Микроорганизмы - продуценты биоПАВов

Микроорганизмы - продуценты биоПАВов РЕФЕРАТ по дисциплине «Основы микробиологии и биотехнологии» на тему «Микроорганизмы – продуценты биоПАВов» Содержание Введение………………………………………………………………………..…. 3 1 Разнообразие микроорганизмов - продуцентов поверхностно-активных веществ………………………………………………………………………...….. 4 2 Индекс эмульгирования…………………………………………………….….. 5 3 Эмульгирующая активность……………………………………………………6 4 Биосурфактанты: продуценты, свойства и практическое использование….. 9 4. 1 Продуценты биосурфактантов……………………………………………... 10 4. 2 C войства биосурфактантов………………………………………………..... 10 4. 3 Практическое использование биосурфактантов…………………………... 13 5 Биодеструкция нефти и нефтепродуктов…………………………………..... 15 Список использованной литературы…………………………………………... 18 Введение В настоящее время во всем мире ведется освоение ресурсов углеводородного сырья. Нефтяное загрязнение отмечается на площади всех действующих нефтяных месторождениях территории Земли. Все возрастающее нефтехимическое загрязнение создает кризисную ситуацию, поскольку в загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели, как изменение содержания и состава гумуса, резкое падание плодородия почвы, сокращение подвижных форм азота и фосфора, снижение порозности и аэрации, разрушение структуры, уменьшение доступности влаги растениям и водопроницаемости. Для решения данных проблем в последнее время применение нашли биологические методы ликвидации углеводородных загрязнений, основанные на метаболическом потенциале нефтеокисляющих микроорганизмов. В последнее время интенсивно ведутся исследования в области получения МПАВ, что тесно связано с проблемами утилизации и окисления микроорганизмами углеводородов нефти. МПАВ привлекли внимание специалистов по добыче и разработке нефти. Наиболее активные продуценты МПАВ получены из числа почвенных микроорганизмов, усваивающих углеводороды. В настоящее время известно около 10 таких штаммов, Pseudomonas aerginosa , Mycobacterium rhodochrous , Rhodococcus erythropolis , С lipolytica , Torulopsis gropengiesseri . [5] Микробные поверхностно-активные вещества по своей активности могут широко использоваться в биотехнологии, конкурируя с химическими поверхностно-активными веществами. Биодеградабельность и нетоксичность микробных поверхностно-активных веществ делает их особенно перспективными для разработки новых экологически безопасных биотехнологий. В настоящее время выяснен ряд биотехнологических закономерностей их получения, описаны биохимическая природа, а также эффективность их применения. Чрезвычайно интересным представляется анализ значения ПАВ в поверхностных явлениях, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов. углеводородов для микроорганизмов. дрожжей, бактерий и актиномицетов. Способность потреблять углеводороды довольно часто встречается у бактериальных культур, отнесенные к родам: Mycobacterium , Rhodococcus , Pseudomonas , Micrococcus и . Среди грибов и дрожжеподобных организмов способность использовать углеводороды нефти часто встречалась у представителей родов аспорогенных дрожжей как С andida , Trichosporon , Exophilia . Этим свойством обладает подавляющее большинство представителей рода Rhodotorula . групп микроорганизмов. [ 6] 2 Индекс эмульгирования показатель эмульгирующей активности, который основывается на свойстве ПАВ образовывать эмульсию при встряхивании культуральной жидкости микроорганизмов с углеводородом или нефтью. В качестве гидрофобных субстратов использовали нефть, дизельное топливо, моторное масло и вазелиновое масло. Так, представители рода Rhodotorula показали индекс эмульгирования свыше 35 %, эти же штаммы дрожжей обладали средней деструктивной активностью. Дрожжи рода С andida , Trichosporon также показали высокую нефтедеградирующую активность и соответственно индекс эмульгирования составил свыше 55%. Наиболее интересные и перспективные для применения в биотехнологии черные