Московский государственный университет им.М.В. Ломоносова

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

Реферат

Анаэробные сообщества микроорганизмов, разрушающих ароматические ксенобиотики.

Выполнила студентка 4-го курса

каф. микробиологии

Линькова Юлия

Руководитель семинара:

А.И.Нетрусов

Москва

2002

Содержание.

1.Введение 3

2.Биодеградация 3

3.Аэробный и анаэробный метаболизм ароматических

соединений 5

3.1.Ароматические субстраты и пути их разрушения

в анаэробных условиях 6

4.Синтрофные ассоциации и консорциумы,

разлагающие аминоароматические вещества. 7

5.Технологический аспект 11

6.Заключение 12

7.Список использованной литературы 13

1.Введение.

С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков , которые в значительной степени загрязняют окружающую среду. Известно, что соединения, вносимые человеком в окружающую среду в последнее время (инсектициды, гербициды, детергенты и другие ксенобиотики) помимо того, что очень токсичны, ещё и устойчивы в среде (что представляет опасность для человека и животных).В настоящее время нагрузка на естественные процессы самоочищения биосферы является избыточной, и параллельно с деструкцией загрязнений идёт их постепенное накопление в окружающей среде. Деградация ксенобиотиков микроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы.

2.Биодеградация.

Биоразрушение (биодеградация) – это преобразование сложных веществ с помощью биологической активности. Это широкое понятие включает три

более узких процесса: 1) трансформацию, или незначительные изменения молекулы; 2) фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения и 3) минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (Н₂О, СО₂, Н₂, NH₃, CH₄ и т.д.). Основными биологическими агентами, осуществляющими биоразрушения, являются микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма. Именно они способны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли.

Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бактерии и грибы, основное количество которых выделено из почвы и воды. Представители бактерий относятся к различным родам Грам-отрицательных и Грам-положительных аэробных и анаэробных организмов. Из наиболее важных аэробных Грам-отрицательных бактерий следует отметить виды родов Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии, а из Грам-положительных – представителей родов Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus и Bacillus.

Некоторые виды нитрат- и сульфатредуцирующих бактерий, а также метаногенные археи активно участвуют в анаэробной деградации ксенобиотиков. Грибы, способные аэробно разрушать такие соединения, относятся к родам Phanerochaete (возбудители «белой гнили»), Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium(Шлегель,1987).

Особую актуальность разрушающая способность микроорганизмов приобрела в последние десятилетия в связи с увеличивающимся присутствием в биосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхождения, причем нередко в масштабах, превышающих природную самоочищающую способность. Дело в том, что человеку удалось создать такие соединения, которые не разрушаются в природе в обычных условиях. Это различные синтетические полимеры, красители, пестициды, фармацевтические препараты, моющие средства и т.д. Эти чужеродные вещества (ксенобиотики) имеют уникальную биологическую активность уже на уровне микропримесей. В широком смысле к ксенобиотикам могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Большинство таких соединений обладает значительной стабильностью, и для их полного разложения при обычных условиях требуются столетия. Происходит непрерывный перенос этих веществ по пищевым цепям и их накопление на конечных этапах, к которым относится и человек. Огромное число ксенобиотиков чрезвычайно токсично и проявляет мутагенную, канцерогенную, аллергенную и тератогенную активности. Однако понятно, что человечество не может полностью отказаться от использования таких веществ, так как они применяются практически во всех областях деятельности. Поэтому на первый план выходит использование биоразрушающей способности микроорганизмов для очистки окружающей среды от антропогенных загрязнителей.

3.Аэробный и анаэробный метаболизм ароматических соединений.

Существует два типа метаболизма ароматических субстратов, аэробный и анаэробный. Аэробная деградация простых ароматических соединений инициируется введением в молекулу одной или двух гидроксильных групп под действием моно- или диоксигеназ. Далее катехол подвергается орто- или мета-расщеплению ароматического кольца с образованием соответствующих производных муконовой кислоты. Эти неароматические продукты дальше окисляются с использованием реакций общих метаболических путей до воды и углекислоты. Если на бензольном кольце имеются заместители, то они могут преобразовываться и отщепляться как до, так и после раскрытия кольца. Разложение ароматических кислот может начинаться с неокислительного декарбоксилирования, приводящего к образованию фенолов, которые затем окисляются в линейные непредельные дикарбоновые кислоты (Elder,1994;Heider,1997).Основными микроорганизмами, разрушающими в аэробных условиях простые ароматические соединения, являются представители родов Pseudomonas, Alcaligenes,Bacillus и грибы рода Aspergillus, широко распространенные в почвенных и водных экосистемах.

В анаэробных условиях, при отсутствии такого окислителя как кислород, разрушение ароматических веществ происходит более сложно, в многоэтапном процессе при участии различных ферментов. Микроорганизмы способны использовать широкий набор ароматических субстратов в нитрат-, сульфат-, железо- и карбонат-восстанавливающих условиях. Основными этапами процесса биодеградации являются активирование бензольного кольца, его разрыв и образование С₁- и С₂-соединений. Активирование кольца может быть результатом реакций карбоксилирования, анаэробного гидроксилирования и образования КоА-тиоэфиров ароматических кислот. В последней реакции участвуют растворимые, неспецифичные, индуцибельные КоА-лигазы или КоА-трансферазы. Центральным интермедиатом процесса биодеградации ароматических соединений является бензоил-КоА, который подвергается серии последовательных восстановлений под действием бензоил-КоА-редуктазы и гидролитическому расщеплению образовавшегося производного циклогексана. Первым неароматическим продуктом является пимелил-КоА. Далее происходит ряд окислений и декарбоксилирование глутаконил-КоА с образованием в конечном счете ацетил-КоА(Heider,1997; Kleerebezem,1999;Lochmeyer,1992).Лишь немногие микроорганизмы, способные к биодеструкции ароматических соединений, выделены в виде чистых культур. Это Pseudomonas sp., Thauera aromatica, T. chlorobenzoica, Desulfobacterium anilini, Azoarcus evansii, Magnetospirillum sp., Delftia acidovorans, Rhodopseudomonas palustris, Syntrophus gentinae и S. buswellii. Значительно больше сведений о биодеградации таких соединений анаэробными микробными сообществами. В метаногенных условиях конечные стадии биодеструкции представлены археями родов Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina, Methanosaeta.

