Реферат: Анаэробные сообщества микроорганизмов, разрушающих ароматические ксенобиотики

Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова

 

Биологический факультетКафедра микробиологииРеферат

Анаэробные сообщества микроорганизмов, разрушающихароматические ксенобиотики.

                                             

                                      Выполниластудентка  4-го курса

              каф. микробиологии

                                       Линькова Юлия

                                        Руководительсеминара: 

                                       А.И.Нетрусов

Москва

2002

Содержание.

 

1.Введение                                                                             3

2.Биодеградация                                                                    3

3.Аэробный и анаэробный метаболизмароматических

соединений                                                                             5

3.1.Ароматическиесубстраты и пути их разрушения

в анаэробныхусловиях                                                         6                                                    

4.Синтрофные ассоциации иконсорциумы,

 разлагающие аминоароматическиевещества.                    7

5.Технологическийаспект                                                    11

6.Заключение                                                                        12

7.Списокиспользованной литературы                                13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.

С развитием химическойпромышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков, которые в значительной степени загрязняют окружающую среду.  Известно, чтосоединения, вносимые человеком  в окружающую среду  в последнее время(инсектициды, гербициды, детергенты и другие ксенобиотики) помимо того, чтоочень токсичны, ещё и устойчивы в среде (что представляет опасность длячеловека и  животных).В настоящее время нагрузка на естественные процессысамоочищения биосферы является избыточной, и параллельно с деструкциейзагрязнений идёт их постепенное накопление в окружающей среде. Деградация ксенобиотиковмикроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы.

2.Биодеградация.

Биоразрушение (биодеградация) – это преобразованиесложных веществ с помощью биологической активности. Это широкое понятиевключает три

более узких процесса: 1) трансформацию, или незначительные изменениямолекулы; 2) фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простыесоединения и 3) минерализацию, или превращение сложного вещества в самыепростые (Н2О, СО2, Н2, NH3,CH4 и т.д.). Основными биологическими агентами,осуществляющими биоразрушения, являются микроорганизмы, обладающие огромнымразнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма. Именно ониспособны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самымвозвращая основные питательные элементы в глобальные циклы и предотвращаянакопление «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 иГрам-положительных аэробных и анаэробных организмов. Из наиболее важныхаэробных Грам-отрицательных бактерий следует отметить виды родов Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter,Flavobacterium, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии, а изГрам-положительных – представителей родовArthrobacter,Nocardia, Rhodococcus иBacillus.     

                                                                                                                                                                 

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

 Особую актуальность разрушающая способность микроорганизмовприобрела в последние десятилетия в связи с увеличивающимся присутствием вбиосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхождения, причем нередков масштабах, превышающих природную самоочищающую способность. Дело в том, чточеловеку удалось создать такие соединения, которые не разрушаются в природе вобычных условиях. Эторазличные синтетические полимеры, красители, пестициды, фармацевтическиепрепараты, моющие средства и т.д. Эти чужеродные вещества (ксенобиотики)имеют уникальную биологическую активность уже на уровне микропримесей. Вшироком смысле к ксенобиотикам могут быть отнесены и вещества природногопроисхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственныеим места (например, нефть). Большинство таких соединений обладает значительнойстабильностью, и для их полного разложения при обычных условиях требуютсястолетия. Происходит непрерывный перенос этих веществ по пищевым цепям и ихнакопление на конечных этапах, к которым относится и человек. Огромное числоксенобиотиков чрезвычайно токсично и проявляет мутагенную, канцерогенную, аллергеннуюи тератогенную активности. Однако понятно, что человечество не может полностьюотказаться от использования таких веществ, так как они применяются практическиво всех областях деятельности. Поэтому на первый план выходит использованиебиоразрушающей способности микроорганизмов для очистки окружающей среды отантропогенных загрязнителей.

3.Аэробный ианаэробный метаболизм ароматических соединений.