дрожжевые культуры рода Exophilia . Образования ПАВ зависело от субстрата и биологических свойств микроорганизмов. Культуральные жидкости дрожжей одинаково эффективно продуцировали ПАВ на таких гидрофобных субстратах как вазелиновое масло, дизельное топливо и моторное масло. Наибольшая активность наблюдалась по отношению к тому углеводороду, который хорошо использовался как субстрат. И бактериальные и дрожжевые культуры обладали высокой деструктивной активностью, и это связано, прежде всего, с окислением углеводородов, которое осуществляется микроорганизмами внутриклеточно, микробная клетка окисляет углеводороды, адсорбируясь на их поверхности, вследствие этого нефтеокисляющая активность культур зависит от его способности утилизировать углеводородный субстрат. Доступность углеводородного субстрата, возможно, обеспечивается синтезом поверхностно-активных веществ. Mycobacterium , Rhodococcus , Pseudomonas и Bacillus , Bacillus и обладали высокой способностью к эмульгированию нефти, индекс эмульгирования составили от 63 до 70%, что коррелирует с высокими значениями нефтедеструктивной активности. По данным литературы и звестно, что культуры, имеющие индекс эмульгирования больше 50 %, считаются перспективным продуцентами поверхностно-активных веществ. Наиболее низке показатели индекса эмульгирования культуральной жидкости характерны для бактерий рода , 3 Эмульгирующая активность В ответ на присутствие углеводородов в среде культивирования нефтеокисляющие микроорганизмы синтезируют поверхностно-активные вещества. Поэтому, способность к синтезу поверхностно-активных веществ у исследуемых штаммов оценивали по э мульгирующей активности культуральной жидкости. Известно, что эмульгирующая активность культуральной жидкости является важной, характеристикой штаммов как продуцента ПАВ. При выращивании бактериальных культур , Rhodococcus , Micrococcus , и Bacillus на гидрофобных субстратах (нефть, дизельное топливо, моторное масло и вазелиновое масло), было показано, что культуры проявили высокую эмульгирующую активность культуральной жидкости. По сравнению с дрожжевыми культурами у бактериальных культур выход эмульгирующих веществ происходит на 2 сутки и значения эмульгирующей активности культуральной жидкости были различные. У всех бактериальных культур значения эмульгирующей активности были в пределах 0,6 и 0,7 ед. ОП. Тогда как для всех дрожжевых культур максимальные значения эмульгирующей активности равнялась 0,35 ед. ОП и 0,5 ед. ОП. Таким образом, у становлена углеводородсубстратная специфичность, проявляющаяся в физико-химическом сродстве микробных поверхностно-активных веществ к гидрофобному компоненту системы при эмульгировании. Это сродство может указывать на оптимальный гидрофобный субстрат для роста штамма - продуцента и возможность синтеза на нем ПАВ. Для дрожжей из гидрофобных субстратов для биосинтеза ПАВ может служить дизельное топливо и нефть, а для бактериальных культур все гидрофобные субстраты. Микроорганизмы различных видов отличаются по эмульгирующей способности и выделяют ПАВ различной природы. Вещества, выделяющиеся в культуральную жидкость, могут иметь различную биохимическую природу. При исследовании биохимического состава культуральной жидкости бактериальных штаммов, Micrococcus sp ., Rhodococcus egui 51 КС и Mycobacterium thermoresistible результаты согласуются с литературными данными /2/. По химической природе ПАВ, синтезируемые бактериальными штаммами родов Bacillus lentus 109 КС и Pseudomonas cepacia 122 АС, был представлен преобладанием белковых компонентов. Однако при незначительном снижении эмульгирующей активности наблюдается резкое увеличение содержание углеводов в культуральной жидкости. По нашим предположениям, химический состав, ВПАВ представляют комплекс белков и углеводов. Изучение химического состава культуральной жидкости дрожжевых культур С andida В1, С andida Trichosporon cutaneum Р20СО2 показало, что эмульгирующий фактор