109637 (Микробная утилизация полиароматических углеводородов)

1.Реферат

Работа посвящена актуальной проблеме современной экологической биотехнологии - микробной утилизации полиароматических углеводородов (ПАУ). В рамках работы проведены: поиск и селекция штаммов ПАУ- резистентных грибов, подбор питательных сред и адаптация к ним отобранных штаммов, исследованы процессы деструкции смеси ПАУ грибами Trichoderma linorum и Phanerochaete chrysosporium, а также процесс фотолиза смеси ПАУ. Предложена модификация среды Ван-Итерсона для выделения и селекции грибов-деструкторов целлюлозы, резистентных к ПАУ.

2.Содержание

3.Введение.........................................................................................................................

3.1.Актуальность проблемы...........................................................................................

3.2.Состояние разработки проблемы.............................................................................

3.3.Научная новизна работы............................................................................................

4.Аналитический обзор....................................................................................................

4.1.Вредные ароматические вещества-аналоги

компонентов древесины...................................................................................................

4.1.1.Химический состав и структура древесины.........................................................

4.1.1.1.Целлюлоза..............................................................................................................

4.1.1.2.Лигнин.....................................................................................................................

4.1.1.3.Экстрактивные вещества......................................................................................

4.1.2.Карбонизация древесины. Процессы образования

конденсированных ароматических систем......................................................................

4.1.3.Полиароматические соединения каменноугольной смолы.................................

4.2.Лигнин и ПАУ-разрушающие микроорганизмы.......................................................

4.2.1.Воздействие грибов белой гнили............................................................................

4.2.2.Воздействие грибов мягкой гнили..........................................................................

4.2.3.Действие бактерий.....................................................................................................

5.Цели и задачи исследования..........................................................................................

6.Патентный поиск...............................................................................................................

7.Экспериментальная часть.................................................................................................

7.1.Материалы и методы......................................................................................................

7.1.1.Материалы....................................................................................................................

7.1.1.1.Штаммы микроорганизмов....................................................................................

7.1.1.2.Питательные среды.................................................................................................

7.1.1.3.Субстраты.................................................................................................................

7.1.1.4.Пробы........................................................................................................................

7.1.2.Методы.........................................................................................................................

7.1.2.1.Выделение культур микромицетов.......................................................................

7.1.2.2.Изучение морфологических и физиолого-

биохимических свойств микромицетов............................................................................

7.1.2.3.Отбор штаммов-деструкторов ПАУ....................................................................

7.1.2.4.Твердофазное культивирование микроорганизмов............................................

7.1.2.5.Фотолитическая обработка субстратов...............................................................

7.1.2.6.Определение ПАУ в твердой фазе........................................................................

7.2.Результаты и обсуждение.............................................................................................

7.2.1.Направленный поиск микромицетов-деструкторов ПАУ.....................................

7.2.2.Микробная деструкция смеси ПАУ..........................................................................

7.2.3.Применение облучения ( l=257,3 нм ) для предобработки

ПАУ-содержащих субстратов.............................................................................................

7.2.4.Происхождение микроорганизмов-деструкторов ПАУ........................................

7.2.5.Анализ возможности создания систем по утилизации

твердых ПАУ-содержащих отходов...................................................................................

8.Стандартизация....................................................................................................................

9.Охрана труда и окружающей среды.................................................................................

9.1.Характеристика опасных и вредных производственных факторов..........................

9.2.Пожаробезопасность......................................................................................................

9.3.Санитария и гигиена..........................................................................................................

9.4.Безопасная работа в лаборатории..................................................................................

9.5.Меры первой помощи при несчастных случаях в лаборатории................................

9.6.Охрана окружающей среды............................................................................................

10.Технико-экономическая оценка результатов исследования......................................

10.1.Анализ возможности реализации результатов исследования..................................

10.1.1.Сегментация рынка.....................................................................................................

10.1.2.Позиционирование товара.........................................................................................

10.2.Расчет затрат на проведение исследовательской работы.......................................

10.2.1.Расчет текущих затрат...............................................................................................

10.2.2.Расчет затрат на проведение дополнительных работ............................................

11.Выводы и предложения...................................................................................................

12.Список использованной литературы......................................................................

3.Введение

3.1.Актуальность проблемы

Интенсивное развитие химической и обрабатывающей промышленности привело к интенсивному накоплению в природных биоценозах значительных количеств токсичных веществ, что, в свою очередь, обусловило развитие исследований в области охраны окружающей среды. Ведущее значение в изучении проблемы экологической безопасности играет биотехнология, так как все основные реакции детоксикации или частичной химической модификации токсичного субстрата связаны с метаболической активностью микроорганизмов.

Вместе с тем, в решении экологических проблем до последнего времени (5-7 лет назад) доминировало традиционное направление-мониторинг объектов окружающей среды и определение ПДК экотоксикантов. Сегодня ведутся работы по использованию штаммов-деструкторов экотоксикантов в очистных сооружениях /1/, но вопросы биодеградации токсичных веществ непосредственно в природных биоценозах (биоремедиации) и создания промышленных технологий, позволяющих очищать природные ландшафты от техногенных загрязнений разработаны недостаточно.

Среди веществ-экотоксикантов полиароматические соединения занимают одно из первых мест по урону, наносимому окружающей среде. Спектр этих веществ чрезвычайно разнообразен. Их утилизация сводится в основном к захоронению на специальных полигонах. Токсичность, канцерогенность и мутагенность этих веществ общеизвестна /2/.

