Особенности метаболизма микроорганизмов, используемые при биодеградации

Константиновна, к.б.н., доцент
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное

образовательное учреждение
высшего образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии

токсичность

Конструирование микроорганизмов и решение проблем экологии

различных ксенобиотиков, которые в значительной степени устойчивы и тем самым

загрязняют окружающую среду

Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений адаптационный период микроорганизмов к данному субстрату значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения.
Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам

Таким образом, деградация ксенобиотиков микроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы
Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде.

Введение

и свойств самого соединения, физико-химичес­ких условий среды и ее биокаталитического

потенциала, определяемого микробным пейзажем.
Поиск микроорганизмов-деструкторов:
1) выделение микробных изолятов из длительное время загрязняемых сред
2) проверка генетического закрепления деградирующей способности
3) оценка степени и сроков деструкции загрязнителя
4) проверка штаммов микроорганизмов-деструкторов на безопасность для теплокровных животных
5) депонирование штаммов в Международной коллекции промышленных микроорганизмов и патентование

трансгликозилирование);
алкилирование (метилирование);
реакции переноса ацильных групп (включая гидролиз, при котором ацильные

остатки переносятся на воду);
реакции галогенирования;
реакции переноса нуклеотидных остатков;
реакции изомеризации.

превращение сложного вещества в простое

Кометаболизм – процесс деструкции микроорганизмами, который

протекает сопряженно с использованием ими другого соединения, являющегося источником энергии

организма химические вещества. Ксенобиотики не являются естественными метаболитами живых организмов,

не обязательно ядовиты. Однако в большинстве случаев могут вызывать различные токсические или аллергические реакции, изменения наследственности, снижение иммунитета

Примеры ксенобиотиков:
свободные металлы (кадмий, свинец, ртуть )
фреоны
нефтепродукты
Пластмассы (полиэтилен, пластик)
полициклические и галогенированные ароматические углеводороды

Многие вещества, например ксилол, стирол, толуол, ацетон, бензол, пары бензина или нефть - могут быть отнесены к ксенобиотикам, если будут обнаружены в окружающей среде в неестественно высоких концентрациях, связанных с промышленным производством.

Ксенобиотики

1 до 3) или с боковой цепи (при R>3)
Сложных ароматических

и гетероциклических соединений (красителей, фармпрепаратов) с разрыва индольного кольца
Гетероциклические соединения сначала окисляются, а потом происходит разрыв кольца (легче разрушаются азот- и кислородсодержащие гетероциклические соединения, чем серосодержащие вещества)
Полимерные соединения за счет разрастания грибов на микротрещинах и последующего воздействия их фрментов и кислот (повышенной устойчивостью обладают полиэтилен, полипропилен, полистирол, жесткий поливинилхлорид, полиамид, полимерные смолы)

© http://www.goinggreensolutions.com.au/wp/wp-content/uploads/2013/08/biodegradable1.jpg

разрушающиеся в окружающей среде под влиянием как абиотических, так и

биотических факторов. К ним относятся веще­ства биологического происхождения и некоторые органические соединения небиологического генезиса (n-алканы нефти, спир­ты, альдегиды и т. д.)
2. Персистентные ксенобиотики - очень устойчивые соединения, разлагающиеся крайне медленно. Среди этой группы соединений наибольшую известность получили хлорорганические пестициды, в частности ДДТ
3. Рекальцитранные ксенобиотики - соединения, кото­рые практически не разлагаются, либо вообще в принципе не могут разлагаться. К ним, в первую очередь, относятся тяжелые металлы и радионуклиды с большим периодом полураспада

более эффективны, чем отдельно взятые виды.
Наиболее активно разрушают ксенобиотики

бактерии и грибы, выделенные из почвы и воды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений.
Участвуют в разрушении ксенобиотиков
Бактерии : Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alkaligenes, Acinetobakter, метанобразующие и нитрифицирующие бактерии, а из грамположительных — представителей родов Arthrobakter, Nokardia, Rhodococcus, Bacilus. Некоторые виды нитрат- и сульфатредуцирующих бактерий, а также метаногенные археи
Грибы: Phanerochaete (возбудители «белой гнили»),Penicillum, Trichoderma, Fusarium

Удаление ксенобиотиков

концентрирования металлов в виде биомассы этих микроорганизмов.
Известно, например, что

ионы калия могут накапливаться в бактериальной клетке в концентрациях до 0,2М при содержании их в среде 0,00001М.
Многие микроорганизмы способны метилировать ртуть, превращая ее в летучие производные (диметилртуть), очищая при этом от ртути окружающую среду. В летучие формы переходят также мышьяк, селен, теллур.

Удаление ксенобиотиков

представляют собой производные циклопентанпергидрофенантрена и широко распространены в природе.
На их

основе производится большое количество разнообразных лекарственных препаратов.

