Анаэробные співтовариства мікроорганізмів, що руйнують ароматні ксенобиотики

Московський державний університет им. М. В. Ломоносова.

Біологічний факультет.

Кафедра микробиологии.

Реферат.

Анаэробные співтовариства мікроорганізмів, що руйнують ароматні ксенобиотики.

Виконала студентка 4-го курсу каф. микробиологии.

Линькова Юлия.

Керівник семинара:

А.И.Нетрусов.

Москва.

1.

Введение

.

2.Биодеградация.

3 3. Аэробный і анаеробний метаболізм ароматичних соединений.

5 3.1.Ароматические субстрати і шляхи їх руйнації в анаеробних условиях.

4.Синтрофные асоціацію та консорціуми, розкладницькі аминоароматические речовини. 7 5. Технологический аспект 11 6.

Заключение

.

12 7. Список використаної літератури 13.

1.

Введение

З розвитком хімічної промисловості, у біосферу стало надходити більш тисячі різних ксенобіотиків, які у значною мірою забруднюють довкілля. Відомо, що сполуки, внесені людиною в довкілля останнім часом (інсектициди, гербіциди, детергенты і інші ксенобіотики) поза тим, що дуже токсичні, ще й стійкі в середовищі (що становить небезпеку обману чоловіки й животных).В справжнє час навантаження природні процеси самоочищення біосфери є надлишкової, і йде паралельно з деструкцією забруднень йде їх поступове накопичення у навколишньому середовищі. Деградація ксенобіотиків мікроорганізмами є одним із важливих проблем захисту биосферы.

2.Биодеградация.

Биоразрушение (биодеградация) — це перетворення складних речовин з допомогою біологічну активність. Це широке поняття включає три вужчих процесу: 1) трансформацію, чи незначні зміни молекули; 2) фрагментацію, чи розкладання складної молекули більш прості з'єднання заліза і 3) минерализацию, чи перетворення складного речовини в прості (Н2О, СО2, Н2, NH3, CH4 тощо.). Основними біологічними агентами, здійснюють биоразрушения, є мікроорганізми, які мають величезним розмаїттям ферментних систем і великий лабильностью метаболізму. Саме вони можуть розкладати широкий, спектр хімічно стійких сполук, цим повертаючи основні живильні елементи в глобальні цикли і запобігаючи накопичення «мертвих» залишків лежить на поверхні Землі. Найактивніше беруть участь у руйнуванні ксенобіотиків бактерії і гриби, основне кількість яких виділено з ґрунту та води. Представники бактерій ставляться до різним пологам Грам-отрицательных і Грам-положительных аеробних і анаеробних організмів. З найбільш важливих аеробних Грам-отрицательных бактерій треба сказати види пологів Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисляющие і нитрифицирующие бактерії, та якщо з Грам-положительных — представників пологів Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus і Bacillus.

Некоторые види нітраті сульфатредуцирующих бактерій, і навіть метаногенные археи активну участь у анаеробної деградації ксенобіотиків. Гриби, здатні аэробно руйнувати такі сполуки, ставляться до пологів Phanerochaete (збудники «білої гниття»), Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium (Шлегель, 1987).

Особливої актуальності руйнує здатність мікроорганізмів в останні десятиліття зв’язки Польщі з увеличивающимся присутністю в біосфері стійких забруднювачів антропогенного походження, причому нерідко тримають у масштабах, перевищують природну самоочищающую здатність. Річ у тім, що людині удалося створити такі сполуки, які руйнуються у природі у звичайних обставинах. Це різні синтетичні полімери, барвники, пестициди, фармацевтичні препарати, миючі засоби й т.д. Ці чужорідні речовини (ксенобіотики) є унікальна біологічну активність на рівні микропримесей. У широкому значенні до ксенобіотиків можна віднести і ті речовини природного походження, але отримані в сверхколичествах і переміщені в невластиві їм місця (наприклад, нафту). Більшість таких сполук має значної стабільністю, і їхнього повного розкладання при умовах потрібні століття. Відбувається безперервний перенесення цих речовин по харчових ланцюгах та його накопичення на кінцевих етапах, куди входить і творча людина. Величезне число ксенобіотиків надзвичайно токсично і виявляє мутагенную, канцерогенную, аллергенную і тератогенную активності. Однак що, що людство неспроможна цілком відмовитися від використання таких речовин, оскільки їх застосовують практично у всіх галузях діяльності. Тому першому плані виходить використання биоразрушающей здібності мікроорганізмів очищення довкілля антропогенних загрязнителей.

