Анаэробные сообщества микроорганизмов, разрушающих ароматические ксенобиотики

Анаэробные сообщества микроорганизмов, разрушающих ароматические ксенобиотики

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).

Из того же мезофильного ила получено стабильное анаэробное сообщество, способное разлагать 4-АВА  с образованием метана. Промежуточные продукты деградации те же, что и в случае анаэробного разложения 2-АВА. Из этого консорциума выделена чистая культура первичного деструктора 4-АВА (Савельева и др.,1999). В настоящее время ведутся работы по получению стабильной накопительной  культуры и выделению из неё чистой культуры микрорганизмов, разрушающих 5-ASA(5-амносалициловой кислоты) и 3-АВА в термофильных условиях.

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

Подобные взаимоотношения были описаны в статье N.C.G.Tan (Tan et al.,1999) для анаэробного гранулированного ила, разлагающего азокрасители.В процессе деградации азосоединений  происходит восстановление азо-связи с образованием различных ароматических соединений (в т.ч. и с аминозаместителями).Данный консорциум использует другую стратегию деградации субстрата (в 2 этапа). Первый этап,анаэробный,восстановление  азо-красителей до ароматических аминов, второй,аэробный,дальнейший распад ароматических соединений. Второй этап осуществляется аэротолерантными микроорганизмами, которые обитают на периферии анаэробного биотопа. Интеграция аэробных и анаэробных условий  является благоприятной для биоминерализации азотсодержащих ксенобиотиков(Tan. et al.,1999).

Метаногенные консорциумы участвуют также в деградации такого соединения,как толуол. В состав такого сообщества входят представители царств Бактерий и Архей. Филогенетический анализ доминирующих организмов показал, что в состав данного консорциума входят два вида архей, относящихся к родам Methanosaeta, Methanospirillum,а также один из видов рода Desulfotomaculum.Остальные представители сообщества не были определены, но их вклад в общий метаболизм весьма важен, т.к. при отсутствии  какого-либо компонента в сообществе изменяется количественный и качественный состав ( Ficker еt al.,1999).

Помимо этого, существуют сообщества микроорганизмов, состав которых ещё полностью не известен, но есть данные об их способности  разлагать ароматические субстраты. На электронных микрофотографиях представителей таких сообществ видно тесное соседство крупных и мелких клеток. Они принадлежат разным организмам, но их расположение свидетельствует об их возможной связи через метаболизм. Обычно эти микроорганизмы трудно выделяются  в чистые культуры (Ficker еt al.,1999).

Описана культура микроорганизмов, осуществляющую деградацию о-фталата(Kleerbezem,1999). В культуре присутствовали 2 основных типа микроорганизмов: короткие толстые палочки и маленькие 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 роль деструкторов (первые стадии деградации). Идентификация до чистых культур не производилась (Kleerbezem et al.,1999).

Щербаковой В.А.   было исследовано сообщество,выделенноез полупромышленного UASB-реактора.В разрушении бензолсульфоната и п-толуолсульфоната(ТС) принимают участие 9-10 микроорганизмов, 5 из которых удалось выделить в чистые культуры.Чтобы определить ключевые группы микроорганизмов,участвующие в разрушении ТС до метана, было изучено изменение микробной популяции во время процесса.В первые сутки роста основную часть популяции составлял спорообразующий организм штамм 14 (68.5 %). Во вторые сутки его численность уменьшилась, однако в сообществе преобладали клостридиальные штаммы (80.5%). В дальнейшем наблюдалось увеличение численности штамма SS(спорообразующий организм).С третьих суток наблюдалось активное спорообразование у клостридиальных штаммов, начинался рост численности у метанобразующих микроорганизмов,и к концу первой недели их суммарная численность составляла около 60 % общей популяции.Скачок в потреблении п-толуолсульфоната можно соотнести с ростом численности штамма SS в популяции микробов на третьи сутки процесса.  Во время развития сообщества происходило, наряду с образованием метана,  накопление летучих жирных кислот. Содержание ацетата в культуральной жидкости было на порядок выше, чем концентрация других. Так, на начальных этапах n- толуолсульфонат  используется бактериями рода Clostridium как источник углерода и серы,бактериями рода Desulfovibrio  как акцептор электронов.А сразу после появления ацетата толуолсульфонат используется метаносарциной в качестве стимулирующей органической  добавки.Толуол является промежуточным продуктом деградации толуолсульфоната.Другим важным интермедиатом процесса является изобутират. Кроме выделенного в чистую культуру Methanobacterium formicicum  штамм МН,  образующего метан из СО2 и Н2, важную роль в исследуемом сообществе играет другой метаноген рода Methanospirillum.Это наиболее распространённые партнёры в синтрофных организациях, способные расти при низких парциальных давлениях водорода(Щербакова,2000).

Чтобы грамотно использовать процессы анаэробной деградации в биотехнологических целях, необходимо понимать внутренние взаимосвязи в сообществе.

5.Технологический аспект.

В настоящее время исследования по биодеградации загрязнений учитываются при разработке  различных очистных сооружений. При этом используются разнообразные технологические схемы биореакторов для очистки водоёмов, атмосферы, почв (Deriell et al.,1999).

Биореакторы - это модели биологических систем. Изначально в них использовались естественно сложившиеся консорциумы микроорганизмов, которые потребляли субстрат и выдавали продукт, без учёта видового состава и взаимодействий между различными видами микроорганизмов внутри консорциума.

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

В работах по изучению биодеградации аминобензойной или аминосалициловой кислот в биореакторах основным “рабочим элементом” являлся мезофильный  или термофильный ил очистных сооружений, адаптированный к определённому субстрату (Kalyuzhnyi et al.,1998).

В настоящее время ведутся активные исследования в направлении изучения  состава различных синтрофных ассоциаций,деградирующих конкретный субстраты, и увеличения эффективности процесса.

6.Заключение.

Аминоароматические  ксенобиотики—трудноразлагаемые макромолекулы, обладающие свойством накапливаться в экологических нишах. О микробных сообществах,их разрушающих,известно сравнитедьно немного, особенно о функциях компонентов, связи их между собой, таксономической принадлежности микроорганизмов. Анаэробные микроорганизмы являются первичными деструкторами гетероциклических и ароматических соединений. Перерабатывая сложные субстраты,они образуют продукты, потребляемые синтрофными микроорганизмами. На конечных этапах деградации субстратов важную роль  в синтрофных консорциумах играют сульфатредукторы,метаногены и ацетогены.Они потребляют одно- и двухуглеродные субстраты и водород,выделяя конечные продукты,таким образом участвуя в возвращении углерода и других компонентов аминоароматических субстратов в круговорот веществ в биосфере.

7.Список использованной  литературы.

1.      Савельева О.В.,Котова И.Б.,Нетрусов А.И.,2000.Сборник трудов научной конференции “Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов”.МГУ,Диалог, 2000.

2.      Тян А.Т., Брюханов А.Л., Котова И.Б., Нетрусов А.И.2000. Сборник трудов научной конференции “Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов”.МГУ,Диалог, 2000.

3.      Щербакова В.А.Автореферат диссертации на соискание учёной степени 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 S., Haw Kes F.R.,Hawkes D.L.,Willox S. Azo-dye 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.