом процесу біодеградації ароматичних сполук є бензоил-КоА, який піддається серії послідовних відновлень під дією бензоил-КоА-редуктази і гідролітичного розщеплення утворився похідного циклогексана. Першим неароматичного продуктом є пімеліл-КоА. Далі відбувається ряд окислень і декарбоксилирование глутаконіл-КоА з утворенням в кінцевому рахунку ацетил-
КоА (Heider, 1997; Kleerebezem, 1999; Lochmeyer, 1992) Лиш небагато мікроорганізми, здатні до біодеструкції ароматичних сполук, виділені у вигляді чистих культур. Це Pseudomonas sp., Thauera aromatica, T. chlorobenzoica, Desulfobacterium anilini, Azoarcus evansii, Magnetospirillum sp., Delftia acidovorans, Rhodopseudomonas palustris, Syntrophus gentinae і S. buswellii. Значно більше відомостей про біодеградації таких з'єднань анаеробними мікробними спільнотами. В метаногенних умовах кінцеві стадії біодеструкції представлені археями пологів Methanobacterium, Methanospirillum,
Methanosarcina, Methanosaeta.
Біодеструкція поверхнево-активних речовин типу алкилбензолсульфонатов, що мають у алкильной ланцюга від одного до трьох атомів вуглецю, починається з сульфонатной групи, а у сполук з бульшим числом атомів - з бічного ланцюга. В аеробних умовах такі сполуки розкладаються бактеріями і грибами, здатними до деструкції ароматичних сполук. За відсутності кисню розрив CS-зв'язку сульфоароматических сполук можуть проводити бактерії з бродильним типом метаболізму. Процеси анаеробної деградації алкилбензолсульфонатов ефективніше йдуть в співтоваристві, що містить мікроорганізми родів Clostridium, Desulfovibrio, Methanobacterium,
Methanosarcina.

3.1.Ароматические субстрати та шляхи їх руйнування в анаеробних умовах.
Мікроорганізми-денітріфікатори можуть використовувати п-крезол, ванілат, катехол, анілін, нітробензол, хлорбензоат, бензиловий спирт, толуол, етилбензол, а також амінокислоту фенілаланін.
Сінтрофние метаногенів асоціації (Syntrophus buswellii, S. Gentianae) розкладають бензоат, кротонат, гентізат і гідрохінон.
Thauera aromatica і Azoarcus evansii використовують 2- і 4- амінобензойна кислоти та їх тіоефіри. Крім цього, можуть бути використані толуол, фенол, фенілпіруват, Фторзамещенниє ароматика, фенілацетальдегід, фенілгліоксілат, алкілбензоли, терефталат та ін. (
Kleerebezem, 1999; Lochmeyer, 1992).

4.Сінтрофние асоціації та консорціуми, які розкладають аминоароматические речовини.
Сінтрофізм-особливий випадок симбіотичної кооперації між метаболічно різними типами бактерій, які залежать один від одного при руйнуванні субстратів.
Термін "консорціум" використовується для опису різних кооперацій мікроорганізмов.В примітці до Правила 31 в "Міжнародному кодексі номенклатури бактерій" (1978) говориться: "Консорціум-це сукупність чи асоціація двох або більше організмів". Таким чином, в це поняття входять і такі форми співтовариств мікроорганізмів, як асоціація та змішана культура.

Прикладом консорціуму може служити "Methanobacillus omelanskii" (2 організму-партнера, штам S і штам М.о.Н.) .:

Штам S: 2 EtOH + 2H2O = 2CH3COO - + 2 H + + 4 H2
? Gє = + 19 кДж / 2 моль EtOH
Штам M.о.Н .: 4H2 + CO2 = CH4 + 2 H2O

? Gє =-131 кДж / 1 моль CH4
Спільнота: 2 EtOH + CO2 = 2CH3COO - + 2 H + + CH4

? Gє =-112 кДж / 1 моль CH4

В даному випадку 2 штаму кооперуються для перетворення етанолу в ацетат і метан, при цьому відбувається міжвидової перенесення водню.
Штам S не може рости на етанолі в відсутність штаму MoH, яке споживає водень, т.к. реакція за стандартних умов ендотермічна.Такім чином, жоден з партнерів не може рости самостійно на етанолі, і деградація етилового спирту залежить від кооперації двох штамів (Schink, 1997).

Рис.1. Загальна схема потоку вуглецю і електронів в трофічних зв'язках мікроорганізмів, що у метаногенной деградації органічних речовин в анаеробних умовах.
1-первинні бродільщікі; 2-водородокісляющіе метаногени; 3- ацетатпотребляющіе метаногени; 4-вторинні бродільщікі; 5-ацетогенов бактерії. (Schink, 1997).

Дана схема застосовна і до анаеробних спільнотам мікроорганізмів, що розкладають аминоароматические субстрати.

Поділ метаболічних функцій та їх розподіл серед метаболічно різних мікроорганізмів є компенсацією відсутності ефективних механізмів деградації в аеробних умовах.
Метаболічні взаємодії кооперованих співтовариств залежать від перенесення метаболітів між партнерами. Потік Н2 обернено пропорційний відстані між водородобразующімі бактеріями і водородпотребляющімі метаногенами. Оптимальна швидкість переносу метаболітів досягається в разі тісного контакту партнерів: безпосереднього сусідства, освіти агрегатів або "флокков".
Подібні флоккі утворюються, наприклад, у бактерій, що розкладають жирні кіслоти.Образованіе таких структур вимагає часу (іноді навіть місяців) (Schink, 1997).

В даний час ведуться роботи по вивченню анаеробних мікробних співтовариств, що розкладають аминобензойную і аминосалициловую кислоти та їх ізомери (Калюжний, 1998; Савельєва та ін., 1999; Тян і ін., 1999). Ці речовини в окисних умовах полімеризуються в трудноразлагаемих макромолекули, що ускладнює їх розкладання, а аеробне деградація призводить до утворення ряду токсичних проміжних продуктів.
Ці дослідження проводяться на консорціумах, виділених з мезофильного і термофільного мулів. Отримано стабільне метаногенів співтовариство, здатне споживати 2-АВА (2-амінобензойна кислота) з високою швидкістю. В якості проміжних продуктів утворюються бензоат, ацетат і СО2. Передбачається, що ця культура є первинним анаеробним деструктором 2-АВА в виділеному з мезофильного мулу стабільному метаногенів співтоваристві (Савельєва та ін., 1999).
З того ж мезофильного мулу отримано стабільне анаеробне співтовариство, здатне розкладати 4-АВА з утворенням метану.
Проміжні продукти деградації ті ж, що й у випадку анаеробного розкладання 2-АВА. З цього консорціуму виділена чиста культура первинного деструктора 4-АВА (Савельєва та ін., 1999). В даний час ведуться

Сторінки: 1 2