3.Аэробный і анаеробний метаболізм ароматичних сполук. Існує дві типу метаболізму ароматичних субстратів, аэробный і анаеробний. Аеробну деградація простих ароматичних сполук ініціюється введенням у молекулу одного чи двох гідроксильних груп під впливом моночи диоксигеназ. Далі катехол піддається орточи мета-расщеплению ароматичного кільця із заснуванням відповідних похідних муконовой кислоти. Ці неароматические продукти далі окисляються з допомогою реакцій загальних метаболічних шляхів до води та вуглекислоти. Коли бензольном кільці є заступники, вони можуть змінюватися і отщепляться як до, і після розкриття кільця. Розпад ароматичних кислот може починатися з неокислювальної декарбоксилирования, який приводить до утворення фенолів, які потім окислюються в лінійні непредельные дикарбоновые кислоти (Elder, 1994;Heider, 1997).Основными мікроорганізмами, які руйнують в аеробних умовах прості ароматичні сполуки, є представники пологів Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus і гриби роду Aspergillus, широко поширені в ґрунтових і використання водних екосистемах. У анаеробних умовах, за відсутності такого окислювача як кисень, руйнація ароматичних речовин відбувається більш складно, в многоэтапном процесі з участю різних ферментів. Мікроорганізми здатні використовувати широкий набір ароматичних субстратів в нітрат-, сульфат-, залізоі карбонат-восстанавливающих умовах. Основними етапами процесу біодеградації є активування бензольного кільця, його розрив й освіту С1- і С2-соединений. Активування кільця то, можливо результатом реакцій карбоксилирования, анаеробного гидроксилирования і отриману освіту КоА-тиоэфиров ароматичних кислот. У останньої реакції беруть участь розчинні, неспецифічні, индуцибельные КоА-лигазы чи КоА-трансферазы. Центральним интермедиатом процесу біодеградації ароматичних сполук є бензоил-КоА, який піддається серії послідовних поновлень під впливом бензоил-КоА-редуктазы і гидролитическому розщеплення що утворився похідного циклогексана. Першим неароматическим продуктом є пимелил-КоА. Далі відбувається ряд окислений і декарбоксилирование глутаконил-КоА із заснуванням зрештою ацетилКоА (Heider, 1997; Kleerebezem, 1999;Lochmeyer, 1992).Лишь деякі мікроорганізми, здатні до биодеструкции ароматичних сполук, виділено як чистих культур. Це Pseudomonas sp., Thauera aromatica, T. chlorobenzoica, Desulfobacterium anilini, Azoarcus evansii, Magnetospirillum sp., Delftia acidovorans, Rhodopseudomonas palustris, Syntrophus gentinae і P. S. buswellii. Значно більше даних про біодеградації таких сполук анаэробными микробными співтовариствами. У метаногенных умовах кінцеві стадії биодеструкции представлені археями пологів Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina, Methanosaeta. Біодеструкція поверхнево-активних речовин типу алкилбензолсульфонатов, що мають у алкильной ланцюга від однієї близько трьох атомів вуглецю, починається з сульфонатной групи, а й у сполук з бульшим числом атомів — з бічний ланцюга. У аеробних умовах такі сполуки розкладаються бактеріями і грибами, здатними до деструкції ароматичних сполук. За відсутності кисню розрив C-S-связи сульфоароматических сполук можуть проводити бактерії з бродильным типом метаболізму. Процеси анаеробної деградації алкилбензолсульфонатов ефективніше йдуть у співтоваристві, що містить мікроорганізми пологів Clostridium, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanosarcina.