Все эти вещества имеют в своей структуре бензольное кольцо, которое содержится в природном полимере лигнине, являющимся, наряду с целлюлозой, одним из основных компонентов древесины. Показано /3/, что почвенные микроорганизмы способны разрушать лигнин и размыкать, входящее в его структуру, бензольное кольцо. Вполне возможно, что некоторые из этих микроорганизмов, в процессе селекции могут приобрести способность утилизировать ПАУ качестве косубстратов или единственных источников углерода и энергии.

В этой связи представляется перспективной селекция древоразрушающих микроорганизмов в направлении создания штаммов-деструкторов ароматических экотоксикантов, способных разрушать эти вещества в природных биоценозах и промышленных очистных сооружениях.

3.2.Состояние разработки проблемы

В России и СНГ: В России и СНГ (в основном на Украине) активно ведутся работы по поиску штаммов-деструкторов отходов коксохимической промышленности /4/. Изучаются молекулярно-биологические аспекты деструкции ПАУ. Следует отметить, что большинство работ выполнено с использованием бактерий рода Pseudomonas. Сведений об использовании грибов в процессах детоксикации в отечественной литературе очень мало. Процессам биоремедиации техногенно загрязненных территорий так же не уделяется должного внимания (из за мягкого экологического законодательства).

В других странах: Анализ доступной литературы показал, что в США и Европе (особенно в ФРГ) ведутся многочисленные исследования по биодеградации полиароматических экотоксикантов непосредственно в природных биоценозах. /5-7/. Можно выделить следующие подходы к решению проблемы, в свете которых ведутся разработки:

1.В почву единовременно или через определенные интервалы вносится суспензия микроорганизмов, которые разлагают вещества-загрязнители.

2.В почву вносится специальная питательная среда, содержащая азот, фосфор, микроэлементы и стимуляторы роста микроорганизмов. В состав смеси входят добавки, способствующие солюбилизации гидрофобных соединений. При использовании таких сред почвенная микрофлора разлагает экотоксиканты значительно быстрее. Исследователи ФРГ активно разработывают это направление /8/.

3.Совместно используются питательные среды и микроорганизмы и/или производится предобработка субстрата. Американские ученые показали эффективность предобработки экотоксикантов УФ-светом с последующей их утилизацией грибом Phanerochaete chrysosporium и запатентовали данный процесс /9/.

В США и странах Европы исследованы процессы разрушения таких конденсированных систем как нафталин, антрацен, фенантрен, пирен и др./10,11/. Исследованы генетические аспекты деградации ароматических экотоксикантов /12,13/. Однако исследования носят узко специализированный характер-изучаются процессы деструкции одного вещества (в случае смеси исследуется лишь суммарное содержание веществ либо число компонентов, не превышающее 3-5). Данные по процессам, идущим при биодеградации и фотолизе многокомпонентных (более 10-ти веществ) смесей полиароматических углеводородов отсутствуют как в отечественной так и зарубежной литературе.

Резюмируя вышеперечисленное можно сказать, что сегодня в России и развитых зарубежных странах ведутся интенсивные исследования в области биодеградации техногенных загрязнителей биоценозов, причем основная роль в процессах детоксикации отводится грибам белой гнили (особенно Phanerochaete chrysosporium) и бактериям рода Pseudomonas. Сведения об использовании для деструкции полиароматических веществ грибов не относящихся к базидиомицетам носят отрывочный характер /14/. Сведений о процессах происходящих при деструкции многокомпонентных смесей экотоксикантов (10 и более компонентов) в доступной литературе не оказалось.

3.3.Научная новизна работы

Предложена модифицированная среда Ван-Итерсона для выделения и селекции ПАУ-резистентных грибных культур; впервые изучен процесс деструкции смеси ПАУ, состоящей из 16-ти веществ грибами Trichoderma lignorum и Phanerochaete chrysosporium. Изучен процесс фотолиза смеси ПАУ состоящей из 16-ти веществ.

4.Аналитический обзор

4.1.ПАУ-производные компонентов древесины

4.1.1.Химический состав и структура древесины

4.1.1.1.Целлюлоза

Основным компонентом древесины является целлюлоза, ее содержание в древесине различных пород варьируется от 34,2% (Chlorophora excelsa Benth. et Hock.f.) до 61,6% (Pinus strobus L.), в среднем на ее долю в растительных тканях приходится 30-50% сухого вещества. Кроме целлюлозы, древесина содержит ряд других полисахаридов: гемицеллюлозу, крахмал, пектиновые вещества, а также различные органические соединения, такие как лигнин, воска, танин, смолы и т.д. /15/.

Растительные ткани древесины представляют собой сочетание клеток разнообразной формы, имеющих сложное строение целлюлозной стенки, состоящей из 3-х слоев /16/. Первичные клеточные стенки соседних клеток соединены между собой когезивным межклеточным веществом-срединной пластинкой. В период роста срединная пластинка на 2/3 состоит из пектиновых веществ, затем происходит ее лигнификация /17/.

Вторичная клеточная стенка наиболее утолщена и образует большую часть клеточной стенки. Она состоит главным образом из целлюлозы и представляет собой множество концентричных слоев параллельно расположенных вдоль оси микрофибрилл целлюлозы. Вторичный слой определяет форму клетки и ее механические свойства /18/. Толщина третичной стенки достигает 70-80 нм. Из-за высокого содержания лигнина она прочна и химически устойчива /19/.

По современным данным макромолекула целлюлозы-это линейный полимер b-D глюкопиранозы с b-1,4-гликозидными связями между мономерами.