содержит белки и углеводы, то есть имеют белково-углеводную природу. Среди исследованных дрожжевых культур особый интерес вызван к черной дрожжевой культуре Exophilia sp . Ч2, которая обладала высокой эмульгирующей активностью, но низкой деструктивной активностью. Биохимический состав культуральной жидкости этого штамма sp . Ч2 по нашим предположениям возможно представлен веществами только белковой природы. Приведенные данные свидетельствуют о том, что ПАВ, продуцируемые углеводородокисляющими микроорганизмами, являются относительно новым продуктом биотехнологии. еще специальные исследования. Возможно, ПАВ выделяемые в культуральную жидкость можно считать специфическими метаболитами, биосинтез которых обусловлен адаптацией микроорганизмов к присутствию в окружающей среде нерастворимых в воде питательных веществ или возможно существует тесная связь с жизнедеятельностью микроорганизмов в процессе культивирования их на средах с углеводородами. [6] 4 Биосурфактанты: продуценты, свойства и практическое использование Биосурфактанты, являющиеся поверхностно активными веществами (ПАВ), которые образуются многими микроорганизмами, в последние годы привлекают значительное внимание, как в теоретическом, так и практическом плане. Это обусловлено, прежде всего, широкими возможностями их использования в нефтедобывающей и горнодобывающей промышленности, химической, фармацевтической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве и для очистки окружающей среды от углеводородов, тяжелых металлов и других поллютантов. Биосурфактанты, образуемые микроорганизмами, по эффективности к эмульгированию не уступают синтетическим сурфактантам. Однако, в отличие от синтетических сурфактантов, они обладают такими преимуществами, как биодеградабельность и отсутствие токсичности, а также получение из возобновляемых источников, что делает их перспективными для разработки новых экологически безопасных технологий. Имеются два обширных класса сурфактантов – химически синтезированные сурфактанты и образуемые микроорганизмами биосурфактанты (= биологические поверхностно активные соединения, биоПАВ). Химически синтезированные сурфактанты обычно классифицируют согласно природе полярной группы (катионной, анионной и неполярного типа). И хотя имеются ионные и не ионные биосурфактанты, но обычно они характеризуются по их химическому составу и/или продуценту. В настоящее время известно 5 классов биосурфактантов: гликолипиды; липополисахариды и полисахарид-липидные комплексы; липопептиды; жирные кислоты и нейтральные липиды. Согласно имеющихся сведений физиологическая роль биосурфактантов микроорганизмов состоит в адгезии к субстрату и эмульгированию питательных компонентов, десорбции с поверхности, антибактериальной и противогрибковой активности и рецепторов для бактериофагов. [3] В отличие от химически синтезированных сурфактантов, для классификации биосурфактантов используют их химический состав и продуценты. Структура биосурфактантов включает гидрофильную часть, состоящую из аминокислотных или пептидных анионов или катионов; моно-, ди- или полисахаридов и гидрофобных компонентов, состоящих из ненасыщенных или насыщенных жирных кислот. Поэтому, в соответствии с химической природой, биосурфактанты разделяют на следующие группы: 1) гликолипиды (рамнолипиды – Pseudomonas ; трегалозолипиды – Rhodococcus erythropolis , , N . erythropolis , М phlei ; c офорозолипиды – Torulopsis bombicola , T . ampicola , T . petrophilum ); 2) липобелки и липопептиды (лихенизин – Bacillus ; B . subtilis B . ; B . subtilis ; вискозин – fluorescens ; эмульсан – Phormidium sp .; липозан – C andida lypolytica ); 3) полисахариды (эмульсаны – Arthrobacter sp ., A . calcoaceticus ; Phormidium sp .; ксантан – Xanthomonas campestris ); 4) жирные кислоты – Candida spp., C. lepus.; 5) фосфолипиды – Tiobacillus thiooxidans; Corynebacterium sp.; Candida sp.); 4. 