3.1.Ароматические субстрати і шляхи їх руйнації в анаеробних умовах. Микроорганизмы-денитрификаторы може використати п-крезол, ванилат, катехол, анілін, нітробензол, хлорбензоат, бензиловый спирт, толуолу, етилбензол, і навіть амінокислоту фенилаланин. Синтрофные метаногенные асоціації (Syntrophus buswellii, S. gentianae) розкладають бензоат, кротонат, гентизат і гидрохиноны. Thauera aromatica і Azoarcus evansii використовують 2- і 4- аминобензойные кислоти та його тиоэфиры. До того ж, може бути використані толуолу, фенолу, фенилпируват, фторзамещённая ароматика, фенилацетальдегид, фенилглиоксилат, алкилбензолы, терефталат та інших.(Kleerebezem, 1999;Lochmeyer, 1992).

4.Синтрофные асоціацію та консорціуми, розкладницькі аминоароматические речовини. Синтрофизм—особый випадок симбиотической кооперації між метаболически різними типами бактерій, які залежать друг від друга при руйнуванні субстратів. Термін «консорціум» використовується для описи різноманітних коопераций микроорганизмов. В примітці до Правилу 31 в «Міжнародному кодексі номенклатури бактерий"(1978) говорится:"Консорциум—это сукупність чи асоціація двох чи більше организмов».Таким чином, до цього поняття належать факти й таких форм співтовариств мікроорганізмів, як асоціація та змішана культура.

Примером консорціуму може бути «Methanobacillus omelanskii"(2 организма-партнёра, штам P. S і штам М.о.Н.).:

Штамм P. S: 2 EtOH+ 2H2O = 2CH3COO—+ 2 H+ + 4 H2? Gє=+19 кДж/2 міль EtOH Штам M.о.Н.: 4H2 + CO2 =CH4 + 2 H2O.

?Gє=-131 кДж/1 міль CH4 Сообщество:2 EtOH+ CO2 =2CH3COO—+ 2 H+ +CH4.

?Gє=-112 кДж/1 міль CH4.

У разі 2 штами кооперуються для перетворення етанолу ацетат і метан, у своїй відбувається міжвидовий перенесення водню. Штам P. S неспроможна зростати на етанолі за відсутності штами M.o.H., споживатиме сировини водень, т.к. реакція при стандартних умовах эндотермична. Таким чином, ні одне із партнерів неспроможна зростати самостійно на етанолі, і деградація етилового спирту залежить від кооперації двох штаммов (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-первичные бродильщики; 2-водородокисляющие метаногены; 3- ацетатпотребляющие метаногены; 4-вторичные бродильщики; 5-ацетогенные бактерії. (Schink, 1997).

Ця схема застосовна і до анаэробным співтовариствам мікроорганізмів, розкладницьких аминоароматические субстраты.

Разделение метаболічних функцій та його розподіл серед метаболически різних мікроорганізмів є компенсацією відсутності ефективних механізмів деградації в аеробних умовах. Метаболічні взаємодії кооперованих співтовариств залежить від перенесення метаболітів між партнерами. Потік Н2 назад пропорційний відстані між водородобразующими бактеріями і водородпотребляющими метаногенами. Оптимальна швидкість перенесення метаболітів буває у разі тісного контакту партнерів: безпосереднього сусідства, освіти агрегатів чи «флокков». Такі флокки утворюються, наприклад, у бактерій, розкладницьких жирні кислоты. Образование таких структур вимагає часу (іноді навіть місяців) (Schink, 1997).