Биодеструкция поверхностно-активных веществ типа алкилбензолсульфонатов, имеющих в алкильной цепи от одного до трех атомов углерода, начинается с сульфонатной группы, а у соединений с бóльшим числом атомов – с боковой цепи. В аэробных условиях такие соединения разлагаются бактериями и грибами, способными к деструкции ароматических соединений. В отсутствие кислорода разрыв C-S-связи сульфоароматических соединений могут проводить бактерии с бродильным типом метаболизма. Процессы анаэробной деградации алкилбензолсульфонатов эффективней идут в сообществе, содержащем микроорганизмы родов Clostridium,Desulfovibrio,Methanobacterium, Methanosarcina.

3.1.Ароматические субстраты и пути их разрушения в анаэробных условиях.

Микроорганизмы-денитрификаторы могут использовать п-крезол, ванилат, катехол, анилин, нитробензол, хлорбензоат, бензиловый спирт, толуол, этилбензол, а также аминокислоту фенилаланин.

Синтрофные метаногенные ассоциации (Syntrophus buswellii,S. gentianae) разлагают бензоат, кротонат, гентизат и гидрохиноны.

Thauera aromatica и Azoarcus evansii используют 2- и 4-аминобензойные кислоты и их тиоэфиры. Помимо этого, могут быть использованы толуол, фенол, фенилпируват, фторзамещённая ароматика, фенилацетальдегид, фенилглиоксилат, алкилбензолы, терефталат и др.( Kleerebezem,1999;Lochmeyer,1992).

4.Синтрофные ассоциации и консорциумы, разлагающие аминоароматические вещества.

Синтрофизм—особый случай симбиотической кооперации между метаболически разными типами бактерий, которые зависят друг от друга при разрушении субстратов.

Термин “консорциум” используется для описания различных коопераций микроорганизмов.В примечании к Правилу 31 в “Международном кодексе номенклатуры бактерий”(1978) говорится:”Консорциум—это совокупность или ассоциация двух или более организмов”.Таким образом, в это понятие входят и такие формы сообществ микроорганизмов, как ассоциация и смешанная культура.

Примером консорциума может служить “Methanobacillus omelanskii”(2 организма-партнёра, штамм S и штамм М.о.Н.).:

Штамм S: 2 EtOH+ 2H₂O = 2CH₃COO^--+ 2 H⁺ + 4 H₂ ΔGº=+19 кДж/2 моль EtOH

Штамм M.о.Н.: 4H₂ + CO₂ =CH₄ + 2 H₂O ΔGº=-131 кДж/1 моль CH₄

Сообщество:2 EtOH+ CO₂ =2CH₃COO^--+ 2 H⁺ +CH₄ ΔGº=-112 кДж/1 моль CH₄

В данном случае 2 штамма кооперируются для превращения этанола в ацетат и

метан, при этом происходит межвидовой перенос водорода. Штамм S не может

расти на этаноле в отсутствие штамма M.o.H., потребляющего водород, т.к. реакция

при стандартных условиях эндотермична.Таким образом, ни один из партнёров не

может расти самостоятельно на этаноле, и деградация этилового спирта зависит от

кооперации двух штаммов(Schink,1997).

Рис.1. Общая схема потока углерода и электронов в трофических связях микроорганизмов, участвующих в метаногенной деградации органических веществ в анаэробных условиях.

1-первичные бродильщики; 2-водородокисляющие метаногены; 3-ацетатпотребляющие метаногены; 4-вторичные бродильщики; 5-ацетогенные бактерии. (Schink,1997).

Данная схема применима и к анаэробным сообществам микроорганизмов,

разлагающих аминоароматические субстраты.

Разделение метаболических функций и их распределение среди метаболически разных микроорганизмов является компенсацией отсутствия эффективных механизмов деградации в аэробных условиях. Метаболические взаимодействия кооперированных сообществ зависят от переноса метаболитов между партнёрами. Поток Н₂ обратно пропорционален расстоянию между водородобразующими бактериями и водородпотребляющими метаногенами. Оптимальная скорость переноса метаболитов достигается в случае тесного контакта партнёров: непосредственного соседства, образования агрегатов или “флокков”. Подобные флокки образуются, например, у бактерий, разлагающих жирные кислоты.Образование таких структур требует времени (иногда даже месяцев) (Schink,1997).

В настоящее время ведутся работы по изучению анаэробных микробных сообществ, разлагающих аминобензойную и аминосалициловую кислоты и их изомеры ( Калюжный, 1998;Савельева и др., 1999; Тян и др.,1999). Эти вещества в окислительных условиях полимеризуются в трудноразлагаемые макромолекулы, что усложняет их разложение, а аэробная деградация приводит к образованию ряда токсических промежуточных продуктов.

Эти исследования проводятся на консорциумах, выделенных из мезофильного и термофильного илов. Получено стабильное метаногенное сообщество,способное потреблять 2-АВА(2-аминобензойная кислота) с высокой скоростью. В качестве промежуточных продуктов образуются бензоат, ацетат и СО₂. Предполагается, что эта культура является первичным анаэробным деструктором 2-АВА в выделенном из мезофильного ила стабильном метаногенном сообществе (Савельева и др., 1999).