Особенности метаболизма микроорганизмов, используемые при биодеградации презентация

Особенности метаболизма микроорганизмов, используемые при биодеградации Лекция 15 Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

План лекции: Биодеградация: стадия и пути преобразования Ксенобиотики и свойства, определяющие их токсичность Конструирование микроорганизмов и решение проблем экологии

Введение

Введение С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков, которые в значительной степени устойчивы и тем самым загрязняют окружающую среду

Биодеградация

Биодеградация Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязан­ных факторов: структуры 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

Основные процессы биодеградации окислительно-восстановительные реакции; реакции декарбоксилирования; реакции дезаминирования; реакции с углеводными субстратами (гликозилирование, трансгликозилирование); алкилирование (метилирование); реакции переноса ацильных групп (включая гидролиз, при котором ацильные остатки переносятся на воду); реакции галогенирования; реакции переноса нуклеотидных остатков; реакции изомеризации.

Пути биодеградации

Стадии биодеградации Трансформация молекулы Фрагментация (разложение) молекулы на простые соединения Минерализация или превращение сложного вещества в простое Кометаболизм – процесс деструкции микроорганизмами, который протекает сопряженно с использованием ими другого соединения, являющегося источником энергии

Ксенобиотики Ксенобиотики (от греч. ξενος — чужой + βιος — жизнь) — чужеродные для 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.

Биодеградация ксенобиотиков Биодеградация ПАВ начинается с сульфонатной группы (если R от 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)

Классификация ксенобиотиков по способности к биодеградации 1. Биодеградабельные токсиканты, относительно легко 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

Удаление ксенобиотиков Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они 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 Способность микроорганизмов селективно связывать определенные ионы, может быть использована для 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.

Биотрансформация стероидов Одним из примеров микробной трансформации является трансформация стероидных соединений. Стероиды представляют собой производные циклопентанпергидрофенантрена и широко распространены в природе. На их основе производится большое количество разнообразных лекарственных препаратов.

Биотрансформация стероидов Схема превращений стероидов грибом Botrytis cinerea 17-оксипрогестерон (1) удается превратить исключительно в 6-окси производное 17-оксипрогестерона (2)

Биотрансформация стероидов В синтезе гидрокортизона, кортизона и преднизолона ключевым соединением является так называемое «вещество S Рейхштейна», которое является, в свою очередь, продуктом модификации моноацетата «вещества R» с помощью культуры Corynebacterium mediolanum

Биотрансформация стероидов

Биотрансформация углеводов Acetobacter suboxidans окисляет D-сорбит в L-сорбозу весьма специфично, без каких-либо побочных продуктов. Сорбоза далее используется в химическом синтезе аскорбиновой кислоты

Биотрансформация углеводородов Алифатические соединения трансформируются путем окисления концевых групп дегидрогеназами с 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.

Биотрансформация ПАВ Схема деградации сурфактантов на основе линейных алкилбензолсуль-фонатов (LAS) и сульфонатов моноалкилдифениловых эфиров (LADPEDS) α-протеобактерией LAS – компоненты бытовых моющих средств. LADPEDS – промышленные ПАВ

Биодеградация полициклических ароматических углеводородов Такие соединения чаще всего встречаются в местах 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:

Биодеградация полициклических ароматических углеводородов

Биодеградация пирена

Биодеградация бензапирена Видно, что во всех вариантах процесс начинается с окислительной деструкции одного из циклов. Окисленные продукты (кислоты) ослабляют ароматичность системы, так что далее она подвергается дальнейшему окислению, и в итоге происходит постепенная минерализация субстрата.

Деградация галогенорганических соединений Такие соединения наиболее часто встречаются среди пестицидов и являются наиболее токсичными: Во всех случаях их деструкции происходит замена атома галогена на гидроксил.

Примеры инсектицидов и сроки их биоразложения

Деградация галогенорганических соединений Дегалогенирование хлорароматических соединений на примере дихлорбензойной кислоты Первая стадия процесса – 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

Биодеградация инсектицида карбарила Бактерия из рода Arthrobacter, способная расти на карбариле, 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.

Биодеградация нитросоединений Многие микроорганизмы способны утилизировать взрывчатые вещества на основе тринитротолуола как аэробно, так и анаэробно с образованием разнообразных продуктов, включая амино-, гидроксиламинопроизводные, бензол, толуол и пр.

Конструирование микроорганизмов Генетическая инженерия нашла также применение в разработке способов определения и 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.

Генная инженерия для экологии Бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом 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

Генная инженерия для экологии

Генная инженерия для экологии Основные направления конструирования эффективных штаммов для решения задач биодеградации поллютатнов 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 Модификация свойств микроорганизмов–биодеградаторов: повышение устойчивости клеток к органическим растворителям за счет 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.

Заключение Таким образом, метаболический потенциал микроорганизмов позволяет удалять из окружающей среды 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.