2 C войства биосурфактантов Биосурфактанты обладают теми же физико-химическими свойствами, что и синтетические сурфактанты. Для них известны значения ККМ (критической концентрации образования мицелл), ГЛБ (гидрофильно-липофильного баланса), поверхностного и межфазного натяжения и другие. Для измерения концентрации биосурфактанта часто используют показатель разбавления культуральной жидкости, клеточной суспензии или очищенных экстрактов до величины ККМ. [2] Биосурфактанты, для которых величина ГЛБ меньше 6, проявляют тенденцию к стабилизации эмульсий типа "вода в масле", а при значении ГЛБ, равном 10-18, они образуют системы типа "масло в воде". Эмульсии получаются в том случае, когда одна жидкая фаза диспергируется в виде микроскопических капель в другой жидкой непрерывной фазе. Биосурфактанты могут стабилизировать (эмульгаторы) и дестабилизировать (деэмульгаторы) эмульсии. Эмульгаторы характеризуются по времени распада суспензии углеводорода в водном растворе биосурфактанта, а деэмульгаторы рассматриваются по действию биосурфактанта на стандартную эмульсию, созданную с использованием синтетического сурфактанта. [2] Гетерополисахарид ксантан в относительно чистом виде представляет собой мягкий пушистый порошок, легко растворяющийся в малых количествах воды и образующий гели. Он термостабилен, устойчив к действию электролитов, сохраняет вязкость в засоленных растворах, не адсорбируется твердыми частицами. Названные свойства сохраняются при использовании гетерополисахарида в очень низких концентрациях. [1] Склерглюкан легко растворяется в воде, образуя растворы, имеющие высокую устойчивость в широком диапазоне температур, рН и концентрации солей. Промышленный интерес к эмульсану обусловлен его способностью к стабилизации эмульсии типа "масло в воде" и образованию эмульсии "вода в масле" в условиях низких энергетических затрат. Эмульсан создает эмульсии как алифатических, так и ароматических углеводородов. При этом он проявляет способность образовывать пленку толщиной 2 нм на поверхности масляной капли с гидрофильными группами, ориентированными по отношению к водной фазе таким образом, что предотвращается их смешивание и наблюдается стабилизация эмульсии. Сродство этого биоэмульгатора является чрезвычайно высоким даже при центрифугировании, так как эмульсия не разрушается, хотя и разделяется на верхний слой, содержащий крем, и нижний, представляющий собой водную фазу. Крем, названный эмульсаносолом, относится к эмульсии типа "масло в воде" и содержит около 70% масла. [2] Эмульсан, активный в присутствии высоких концентраций солей, не адсорбируется на известняках и песчаниках. Необычайно эффективными эмульгаторами, обладающими высокой степенью специфичности к сырой нефти, являются эмульсаны, получаемые на среде с этанолом. Безбелковые апоэмульсаны устойчивы к высоким температурам. В нейтральной или щелочной среде при 100 о С они полностью сохраняют свои эмульгирующие свойства в течение двух часов. Одним из важных свойств, обуславливающих применение биоэмульгаторов, является их способность эмульгировать углеводороды при определенных значениях рН. Биосурфактанты отторгают нефть от поверхности песка, гидрофилизируя эту поверхность и таким образом создают условия для свободного "скольжения" нефти в пространстве между песчинками. Не исключено также, что при этом происходит снижение вязкости и поверхностного натяжения нефти. Максимальная активность липозана получена при соотношении гексана к липозану 50:1. Соотношение более 50:1 вызывает падение эмульгирующей активности. Максимальная эмульгирующая активность его была при рН от 2 до 5. Липозан термостабилен в течение 1 часа при 70 о С и до 60% активности теряет после прогревания в течение 1 часа при 100 о С. При концентрации 10 мМ ионы К и Na стимулируют активность в 1,2 раза, тогда как ионы Mg, Mn и Ca на активность влияют слабо. При концентрации ионов в 1М эмульгирующая активность уменьшается с 1,2 до 2,5 раз. Способность липозана стабилизировать или эмульгировать различные водонерастворимые соединения проявляется в зависимости от длины их цепи. Липопептидный биосурфактант итурин, выделенный из культуры B . amyloliguefacies , проявляет достаточную стабильность в лабораторных условиях. Он сохраняет поверхностные и антибиотические свойства при хранении в течение 2 месяцев при 20 о С и инкубировании в течение 30 минут при 100 о С. Однако при автоклавировании (20 мин., 121 о С) активность итурина снижается на 40%. При действии солнечного или ультрафиолетового света его антибиотическая и поверхностная активности не изменяются. 