Иммобилизация клеток микроорганизмов

1.5. Иммобилизация клеток микроорганизмов

Закрепленные клетки значительно отличаются по своим свойствам от свободных клеток. Так, например, правильно выбранный способ иммобилизации позволяет полностью сохранить активность штамма микроорганизмов.

Методы иммобилизации принято классифицировать на: физические, механические и химические.

1) Физические методы иммобилизации основаны на действии электростатических сил, сил адгезии и поверхностном натяжении. Адсорбция является самым простым и широко известным способом закрепления микроорганизмов на поверхности носителя. Этот метод отличается простотой подготовки и эксплуатации сорбента, возможностью использования дешевых и доступных носителей.

2) Химические методы иммобилизации основаны на образовании ковалентных связей клеток микроорганизмов с активированным носителем за счет поперечной сшивки активных групп клеточных стенок с бифункциональными агентами. Наиболее часто в качестве бифункционального агента используют глутаровый альдегид. В качестве носителей применяются селикогели, оксиды титана, другие полимерные соединения. Недостаток - контакт клеток микроорганизмов с химическими реагентами, что может приводить к таким нежелательным последствиям, как интоксикации клеток и потери их активности.

3) Механические методы. Эти методы основаны на включении клеток в различные гели, мембраны и волокна. Недостаток в том, что молекулы субстрата, продукта и питательных веществ должны диффундировать через твердую матрицу, а это заведомо снижает скорость реакции, также сорбенты, полученные путем включения в мягкие гели, имеют недостаточно стабильные гидродинамические показатели. При длительной эксплуатации гели набухают. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления массы сорбента [71,72].

Физиологические и морфологические признаки подвергаются значительным изменениям при иммобилизации. Иммобилизация также влияет на ферментативную активность, скорость размножения, интенсивность биохимических процессов. Это влияние может также улучшать свойства микроорганизмов, как сорбентов [73].

Наибольшее применение из всех вышеописанных способов иммобилизации клеток находит адсорбция микроорганизмов на поверхности сорбента. Это связано с тем, что высокая стоимость делают невозможным широкое применение механически иммобилизованных клеток. Химический метод малопригоден, так как при использовании данного метода требуется специальная обработка клеток микроорганизмов, что значительно удорожает и усложняет процесс подготовки сорбента. Адсорбционный способ закрепления клеток отличается простотой и доступностью[7].

1.6. Мох вида сфагнум

Ионообменники природного происхождения интенсивно изучаются последние годы. Рассмотрим более подробно мох вида сфагнум [74].

Мохообразные можно разбить на три класса: антоцеротовые (Аnthocerotae), печеночники (Нераticае) и мхи (Мusci). Мохообразные произошли от зеленых или бурых водорослей. При прорастании спор у мхов развивается ветвистая зеленая нить — протонема, которая напоминает тело нитчатых водорослей. Среди тысяч видов мохообразных лишь немногие виды, являются полусапрофитами — растениями, способными частично питаться за счет мертвого ор­ганического вещества субстрата и частично создавать органиче­ские вещества из неорганических за счет энергии Солнца. Сапро­фитных организмов среди мохообразных ничтожно мало. К сапрофитам, растениям, живущим только за счет разложения мертвого органического вещества субстрата, относится, например, криптоталлус удивительный (Cryptothallus mirabilis). Виды милиххоферии (Mielichhoferia), называемой еще «медным мхом», живут на скалах, содержащих ионы меди в количестве, в тысячу раз превышающем максимальный уровень, допустимый для жизни большинства цветковых растений. Среди мохообразных есть виды, обитающие на субстратах, которые содержат соли тяжелых металлов в таком количестве, что другие высшие растения на таких почвах жить не могут. Изучение биохимического строения сфагнов показало, что их клеточная оболочка состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, пектиновых веществ, липоидов и пигментов. Строение клеточной стенки можно представить как жесткую оболочку, состоящую из полисахаридов, которые можно разделить на две большие категории (полисахариды, которые существуют в составе стенки в кристаллической форме, и все остальные полисахариды). Полисахариды первой категории – очень длинные неразветвленные молекулы, которые в клеточной стенке агрегированы в пучки, называемые микрофибриллами. Микрофибриллы заключены в матрикс, состоящий из полисахаридов клеточной стенки, которые не имеют кристаллической структуры [75,76].

