Кометаболизм ЭДТА и глюкозы у бактериального штамма LPM-4

Федеральное агентство по образованию Пензенский государственный педагогический университет им. В. Г. Белинского  Факультет Кафедра Естественно-географический биохимии Дипломная работа Кометаболизм ЭДТА и глюкозы у бактериального штамма LPM-4 Студент __________________________________________ Юдина Е. И.  подпись Руководители ___________________________________ Сметанин В. А.  подпись  __________________________________ Дедюхина Э.Г.  подпись К защите допустить. Протокол № от « _ » 200 г Зав. кафедрой ______________________________________ Генгин М.Т.  подпись Пенза, 2007 г
Содержание Введение ………………………………………………………………………….4 Глава 1. Обзор литературы……………………………………………….…….. 6 1.1. Хелатирующие соединения…………………………………………….….. 6

1.1.1. Свойства, строение и комплексообразование ЭДТА ………….……….6

1.2. Бактериальная деградация ЭДТА ………………………………………….7

1.2.1 Бактерии, разрушающие ЭДТА …………………………………………10

1.2.2. Характеристика штамма LPM-4………………………………………… 12

1.3. Понятие о кометаболизме …………………………………………………14

1.4. Периодическое культивирование …………………………………………20

1.5. Периодическое культивирование с подпиткой ………………………….23

Глава 2. Материалы и методы ………………………………………………….25

2.1. Условия культивирования………………………………………………….25

2.2. Методика приготовления питательных сред …………………………….26

2.3. Методы анализа…………………………………………………….……….28

2.3.1 Вычисление энергетического выхода роста штамма LPM-4 …………..29

2.3.2. Вычисление удельной скорости роста штамма LPM-4 ………………..32

Глава 3. Результаты и их обсуждение …………………………………………33

3.1. Исследование влияния степени деградации ЭДТА на ассимиляцию глюкозы бактериальным штаммом LPM-4 ……………………………………33

3.1.1. Динамика роста и потребления глюкозы и ЭДТА …………………….33

3.1.2. Динамика накопления биомассы и удельная скорость роста штамма LPM-4 …………………………………………………………………………….39

3.1.3. Накопление аммония в процессе роста штамма LPM-4 ……………….42

3.1.4. Показатели роста штамма LPM-4 при кометаболизме ЭДТА и глюкозы…………………………………………………………………………..44

3.2. Исследование способности штамма LPM-4 к ассимиляции ЭДТА и глюкозы в процессе длительного культивирования с добавлением субстрата…………………………………………………………………………46

3.2.1. Исследование ассимиляции ЭДТА штаммом LPM-4 в процессе культивирования с добавлением ЭДТА ………………………………………47

3.2.2. Исследование ЭДТА-индуцированной ассимиляции глюкозы штаммом LPM-4 в процессе длительного культивирования с добавлением глюкозы..50

3.2.3. Исследование способности штамма LPM-4 к переключению метаболизма от ассимиляции глюкозы к ассимиляции ЭДТА ……………..52

Заключение ………………………………………………………………………60

Выводы …………………………………………………………………………..62 Литература ………………………………………………………………………63

Приложение ……………………………………………………………………..66

Введение

Проблема очистки сточных вод, производство которых в России достигает 500 литров в сутки на душу городского населения, является одной из актуальнейших проблем наступившего века. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях. Существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных вод. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур обычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод. Они используются для очистки сточных вод местного значения, например в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини-заводах и т.п. Биопрепараты, содержащие ограниченное число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако, они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнений. В нестерильном процессе развиваются также микроорганизмы, содержащиеся в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья [1].

Мониторинг окружающей среды показывает, что в ней происходит постоянное накопление ЭДТА. В мире производится примерно 100 000 тонн ЭДТА в год [2-5]. Многочисленные исследования показали, что деградации ЭДТА в очистных сооружениях не происходит, а в природе существует лишь один значимый способ деградации ЭДТА – разложение комплекса Fe (III)EDTA под действием УФ лучей, который происходит лишь на поверхности воды [3]. Накопление ЭДТА в воде приводит к ухудшению качества питьевой воды, так как ЭДТА способствует переходу в растворенное состояние ионов металлов (в том числе тяжелых и токсичных). Большая часть этих комплексов проникает в грунтовые воды и водопроводы, ухудшая качество питьевой воды. Следует обратить внимание на то, что здоровью человека в первую очередь угрожают комплексы ЭДТА с токсичными металлами, а не ЭДТА, как химическое соединение.

До настоящего времени было выделено лишь несколько смешанных культур и всего три чистые культуры ЭДТА-деградирующих бактерий:

Agrobacterium sp. ATCC 55002, грам-отрицательный изолят BNC 1,

грам-отрицательные бактерии DSM 9103 и Pseudomonas sp. LPM-410.

В лаборатории физиологии микроорганизмов ИБФМ РАН был выделен новый ЭДТА-разрушающий бактериальный штамм LPM-4 со специфической потребностью в ЭДТА [6]. Данный штамм является уникальным, т.к. способен расти только на средах, содержащих ЭДТА. Отличительной особенностью данного штамма является то, что он способен метаболизировать глюкозу только в присутствии ЭДТА.

И целью настоящей работы было исследование совместного метаболизма ЭДТА и глюкозы у бактериального штамма LPM-4.

Соответственно были поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния степени деградации ЭДТА на ассимиляцию глюкозы бактериальным штаммом LPM-4;

2. Изучение способности клеток к деградации ЭДТА при дополнительном внесении ЭДТА в среду;

3. Исследование ЭДТА-индуцированной способности клеток ассимилировать глюкозу в процессе длительного культивирования с добавлением глюкозы;

4. Изучение способности штамма LPM-4 к переключению метаболизма от ассимиляции глюкозы к ассимиляции ЭДТА в процессе длительного культивирования в присутствии глюкозы.

Глава 1. Обзор литературы

 

1.1.     Хелатирующие соединения (комплексоны)

Термин “хелат” был предложен Морганом для обозначения циклических структур, которые образуются в результате присоединения катионов к двум или более донорным атомам, принадлежащим одной молекуле комплексообразующего агента. Название “хелат” происходит от греческого слова, которое означает “клешня”, отсюда и еще одно название этих соединений – “клешневидные”. Основным свойством комплексонов является способность образовывать с большинством ионов металлов в водных растворах комплексонаты. Получается это следующим образом: при введении комплексона в раствор, содержащий катион металла, создаются условия для конкуренции между молекулами гидратной оболочки катиона и молекулами внесенного в раствор хелата, происходит это из-за высокой, по сравнению с водой, донорной способности лигандных групп, их стерической доступности, а также соответствующего значения рН раствора. Конкурирующий с водой коплексообразующй агент, удовлетворяющий этим требованиям, при соответствующих условиях способен вытеснить из координационной сферы аквакомплекса воду с образованием нового комплексного соединения (МеY) [7]. Для ЭДТА подобный процесс выглядит следующим образом:

Ме(Н₂О)_х^п+ +Y^4-=MeY^(n-4)+ + xH₂O