Существует два типа метаболизма ароматических субстратов, аэробный ианаэробный. Аэробная деградация простых ароматических соединенийинициируется введением в молекулу одной или двух гидроксильных групп поддействием моно- или диоксигеназ. Далее катехол подвергается орто- или мета-расщеплениюароматического кольца с образованием соответствующих производных муконовойкислоты. Эти неароматические продукты дальше окисляются с использованиемреакций общих метаболических путей до воды и углекислоты. Если на бензольномкольце имеются заместители, то они могут преобразовываться и отщепляться какдо, так и после раскрытия кольца. Разложение ароматических кислот можетначинаться с неокислительного декарбоксилирования, приводящего к образованиюфенолов, которые затем окисляются в линейные непредельные дикарбоновые кислоты(Elder,1994;Heider,1997).Основными микроорганизмами,разрушающими в аэробных условиях простые ароматические соединения, являютсяпредставители родов Pseudomonas, Alcaligenes,Bacillus игрибы рода Aspergillus, широко распространенныев почвенных и водных экосистемах.

В анаэробных условиях, при отсутствии такого окислителя каккислород, разрушение ароматических веществ происходит более сложно, вмногоэтапном процессе при участии различных ферментов. Микроорганизмыспособны использовать широкий набор ароматических субстратов в нитрат-,сульфат-, железо- и карбонат-восстанавливающих условиях. Основными этапамипроцесса биодеградации являются активирование бензольного кольца, его разрыв иобразование С1 — и С2-соединений. Активирование кольцаможет быть результатом реакций карбоксилирования, анаэробного гидроксилированияи образования КоА-тиоэфиров ароматических кислот. В последней реакции участвуют растворимые, неспецифичные,индуцибельные КоА-лигазы или КоА-трансферазы. Центральным интермедиатомпроцесса биодеградации ароматических соединений является бензоил-КоА, которыйподвергается серии последовательных восстановлений под действиембензоил-КоА-редуктазы и гидролитическому расщеплению образовавшегосяпроизводного циклогексана. Первым неароматическимпродуктом является пимелил-КоА. Далее происходит ряд окислений идекарбоксилирование глутаконил-КоА с образованием в конечном счете ацетил-КоА(Heider,1997; Kleerebezem,1999;Lochmeyer,1992).Лишь немногие микроорганизмы, способные к биодеструкцииароматических соединений, выделены в виде чистых культур. Это Pseudomonas sp., Thauera aromatica, T. chlorobenzoica,Desulfobacterium anilini, Azoarcus evansii, Magnetospirillum sp.,Delftia acidovorans, Rhodopseudomonas palustris, Syntrophusgentinae иS. buswellii. Значительно больше сведений о биодеградации таких соединенийанаэробными микробными сообществами. В метаногенных условиях конечные стадиибиодеструкции представлены археями родовMethanobacterium, Methanospirillum,Methanosarcina, Methanosaeta.

Биодеструкция поверхностно-активных веществтипа алкилбензолсульфонатов, имеющих в алкильной цепи от одного до трех атомовуглерода, начинается с сульфонатной группы, а у соединений с бóльшимчислом атомов – с боковой цепи. В аэробных условиях такие соединенияразлагаются бактериями и грибами, способными к деструкции ароматическихсоединений. В отсутствие кислорода разрыв C-S-связисульфоароматических соединений могут проводить бактерии с бродильным типомметаболизма. Процессы анаэробной деградации алкилбензолсульфонатов эффективнейидут в сообществе, содержащем микроорганизмы родов Clostridium,Desulfovibrio,Methanobacterium, Methanosarcina.

 

3.1.Ароматическиесубстраты и пути их разрушения в анаэробных условиях.

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

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

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

 

 

 

4.Синтрофные ассоциации иконсорциумы, разлагающие аминоароматические вещества.

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

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

 

Примеромконсорциума может служить  “Methanobacillus  omelanskii”(2организма-партнёра, штамм SиштаммМ.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=-112кДж/1 моль CH4

 

              В данном случае 2 штаммакооперируются для превращения этанола в ацетат и                

              метан, при этом происходитмежвидовой перенос водорода. Штамм S не может         

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

             при стандартных условиях эндотермична.Такимобразом, ни один из партнёров не    

             может расти самостоятельно на этаноле, идеградация этилового спирта зависит от  

             кооперации двух штаммов(Schink,1997).