4. 3 Практическое использование биосурфактантов Биосурфактанты являются структурно разносторонней группой поверхностно активных молекул, синтезируемых микроорганизмами. Эти соединения снижают напряжение поверхности и границы раздела как в водных растворах, так и смесях углеводородов, что делает их потенциальными кандидатами для повышения выхода нефти и процессов разрушения эмульсии. Биосурфактанты имеют ряд преимуществ перед химическими сурфактантами, включая низкую токсичность, высокую биодеградабельность, лучшую совместимость с окружающей средой, высокое пенообразование, селективность и специфическую активность к повышенным температурам, рН и солям, а также способность синтеза из возобновляемых материалов. Поэтому одним из потенциальных потребителей биосурфактантов является нефтяная промышленность, которая может использовать препараты с минимальной очисткой, включая суспензию целых клеток. По сравнению с химическими сурфактантами они требуются в небольших количествах, очень селективны, эффективны в широком диапазоне нефти и условий резервуара и экологически не опасны. Показано, что приблизительно на 30% увеличивается нефтеотдача из подземных песчаников при использовании трегалолипидов Nocardia rhodochrous . Фирма “ Multy - biotech ”, субсидируемая ” Geodyne Technology ”, освоила промышленное производство биосурфактантов для повышения нефтеотдачи. Показано, что обработка сырой тяжелой нефти Венесуэлы биосурфактантом эмульсаном снижает её вязкость с 200 000 до 100 сР. Это позволяет перекачивать тяжелую нефть насосами по промышленному трубопроводу до 26 000 миль, что невозможно сделать это при обработке её химическими сурфактантами. В Кувейте показана возможность использования биосурфактанта для перекачки сырой нефти в нефтехранилища. Компанией Petrogen Inc. (США) достигнуто 90% удаление нефти, включенной в осадок сточных вод, за счёт использования образующих биосурфактант микроорганизмов. Важным направлением использования микроорганизмов, образующих биосурфактанты, являются технологии биоремедиации почв, загрязненных углеводородами. Так, рамнолипид удалял значительные количества разлитой нефти из галечного песка Аляски, загрязненного фирмой Exxon Valdez. Показано также, что этот биосурфактант способен удалять до 25-70% и 40-80% углеводородов из загрязненной супеси и суглинков, соответственно. Кроме того, высокую эффективность биосурфактанты проявляют и в биоремедиации почв от тяжелых металлов, включая уран, кадмий и свинец, фенантрена и полихлорированного бифенила. Биосурфактанты в виде пищевых добавок перспективны для использования в пищевой промышленности. Лецитин и его производные, эфиры жирных кислот, содержащие глицерин, сорбит или этиленгликоль и этил оксилированные производные моноглицеридов широко используют в ней в качестве эмульгаторов. Биосурфактанты применяют также в медицинской и косметической промышленности. Компания Kao Co. Ltd использует софоролипид в качестве увлажнителя кожи и волос в косметических препаратах «Софина» и губной помаде. Некоторые биосурфактанты перспективны для использования в медицине и ветеринарии. Показано, что сукцинил-трегалозный липид Rhodococcus erythropolis подавляет вирус простого герпеса и вирус гриппа с летальной дозой 10-30 мкг/мл. Биосурфактант сурфактин можно использовать при обезвоживании торфа, бумажной, угольной, текстильной и добывающей урановую руду