В час роботи з вивченню анаеробних мікробних співтовариств, розкладницьких аминобензойную і аминосалициловую кислоти та його ізомери (Калюжний, 1998;Савельева та інших., 1999; Тян і др., 1999). Ці речовини в окисних умовах полимеризуются в трудноразлагаемые макромолекули, що ускладнює їх розкладання, а аеробна деградація призводить до утворення низки токсичних проміжних продуктів. Ці дослідження на консорціумах, виділених з мезофильного й термофільного мулів. Отримано стабільне метаногенное сообщество, способное споживати 2-АВА (2-аминобензойная кислота) з високої швидкістю. Як проміжних продуктів утворюються бензоат, ацетат і СО2. Передбачається, що ця культура є первинним анаэробным деструктором 2-АВА в виділеному з мезофильного мулу стабільному метаногенном співтоваристві (Савельєва та інших., 1999). З тієї самої мезофильного мулу отримано стабільне анаэробное співтовариство, здатне розкладати 4-АВА із заснуванням метану. Проміжні продукти деградації самі, що у разі анаеробного розкладання 2-АВА. На цьому консорціуму виділено чиста культура первинного деструктора 4-АВА (Савельєва і др., 1999). У цей час роботи з отриманню стабільної накопичувальної культури і виділенню з неї чистої культури микрорганизмов, що руйнують 5- ASA (5-амносалициловой кислоти) і 3-АВА в термофильных умовах. З стабільного консорціуму отримано культури факультативних анаэробов, що окислюють 5-ASA і саліцилову кислоти в анаеробних умовах із заснуванням пропионата, ацетату, СО2, іноді бутирата і водню. Вважається, що у всіх цих співтовариствах первинним деструктором є 1 і хоча б мікроорганізм (Савельєва та інших., 1999; Тян та інших., 1999). Такі взаємовідносини були описані у статті N.C.G.Tan (Tan et al., 1999) для анаеробного гранульованого мулу, розтлінного азокрасители. В процесі деградації азосоединений відбувається відновлення азо-связи із заснуванням різних ароматичних сполук (зокрема. і з аминозаместителями).Данный консорціум використовує іншу стратегію деградації субстрату (у два етапу). Перший этап, анаэробный, восстановление азо-красителей до ароматичних амінів, второй, аэробный, дальнейший розпад ароматичних сполук. Другий етап здійснюється аэротолерантными мікроорганізмами, які живуть на периферії анаеробного біотопу. Інтеграція аеробних і анаеробних умов є сприятливим для биоминерализации азотсодержащих ксенобиотиков (Tan. et al., 1999). Метаногенные консорціуми беруть участь й у деградації такого соединения, как толуолу. До складу такого співтовариства входять представники царств Бактерій і Архей. Филогенетический аналіз домінуючих організмів показав, що даного консорціуму входять два виду архей, які стосуються пологам Methanosaeta, Methanospirillum, а теж одна з видів роду Desulfotomaculum. Остальные представники співтовариства були визначено, та їх внесок у загальний метаболізм дуже важливий, т.к. при відсутності будь-якого компонента в співтоваристві змінюється кількісний і якісний склад (Ficker еt al., 1999). До того ж, існують співтовариства мікроорганізмів, склад яких ще не повністю відомий, але є дані про їхню здатність розкладати ароматні субстрати. На електронних микрофотографиях представників таких співтовариств видно тісне сусідство великих і дрібних клітин. Вони належать різним організмам, та їх розташування свідчить про їхнє можливий зв’язок через метаболізм. Зазвичай це мікроорганізми важко виділяються в чисті культури (Ficker еt al., 1999). Описана культура мікроорганізмів, яка здійснює деградацію профталата (Kleerbezem, 1999). У культурі були присутні 2 основних типи мікроорганізмів: короткі товсті палички та свої маленькі палички. Товсті відповідальні за ферментацію. Маленькі палички розташовувалися зовсім близько до товстим и, возможно, являлись метаногенами, споживають водень (Methanobacterium). Іноді виявляються споровые палички, які, скоріш всього, виконують роль деструкторів (перші стадії деградації). Ідентифікація до чистих культур не здійснювалася (Kleerbezem et al., 1999). Щербакової В.