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 Cвойства биосурфактантов……………………………………………….....10

4.3 Практическое  использование биосурфактантов…………………………...13

5 Биодеструкция нефти и нефтепродуктов………………………………….....15

Заключение……………………………………………………………………….17

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, Сandida lipolytica, Torulopsis gropengiesseri. [5] 
 
 
 
 
 
 

1. Разнообразие микроорганизмов - продуцентов поверхностно-активных веществ

    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.

    Одним из важным свойством, обуславливающим способность нефтеокисляющих микроорганизмов усваивать углеводороды, является продукция ими биоПАВ, которые диспергируют углеводороды и увеличивают биодоступность углеводородов для микроорганизмов.

    Способность усваивать углеводороды нефти присуща для самых разнообразных представителей микромира. Углеводородокисляющие микроорганизмы отнесены к различным родам. Было исследовано свыше 300 культур грибов, дрожжей, бактерий и актиномицетов. Способность потреблять углеводороды довольно часто встречается у бактериальных культур, отнесенные к родам: Mycobacterium, Rhodococcus, Pseudomonas, Micrococcus и Bacillus. Среди  грибов и дрожжеподобных организмов способность использовать углеводороды нефти часто встречалась у представителей родов  аспорогенных дрожжей как Сandida, Trichosporon, Exophilia. Этим свойством обладает подавляющее большинство представителей рода  Rhodotorula.

    Ведутся  многочисленные исследования по способности  утилизировать углеводороды нефти  и нефтепродуктов, а вопрос о способности  синтезировать ПАВы остается  неясным, и это свойство встречается у самых таксономических групп микроорганизмов. [6] 
 
 

2 Индекс эмульгирования 

    Первичная оценка способности микроорганизмов образовывать поверхностно-активные вещества оценивали по индексу эмульгирования. Именно поэтому для оценки поверхностно-активных свойств микроорганизмов используется 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 Сandida, обладали высокой деструктивной активностью (80%) и индекс эмульгирования культуральной жидкости составил свыше 52%. Представители дрожжей рода 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 отличались с высоким индексом эмульгирования на нефти (86%). 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.

    Иная  картина получена у бактериальных  штаммов. По сравнению с дрожжевыми культурами все бактериальные культуры родов Mycobacterium, Rhodococcus, Pseudomonas и Bacillus на всех используемых субстратах показали высокие значения индекса эмульгирования культуральной жидкости. Среди бактериальных культур отличились бактерии рода Mycobacterium и для них характерны наиболее высокие значения индекса эмульгирования свыше 77 % и у этих же культур была высокая степень деструкции нефти. У представителей родов Pseudomonas, Bacillus и Rhodococcus обладали высокой способностью к эмульгированию нефти, индекс эмульгирования составили от 63 до 70%, что коррелирует с высокими значениями нефтедеструктивной активности.  По данным литературы известно, что культуры, имеющие индекс эмульгирования больше 50 %, считаются перспективным продуцентами поверхностно-активных веществ. Наиболее низке показатели индекса эмульгирования культуральной жидкости характерны для бактерий рода Micrococcus, индекс эмульгирования равнялся 29%. [6] 
 
 

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 эмульгирующей активности культуральной жидкости. Известно, что эмульгирующая активность культуральной жидкости является важной, характеристикой штаммов как продуцента ПАВ.

   При выращивании бактериальных культур  Mycobacterium, Rhodococcus, Micrococcus, Pseudomonas 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, установлена 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 119-3 ГМ было установлено, что на 3 сутки преобладают белковые компоненты. Весьма вероятно, что биохимический состав культуральной жидкости этих культур представлен белковым комплексом. Полученные 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 Сandida nitratiovorans В1, Сandida chilensis В2, 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 Exophilia 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.

   Из  полученных данных можно сказать, что  биохимическая природа ПАВ тесно  связана с метаболизмом белков, липидов  и углеводов. Для того чтобы конкретно  установить и определить биохимическую природу ПАВ требуются 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]