/>

Рис.1. Общаясхема потока углерода и электронов  в трофических связях микроорганизмов,участвующих в метаногенной деградации органических веществ в анаэробныхусловиях.

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

              Данная схема применима и канаэробным сообществам микроорганизмов,         

              разлагающихаминоароматические субстраты.

Разделение метаболических функций и ихраспределение среди метаболически разных микроорганизмов является компенсациейотсутствия эффективных механизмов деградации  в аэробных условиях.Метаболические взаимодействия кооперированных сообществ зависят от переносаметаболитов между партнёрами. Поток Н2 обратно пропорционаленрасстоянию между водородобразующими бактериями и водородпотребляющимиметаногенами. Оптимальная скорость переноса метаболитов достигается в случаетесного контакта партнёров: непосредственного соседства, образования агрегатовили “флокков”. Подобные флоккиобразуются, например, у бактерий, разлагающих жирные кислоты.Образование такихструктур требует времени (иногда даже месяцев)(Schink,1997).

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

Эти исследования проводятся наконсорциумах, выделенных из мезофильного  и термофильного илов.  Полученостабильное метаногенное сообщество, способное потреблять 2-АВА(2-аминобензойнаякислота)  с высокой скоростью. В качестве промежуточных продуктов образуютсябензоат, ацетат и СО2. Предполагается, что эта культура являетсяпервичным анаэробным деструктором 2-АВА в выделенном из мезофильного иластабильном метаногенном сообществе (Савельева и др., 1999).

Из того же мезофильного ила полученостабильное анаэробное сообщество, способное разлагать 4-АВА  собразованием метана. Промежуточные продукты деградации те же, что и в случаеанаэробного разложения 2-АВА. Из этого консорциума выделена чистая культурапервичного деструктора 4-АВА (Савельева и др.,1999). В настоящее время ведутсяработы по получению стабильной накопительной  культуры и выделению из неёчистой культуры микрорганизмов, разрушающих 5-ASA(5-амносалициловой кислоты) и 3-АВА в термофильных условиях.

Из стабильного консорциума были полученыкультуры факультативных анаэробов, окисляющих 5-ASA и салициловую кислотыв анаэробных условиях с образованием пропионата, ацетата, СО2,иногда бутирата и водорода. Считается, что во всех этих сообществах первичнымдеструктором является 1 и тот же микроорганизм (Савельева и др., 1999; Тян идр., 1999).

Подобные взаимоотношения были описаны в статье N.C.G.Tan (Tan et al.,1999) для анаэробногогранулированного ила, разлагающего азокрасители.В процессе деградацииазосоединений  происходит восстановление азо-связи с образованием различныхароматических соединений (в т.ч. и с аминозаместителями).Данный консорциумиспользует другую стратегию деградации субстрата (в 2 этапа). Первыйэтап, анаэробный, восстановление  азо-красителей до ароматических аминов,второй, аэробный, дальнейший распад ароматических соединений. Второй этапосуществляется аэротолерантными микроорганизмами, которые обитают на перифериианаэробного биотопа. Интеграция аэробных и анаэробных условий  являетсяблагоприятной для биоминерализации азотсодержащих ксенобиотиков(Tan. etal.,1999).

Метаногенные консорциумы участвуюттакже в деградации такого соединения, как толуол. В состав такогосообщества входят представители царств Бактерий и Архей. Филогенетическийанализ доминирующих организмов показал, что в состав данного консорциума входятдва вида архей, относящихся к родам Methanosaeta, Methanospirillum, а также один из видов рода Desulfotomaculum.Остальныепредставители сообщества не были определены, но их вклад в общий метаболизмвесьма важен, т.к. при отсутствии  какого-либо компонента в сообществеизменяется количественный и качественный состав ( Ficker еt al.,1999).

