Характеристика полигидроксиалканоатов

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Характеристика полигидроксиалканоатов

1.2 Области применения полигидроксиалканоатов

1.3 Биодеградация полигидроксиалканоатов

1.4 Выявление микроорганизмов-деструкторов

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования микробной деградации в пресной воде

2.2 Объекты исследования микробной деградации в почве

2.2.1 Основные характеристики почвы дендрария

2.2.2 Определение активной кислотности почвы прикорневой зоны лиственницы

2.3 Определение способности бактерий к биодеградации

2.4 Методы идентификации микроорганизмов

Глава 3. Результаты исследования

3.1 Исследование микробной биодеградации полигидроксибутирата и полигидроксигексаноата в прикорневой зоне лиственницы

3.2 Исследование микробной биодеградации полигидроксибутирата и полигидроксивалерата в пресной воде

Заключение

Список используемых источников

Приложения

Введение

Одним из решений экологической проблемы утилизации и переработки полимерных отходов является получение биоразлагаемых материалов. Возможность получения полимеров, сохраняющих эксплуатационные характеристики в период потребления, а затем разлагающихся под воздействием природных факторов на углекислый газ, воду, гуминовые вещества и биомассу. Перспективными полимерами данного типа являются полигидроксиалканоаты (ПГА). Это группа полиэфиров, синтезируемых многими бактериями в качестве источника внутриклеточного углерода и запасаемого источника энергии [1,7].

Биологическая деградация ПГА осуществляется под воздействием ферментов-деполимераз, продуцируемых микроорганизмами, которые используют растворимые продукты расщепления полимеров в качестве субстрата для роста. Выявлено, что факторами, наиболее воздействующими на биоразрушаемость данных полимеров, являются концентрация микроорганизмов-деструкторов, их видовой состав, физико-химические факторы среды, а также состав и свойства полимеров [3,4,24].

Среди эффективных деструкторов ПГА - разнообразные бактерии, относящиеся к широко распространенным почвенным и водным представителям (Pseudomonas, Alcaligenes, Comamonas, Streptomyces, Ilyobacter) [2,3].

Создание экологически чистых материалов с полезными свойствами остается одной из ключевых проблем современности. С ростом перспектив применения ПГА все большую актуальность приобретает исследование закономерностей разрушаемости ПГА в естественных природных условиях. Тем более что результаты по биоразрушаемости ПГА в лабораторных условиях с использованием чистых микробных культур, выделенных из природных источников, а также под воздействием деполимеризующих ферментов, не позволяют предвидеть картину разрушения данного биопластика в природной среде, в многокомпонентных и разнообразных естественных экосистемах [10,21].

В связи с этим цель настоящей работы - идентификация бактерий-деструкторов полигидроксиалканоатов, выделенных из пресной воды тропических искусственных водоемов и бактериальной микрофлоры почвы дендрария, участвующей в деструкции ПГА.

Были поставлены следующие задачи:

.   Определить общее микробное число и численность бактерий-деструкторов в почве.

2. Выявить биодеструктивные способности изолятов бактерий, доминирующих в пресноводных и почвенных микробиоценозах.

.   Изучить культуральные, морфологические, физиолого-биохимические свойства бактерий-биодеструкторов для их идентификации.

Работа выполнялась на базовой кафедре биотехнологии ИФБиБТ.

Глава 1. Обзор литературы

Характеристика полигидроксиалканоатов

Полигидроксиалканоаты (ПГА) являются запасными веществами в клетках бактерий. Они аккумулируются внутриклеточно в форме включений (гранул) и их масса может составлять до 90% от сухого веса клетки [4,5].

Мономерное строение полигидроксиалканоатов зависит от видовой специфики, условий роста и, особенно источника углерода в среде. Классифицируют ПГА по числу атомов углерода в мономере. Они могут быть короткоцепочечными (ПГАсцл, содержат 3-5 атомов углерода), среднецепочечными (ПГАмцл, 6-15 углеродных атомов) и длинноцепочечными (ПГАлцл, содержат более 15 атомов углерода). Многие бактерии могут одновременно синтезировать ПГАсцл и ПГАмцл, то есть являются гетерогенными [17].

Наиболее изученными из полигидроксиалканоатов являются полигидроксибутират и его сополимеры с оксивалериановой кислотой [4].

Полигидроксибутират (ПГБ) способны накапливать различные прокариотные микроорганизмы. Способность синтезировать данный полимер показана для бактерий родов: Azotobacter , Pseudomonas , Spirillum , Bacillus , Nocardia , Alcaligenes , Chloroflexus и других (всего известно около 100) [4, 15].

Накапливается полигидроксибутират в клетках в виде гранул, которые образованы плотно упакованными тяжами, ограниченными фосфолипидными оболочками с включенными в них белками. По физическим свойствам ПГБ близок к полипропилену. Однако чистый ПГБ характеризуется очень низким растяжением на разрыв, а так же более высокой температурой стеклования, чем полипропилен. Как и все полигидроксиалканоаты он устойчив к воздействию УФ излучения, но малоустойчив к растворителям, кислотам и щелочам. ПГБ нерастворим в воде и относительно устойчив к гидролитическому разложению, это отличает полигидроксибутират, как и прочие ПГА, от других биоразрушаемых пластиков, используемых в настоящее время. ПГБ подвергается растворению хлороформом и другими хлорпроизводными углеводородов [4, 5, 36].

Полигидроксибутират (ПГБ) - гомополимер D (-) - 3-β-оксимасляной кислоты. Он представляет собой изотактический полиэфир с регулярными, повторяющими единицами (C₄H₆O₂). Его формула выглядит следующим образом:

Величина n определяется условиями синтеза полимера микробными клетками, а также методами его экстракции, молекулярный вес колеблется от 60000 до 250000 [7].

У полигидроксибутирата, аналогично многим полимерным материалам, температура, при которой происходит его деформация, ниже температуры кипения (температурной деградации), поэтому газовое состояние в полимерах не реализуется и основным видом фазового равновесия в них является конденсированное состояние - кристаллическое, стеклообразное, вязко-текучее и жидкое [4].

Субстратом для синтеза ПГБ могут служить сахара, спирты, ацетат, водород, органические кислоты. В настоящее время, с развитием технологий и увеличением объема наших знаний, появилась возможность получать полигидроксибутират и его сополимеры, используя широкий спектр исходных веществ, в том числе из промышленных отходов [4, 7].

Гетерополигидроксибутират (ПГБВ) - наиболее известный гетеро-полимерный ПГА, являющийся продуктом сополимеризации 3-оксимасляной и 3-оксивалериановой кислот. Он имеет следующую структурную формулу:

В зависимости от соотношения мономеров в полимере и их природы свойства полимерных материалов изменяются, в т. ч. механическая прочность, температура плавления, биоградируемость [4, 46,55].

Производство других полигидроксиалканоатов зависит от субстрата, на котором выращивали микроорганизмы и от специфичности синтетаз.

Биосинтез полимеров определяется тремя ключевыми ферментами: β-кетотиолаза, ацетоацетил-CoA-редуктаза и ПГА-синтаза кодируемые 25 генами, которые можно клонировать и, благодаря чему создавать новые виды или увеличивать количество необходимых [37,45].

Несмотря на то, что ПГА являются гидрофобными, частично кристаллизованными полимерами, они могут подвергаться деградации различными микроорганизмами, которые выделяют ПГА деполимеразы, разрушающие полимеры [22,26,51].