промышленности. Единственным препятствием для практического использования биосурфактантов является высокая стоимость их производства, которая в 3-10 раз выше их химических аналогов. [5] 5 БИОДЕСТРУКЦИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ способами являются: механические, термические, физико-химические, биологические и микробиологические. Каждый из разрабатываемых методов и способов для утилизации нефти и нефтепродуктов эффективен на определённом этапе очистке. Механический метод сбора нефти и нефтепродуктов имеет ограниченное применение и на определённом этапе становиться неэффективным. Термический и физико-химический можно применять при достаточной толщине слоя нефти. Биологический и микробиологический обычно используется на «заключительном» этапе очистки. Последнее время биологический метод очистки углеводородных загрязнений, основанный на применении микроорганизмов деструкторов нефти и нефтепродуктов, становится приоритетным при любых количествах и масштабах загрязнения. Он характеризуется как наиболее экономический, эффективный и безвредный способ очистки. дни, и составляет в среднем 3,45•108кл/мл при росте на всех субстратах. На эффективность и скорость деструкции нефти и нефтепродуктов влияют состав и виды микроорганизмов, с которыми они контактируют. Степень окисления нефтепродуктов максимальна при участии большего количества смешанных видов нефтеокисляющих бактерий, относящихся к родам: Pseudomonas, Clostridium, Micrococcus, Brevibacterium, Bacillus, Flavobacterium., Alcaligenes. В присутствии трех культур (роды Pseudomonas, Micrococcus, Brevibacterium) степень окисления уменьшается, а в среде с одной монокультурой (Pseudomonas) она минимальна. Исключение составляет опыт с бензиновой фракцией, растворимость которой максимальна по сравнению с другими применяемыми углеводородными компонентами, что облегчает транспорт молекул в клетку и её окисление. Кроме того, более высокая эффективность применения консорциума культур объясняется и сложностью субстрата, каковым является товарная нефть и масла. Эффективность деструкции бензина достигает 90% при применении трёх культур, что связано, по–видимому, с избирательностью и использованием этими углеводородокисляющими микроорганизмами лёгких фракций нефти. На это указывает нарастание численности микрофлоры в одинаковые сроки, которое наблюдалось на 13 – 16 дни эксперимента. Микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, простейшие и др.) играют исключительно важную роль в биосфере и хозяйственной деятельности человека. Из более чем 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов человеком используется несколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние десятилетия, когда были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов. Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, c ахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов. [7] Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для производства ценных продуктов используют отходы промышленного производства, нефтепродукты и тем самым производят их разрушение, предохраняя окружающую среду от загрязнения, что именно важно для экологии. Список использованной литературы 1. Гоготов И. Н. Полисахариды: свойства, получение и практическое использование. В: Материалы Межд. научно-практич. конф. «Перспективы и проблемы развития биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран содружества», Минск-Нароч: РИВШ, 2005. С. 54-55. 2. Елисеев С. А., Кучер Р. В. Поверхностно-активные вещества и биотехнология. Киев: Наукова думка, 2001. 60 с. Rhodococcus erythropolis штамм ВКМ Ас -858 Т. В: IV Респ. Научно-практич. конф. «Наука и инновации в республике Мордовия». Саранск: Изд-во Мордовского госуниверситета, 2005. С. 583-588. Rhodococcus erythropolis ЭК-1 на гидрофильных и гидрофобных субстратах. // Прикл. биохим. и микробиол., 2004. Т. 40. С. 544-550. 5. www.rusbio. biz 6. www.rusnauka.com 7. www.sbio.info