Помимо этого, существуют сообществамикроорганизмов, состав которых ещё полностью не известен, но есть данные об ихспособности  разлагать ароматические субстраты. На электронных микрофотографияхпредставителей таких сообществ видно тесное соседство крупных и мелких клеток.Они принадлежат разным организмам, но их расположение свидетельствует об ихвозможной связи через метаболизм. Обычно эти микроорганизмы трудно выделяются в чистые культуры (Ficker еtal.,1999).

Описанакультура микроорганизмов, осуществляющую деградацию о-фталата(Kleerbezem,1999). В культуреприсутствовали 2 основных типа микроорганизмов: короткие толстые палочки ималенькие палочки. Толстые ответственны за ферментацию. Маленькие палочки располагались очень близко к толстым и, возможно, являлись метаногенами,потребляющими водород (Methanobacterium).Иногда обнаруживаются споровые палочки, которые, скорее всего, выполняют рольдеструкторов (первые стадии деградации). Идентификация до чистых культур непроизводилась (Kleerbezem et al.,1999).

Щербаковой В.А.   было исследованосообщество, выделенноез полупромышленного UASB-реактора.Вразрушении бензолсульфоната и п-толуолсульфоната(ТС) принимаютучастие 9-10 микроорганизмов, 5 из которых удалось выделить в чистыекультуры.Чтобы определить ключевые группы микроорганизмов, участвующие вразрушении ТС до метана, было изучено изменение микробной популяции во времяпроцесса.В первые сутки роста основную часть популяции составлялспорообразующий организм штамм 14 (68.5 %). Во вторые сутки его численностьуменьшилась, однако в сообществе преобладали клостридиальные штаммы (80.5%). Вдальнейшем наблюдалось увеличение численности штамма SS(спорообразующийорганизм).С третьих суток наблюдалось активное спорообразование уклостридиальных штаммов, начинался рост численности у метанобразующихмикроорганизмов, и к концу первой недели их суммарная численность составлялаоколо 60 % общей популяции.Скачок в потреблении п-толуолсульфоната можносоотнести с ростом численности штамма SSв популяции микробов на третьи сутки процесса.  Во время развития сообществапроисходило, наряду с образованием метана,  накопление летучих жирных кислот.Содержание ацетата в культуральной жидкости было на порядок выше, чемконцентрация других. Так, на начальных этапах n-толуолсульфонат  используется бактериями рода Clostridium как источник углерода и серы, бактериями рода Desulfovibrio  как акцептор электронов.А сразу послепоявления ацетата толуолсульфонат используется метаносарциной в качествестимулирующей органической  добавки.Толуол является промежуточнымпродуктом деградации толуолсульфоната.Другим важным интермедиатом процессаявляется изобутират. Кроме выделенного в чистую культуру Methanobacteriumformicicum  штамм МН,  образующегометан из СО2 и Н2, важную роль в исследуемом сообществеиграет другой метаноген рода Methanospirillum.Этонаиболее распространённые партнёры в синтрофных организациях, способные растипри низких парциальных давлениях водорода(Щербакова,2000).

Чтобыграмотно использовать процессы анаэробной деградации в биотехнологическихцелях, необходимо понимать внутренние взаимосвязи в сообществе.

5.Технологический аспект.

Внастоящее время исследования по биодеградации загрязнений учитываются приразработке  различных очистных сооружений. При этом используются разнообразныетехнологические схемы биореакторов для очистки водоёмов, атмосферы, почв (Deriell et al.,1999).

Биореакторы- это модели биологических систем. Изначально в них использовались естественносложившиеся консорциумы микроорганизмов, которые потребляли субстрат и выдавалипродукт, без учёта видового состава и взаимодействий между различными видамимикроорганизмов внутри консорциума.

Внекоторых случаях процесс деградации происходит более эффективно, если вслед заанаэробной фазой следует анаэробная, в которой могут участвовать, к примеру,аэротолерантные микроорганизмы(O’Neill et al.,2000).В этой статье  описан UASB(Upflow AnaerobicSludge Blanket)—реактор, используемый для деградацииазо-красителей. В процессе  культивирования и накопления определённых продуктовмикроорганизмами изучаемого ила чередовались анаэробные и аэробные стадии (O’Neill et al.,2000).