Непосредственно используются человеком лишь немногие мохообразные. Сфагны, обладающие антибиотическими свойства­ми, большой влагоемкостью и хорошими теплоизоляционными качествами, употреблялись в медицине для перевязок. Используются сфагны в качестве теплоизоляционного материала в строительстве. Класс Мхи (Мusci) представлен: подклассом сфагновые, семейством сфагновые, родом сфагн, около 40 видов (Вульфа, Гиргензона, дубравный и т.д.).

Отметим, что наряду с техническими средствами, для индикации загрязнений атмосферного воздуха весьма перспективно использование биологических методов, которые более доступны и не требуют больших материальных затрат и капиталовложений. Было установлено уменьшение содержания пигментов лишайников в зоне воздействия загрязнения и зависимость этого показателя от расстояния до источника. Установлено, что лишайники усваивают из окружающей среды многие микроэлементы, причем их концентрация находится в прямой зависимости от концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Мхам принадлежит существенная роль в процессах первичного перехватывания и аккумулирования радионуклидов. Так в моховом покрове лесных биогеоценозов может сосредотачиваться более 70% всех запасов радионуклидов, поступающих с глобальными выпадениями. В зависимости от индивидуальных особенностей анатомо-морфологического строения слоевищ и спецификой обитания наблюдается неоднородность в накоплении Sr90 и Cs137 отдельными видами мхов и их экологическими группами. Возможно использование мхов в качестве объекта при мониторинге содержания радиоактивного цезия и стронция. Известны три группы исследований мохообразных как накопителей тяжелых металлов: 1) определение концентраций тяжелых металлов во мхах, растущих в естественных условиях обитания; 2) использование специально стандартизированных сфагновых мешочков; 3) исследования по определению терпимости определенных видов мохообразных к различным концентрациям ионов тяжелых металлов. Известны исследования по использованию в качестве природных биосорбентов листостебельного мха Tortula desertorum Broth и для извлечения ртути и серебра их водных растворов. Таким образом, было показано, что мох является новым высокоэффективным сорбентом для извлечения ионов тяжелых металлов. Отметим, что при использовании мохообразных как сорбентов ионов тяжелых металлов равновесное состояние (сорбционное равновесие) устанавливается в течение несколько минут [74-76].

В исследованиях по изучению возможности использования водоросли Durvillaea potatorum для сорбции ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+) из сточных вод, было установлено, что общая сорбционная емкость бинарной системы была подобна емкости, полученной для одного металла. Максимальная адсорбция кадмия и меди достигалась при рН=5,5 [79].

Интересные исследования были проведены учеными из Института биохимии им. А.Н.Баха РАН и Института микробиологии РАН. Одноклеточные цианобактерии вида Nostoc muskorum, способны питаться растворенными в воде тяжелыми металлами и превращать их в нерастворимые вещества. Проведенная серия экспериментов обнаружила, что данные микроорганизмы среди бактерий по утилизации кадмия занимают одно из первых мест, т.к. они способны перерабатывать ионов кадмия почти в три раза больше остальных видов бактерий. То, что цианобактерии способны усваивать тяжелыми металлами, известно давно, но раньше ученые экспериментировали с видами, которые накапливали медь, цинк или кадмий внутри собственной клетки, тем самым лишая клетку возможности нормально работать. А вот Nostoc muskorum живут в губительной для других цианобактерий среде по полгода, потому что извлекают из воды соли кадмия иначе. Кадмий не проникает внутрь их клетки, чтобы связаться с жизненно важным белком, он застревает в ее слизистой оболочке, откуда берет серу для создания сульфида кадмия, который не растворяется в воде. В оболочке клетки скапливаются и кристаллы чистого кадмия, который образуется внутри кристаллов сульфида кадмия под воздействием солнечного света. Выращивали Nostoc muskorum на искусственной питательной среде, в которой необходимый для их роста нитрат калия заменяли на нитрат кадмия. В течение 5 минут употребляется около 40 % всех ионов кадмия, находящихся в растворе, а через трое суток слизистая оболочка клеток покрывается темными частицами - кристаллами сульфида кадмия [59].