А. було досліджувана сообщество, выделенноез полупромышленного UASB-реактора.В руйнуванні бензолсульфоната і п-толуолсульфоната (ТС) беруть участь 9−10 мікроорганізмів, 5 у тому числі вдалося виділити в чисті культуры. Чтобы визначити ключові групи микроорганизмов, участвующие у руйнуванні МС до метану, було вивчено зміна мікробної популяції під час процесса. В добу зростання основну частину популяції становив спорообразующий організм штам 14 (68.5%). У добу його чисельність зменшилася, однак у співтоваристві переважали клостридиальные штами (80.5%). Надалі спостерігалося збільшення кількості штами SS (спорообразующий организм).С третіх діб спостерігалося активне спорообразование у клостридиальных штамів, починався зростання чисельності у метанобразующих микроорганизмов, и до кінця перших тижнів їх сумарна чисельність становить близько 60% загальної популяции. Скачок в споживанні п-толуолсульфоната можна співвіднести зі зростанням чисельності штами SS в популяції мікробів на третю добу процесу. Під час розвитку співтовариства відбувалося, поруч із освітою метану, накопичення летючих жирних кислот. Зміст ацетату в культуральної рідини було в порядок вище, ніж концентрація інших. Так, на на початкових етапах nтолуолсульфонат використовується бактеріями роду Clostridium як джерело вуглецю і серы, бактериями роду Desulfovibrio як акцептор электронов. А відразу після появи ацетату толуолсульфонат використовується метаносарциной як стимулюючої органічної добавки. Толуол є проміжним продуктом деградації толуолсульфоната. Другим важливим интермедиатом процесу є изобутират. Крім виділеного в чисту культуру Methanobacterium formicicum штам МН, утворить метан з СО2 і Н2, значної ролі в досліджуваному співтоваристві грає інший метаноген роду Methanospirillum. Это найбільш распространённые партнери в синтрофных організаціях, здатні зростати при низьких парциальных тисках водорода (Щербакова, 2000). Щоб грамотно використовувати процеси анаеробної деградації в біотехнологічних цілях, треба розуміти внутрішні взаємозв'язку в співтоваристві. 5. Технологический аспект. Нині дослідження з біодеградації забруднень беруться до розробці різних очисних споруд. У цьому використовуються різноманітні технологічні схеми біореакторів очищення водоёмов, атмосфери, грунтів (Deriell et al., 1999). Біореактори — це моделі біологічних систем. Спершу них використовувалися природно сформовані консорціуми мікроорганізмів, які споживали субстрат і видавали продукт, без обліку видового складу і взаємодій між різними видами мікроорганізмів всередині консорціуму. У окремих випадках процес деградації відбувається ефективніше, якщо за анаеробної фазою слід анаэробная, у якій можуть брати участь, приміром, аэротолерантные микроорганизмы (O'Neill et al., 2000). У цьому статті описаний UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)—реактор, використовуваний для деградації азо-красителей. У процесі культивування та накопичення грошових певних продуктів мікроорганізмами досліджуваного мулу чергувалися анаэробные і аэробные стадії (O'Neill et al., 2000). У працях з вивчення біодеградації аминобензойной чи аминосалициловой кислот в биореакторах основним «робочим елементом» був мезофильный чи термофильный мул очисних споруд, адаптований до визначеному субстрату (Kalyuzhnyi et al., 1998). Нині ведуться активні дослідження, у напрямі вивчення складу різних синтрофных ассоциаций, деградирующих конкретний субстрати, і збільшення ефективності процесу. 6.