Вработах по изучению биодеградации аминобензойной или аминосалициловой кислот вбиореакторах основным “рабочим элементом”являлся мезофильный  или термофильный ил очистных сооружений, адаптированный копределённому субстрату (Kalyuzhnyi et al.,1998).

Внастоящее время ведутся активные исследования в направлении изучения  составаразличных синтрофных ассоциаций, деградирующих конкретный субстраты, иувеличения эффективности процесса.

6.Заключение.

Аминоароматические ксенобиотики—трудноразлагаемые макромолекулы, обладающие свойствомнакапливаться в экологических нишах. О микробных сообществах, ихразрушающих, известно сравнитедьно немного, особенно о функциях компонентов,связи их между собой, таксономической принадлежности микроорганизмов.Анаэробные микроорганизмы являются первичными деструкторами гетероциклических иароматических соединений. Перерабатывая сложные субстраты, они образуютпродукты, потребляемые синтрофными микроорганизмами. На конечных этапахдеградации субстратов важную роль  в синтрофных консорциумах играютсульфатредукторы, метаногены и ацетогены.Они потребляют одно- и двухуглеродныесубстраты и водород, выделяя конечные продукты, таким образом участвуя ввозвращении углерода и других компонентов аминоароматических субстратов вкруговорот веществ в биосфере.

7.Список использованной  литературы.

1.    СавельеваО.В., Котова И.Б., Нетрусов А.И.,2000.Сборник трудовнаучной конференции “Проблемы экологии и физиологиимикроорганизмов”.МГУ, Диалог, 2000.

2.    Тян А.Т., Брюханов А.Л., Котова И.Б., Нетрусов А.И.2000. Сборниктрудов научной конференции “Проблемы экологии ифизиологии микроорганизмов”.МГУ, Диалог, 2000.

3.    ЩербаковаВ.А.Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. биол. наук.Пущино, 2000.

4.    ШлегельГ.Общая микробиология.М., Мир,1987.

5.    Elder D.J.E.,D.J.Kelly.The bacterial degradation of benzoic andbenzenoid compounds under anaerobic conditions: Unifying trends and newperspectives.Microbiology Reviews,1994,vol.13,p.441-468

6.    Deriel E.,Comeau J.,Villemur R. Two-luquid-phase bioreactors forenchanced degradation of hydrophobic/toxiccompounds.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 andEnvironmental 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. Methanogenicbiodegradation of selected aminobenzoates.INTAS—1999—1809.

10.  KleerebezemR.,Look W.Hulshoff Pol, Gatze Lettinga. Anaerobic degradation of phthalateisomers by methanogenic consortia.Applied and evironmentalmicrobiology,1999,vol.65,№ 3,p.1152-1160.

11.  KleerebezemR.,Look W.Hulshoff Pol, Gatze Lettinga. The role of benzoate in anaerobicdegradation of terephthalate. Applied and evironmentalmicrobiology,1999,vol.65,№ 3,p.1161-1167.

12.  LochmeyerC.,Koch J.,Fuchs G. Anaerobic degradation of 2-aminobenzoic acid ( anthranilicacid) via benzoyl-coenzym A and cyclohex-1-encarboxyl-CoA in a denitrifyingbacterium.J. Bacteriol,1992,vol.174,p.3621-3628.

13.  O’NeillC.,Lopes A.,Esteves S., Haw Kes F.R.,Hawkes D.L.,Willox S. Azo-dye degradationin an anaerobic-aerobic  treatment system opeating on simulated textileeffluent. Appl Microbial Biotechnol,2000,vol.53,p.249-254.

14.  Schink B.Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation.Microbiologyand 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 ofazo-dyes  in cocultures of anaerobic granular sluge with aerobic aromatic aminedegrading enrichment cultures.Appl Microbial Biotechnol,1999,vol.51,p.865-871.

еще рефераты
Еще работы по биологии