исключительно в 6-окси производное 17-оксипрогестерона (2)

Биотрансформация стероидов

называемое «вещество S Рейхштейна», которое является, в свою очередь, продуктом

модификации моноацетата «вещества R» с помощью культуры Corynebacterium mediolanum

Биотрансформация стероидов

каких-либо побочных продуктов. Сорбоза далее используется в химическом синтезе аскорбиновой

кислоты

последующим присоединением воды по образовавшейся двойной связи, окислением спиртовой группы

до карбонильной и отщеплением двухуглеродного фрагмента в виде ацетил-СоА. Такой процесс продолжается до полного расщепления углеводородного радикала.
При наличии разветвлений в углеводородной цепи механизм несколько меняется, но принципиально остается тем же.

сульфонатов моноалкилдифениловых эфиров (LADPEDS) α-протеобактерией











LAS – компоненты бытовых моющих средств.
LADPEDS

– промышленные ПАВ

разлива нефти.
Первой стадией деградации ароматических соединений является их окисление

– введение в ароматическую сруктуры одной или двух гидроксильных групп.
Эти реакции катализируют ферменты, относящиеся к группе оксигеназ: моно- или диоксигеназы соответственно.
Структуры полициклических ароматических углеводородов, наиболее трудно разрушаемых микроорганизмами:

углеводородов

деструкции одного из циклов.
Окисленные продукты (кислоты) ослабляют ароматичность системы,

так что далее она подвергается дальнейшему окислению, и в итоге происходит постепенная минерализация субстрата.

являются наиболее токсичными:












Во всех случаях их деструкции происходит замена атома

галогена на гидроксил.

Альдрин

Дильдрин

– подготовка исходного соединения к дегалогени-рованию – образование тиоэфира дихлорбензойной

кислоты с СоА
Вторая стадия процесса – восстановительное дегалогенирование тиоэфира с NADPH в качестве восстановителя. Удаление второго хлора протекает по гидролитическому пути

Деградация галогенорганических соединений

как единственном источнике углерода.
Часть генов, кодирующих ферменты деградации карбарила,

содержится в плазмидах.
Удаление плазмиды pRC1 приводит к утрате способности расщеплять карбарил до 1-нафтола; плазмида pRC2 контролирует окисление нафтола до гентизиновой кислоты.
Дальнейшая деградация происходит с участием хромосомных генов.

как аэробно, так и анаэробно с образованием разнообразных продуктов, включая

амино-, гидроксиламинопроизводные, бензол, толуол и пр.

устранения загрязнений окружающей среды.
В частности, сконструированы штаммы бактерий, которые

являются своеобразными индикаторами мутагенной активности химических загрязнителей.
С другой стороны, генно-инженерным способом сконструированы штаммы бактерий, которые содержат плазмиды, под контролем которых происходит синтез ферментов, способных разрушать многие химические соединения-загрязнители среды обитания. В частности, некоторые плазмидосодержащие бактерии способны разлагать до безвредных соединений нефть и нефтепродукты, оказавшиеся в среде в результате различных аварий или других неблагоприятных причин.

Конструирование микроорганизмов

применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды

Для извлечения металлов из сточных вод широко использоваться штаммы Citrobacter, Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт
Штаммы Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды:
OCT расщепление октана, гексана, декана
XYL – ксилола и толуола;
CAM – камфары
NAH – нафталина.
CAM и NAH сами способствуют своему переносу
Получен «супер­штамм», несущий плазмиды XYL и NAH и гибридную плазмиду, содержащую части плазмид OCT и CAM

и биоремедиации загрязненных территорий:
исследование субстратной специфичности штаммов микроорганизмов, выделенных из

природных источников;
расшифровка биохимических путей деградации поллютантов;
усиление метаболического потенциала путем:
сосредоточения в одном штамме-хозяине генов, кодирующих разные ферменты биодеградации с целью придания новому штамму способности более полно разрушать ксенобиотики в окружающей среде;
сосредоточения в одном штамме ферментов систем деградации и продукции биосурфактантов, способствующих переходу малорастворимых органических поллютантов (полициклических ароматических соединений) в раствор;
повышения способности микробных клеток к захвату и транспорту поллютантов во внутреннее пространство клетки;

Генная инженерия для экологии

введения в клетки генов цис-транс изомеризации непредельных жирных кислот (повышение

жесткости мембраны);
введение генов транспортных белков для усиления активного транспорта гидрофобных поллютантов в клетку;
исследование и использование системы хемотаксиса микробных клеток к субстрату (движение клеток против градиента концентрации субстрата);
повышение устойчивости штаммов-биодеградаторов к радиации (Deinococcus radiodurans – как основа для конструирования устойчивых к радиации биодеградаторов);
использование психрофильных микроорганизмов в качестве биодеградаторов;
применение методов молекулярной эволюции для оптимизации свойств штаммов-биодеградаторов.

Генная инженерия для экологии

поллютанты самой различной природы.

Остается невыясненным, как возникают ферментные системы, способные

разрушать столь чужеродные соединения.

Создается впечатление, что микроорганизмы могут сами выступать в качестве «дизайнеров биокатализаторов».

В то же время, успехи генной и белковой инженерии позволяют помочь микроорганизмам быстрее осуществлять этот дизайн, так что речь идет о конструировании микроорганизмов для решения задач биоремедиации.