Заключение

Аминоароматические ксенобиотики—трудноразлагаемые макромолекули, які мають властивістю накопичуватися в екологічних нішах. Про мікробних сообществах, их разрушающих, известно сравнитедьно трохи, особливо функціях компонентів, зв’язку їх між собою, таксономической приналежності мікроорганізмів. Анаэробные мікроорганізми є первинними деструкторами гетероциклических і ароматичних сполук. Переробляючи складні субстраты, они утворюють продукти, споживані синтрофными мікроорганізмами. На кінцевих етапах деградації субстратів значної ролі в синтрофных консорціумах грають сульфатредукторы, метаногены і ацетогены. Они споживають однеі двухуглеродные субстрати і водород, выделяя кінцеві продукты, таким чином беручи участь у поверненні вуглецю та інших компонентів аминоароматических субстратів в круговорот речовин, у биосфере.

7.Список використаної літератури. 1. Савельєва О.В., Котова И. Б., Нетрусов А. И., 2000. Сборник праць науковій конференції «Проблеми екології і фізіології микроорганизмов».МГУ, Диалог,.

2000. 2. Тян О. Т., Брюханов О. Л., Котова І.Б., Нетрусов А.И.2000. Збірник праць науковій конференції «Проблеми екології і фізіології микроорганизмов».МГУ, Диалог, 2000. 3. Щербакова В. А. Автореферат дисертації на здобуття вченою ступеня канд. биол. наук. Пущино, 2000. 4. Шлегель Г. Общая микробиология.М., Мир, 1987. 5. Elder D.J.E., D.J.Kelly.The bacterial degradation of benzoic and benzenoid compounds under anaerobic conditions: Unifying trends and new perspectives. Microbiology Reviews, 1994, vol.13,p.441−468 6. Deriel E., Comeau J., Villemur R. Two-luquid-phase bioreactors for enchanced degradation of hydrophobic/toxic compounds. Biodegradation, 1999, vol.10,p.219−233. 7. Ficker M., Krastel K., Orlicky St., Edwards E. Molecular characterization of a toluene-degrading methanogenic consortium//Applied and Environmental microbiology, 1990, p.5576−5585. 8. Heider J., Fuchs G. Microbial anaerobic aromatic metabolism.

Anaerobe, 1997, vol.3,p.1−22. 9. Kalyuzhnyi S.V., Sclyar V.I., Mosolova T.P., Kucherenko I.A., Degtyarova.

N.N., Russkova I., Kotova I.B., Netrusov A.I. Methanogenic biodegradation of selected aminobenzoates. INTAS—1999—1809. 10. Kleerebezem R., Look W. Hulshoff Pol, Gatze Lettinga. Anaerobic degradation of phthalate isomers by methanogenic consortia. Applied and evironmental microbiology, 1999, vol.65,№ 3,p.1152−1160. 11. Kleerebezem R., Look W. Hulshoff Pol, Gatze Lettinga. The role of benzoate in anaerobic degradation of terephthalate. Applied and evironmental microbiology, 1999, vol.65,№ 3,p.1161−1167. 12. Lochmeyer C., Koch J., Fuchs G. Anaerobic degradation of 2-aminobenzoic acid (anthranilic acid) via benzoyl-coenzym A and cyclohex-1-encarboxyl;

CoA in a denitrifying bacterium.J. Bacteriol, 1992, vol.174,p.3621−3628. 13. O’Neill C., Lopes A., Esteves P. S., Haw Kes F.R., Hawkes D.L., Willox P. S. Azodye degradation in an anaerobic-aerobic treatment system opeating on simulated textile effluent. Appl Microbial Biotechnol, 2000, vol.53,p.249;

254. 14. Schink B. Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation. Microbiology and Molecular Biology reviews, 1997, p.262−280. 15. Tan N.C.G., Prenafeta-Boldu F.X., Opsteeg J.L., Lettinga G., Field J.A.

Biodegradation of azo-dyes in cocultures of anaerobic granular sluge with aerobic aromatic amine degrading enrichment cultures. Appl Microbial.

Biotechnol, 1999, vol.51,p.865−871.