Микробная биодеградация - Биологический факультет МГУ
реклама
Лекция 7. Микробная биодеградация • Микробная биодеградация - «полезная» и «вредная» стороны одного процесса • Проблема микробной коррозии объектов и материалов, способы борьбы с ней • Порча пищевых продуктов под действием микроорганизмов и факторы, способствующие ее развитию. Меры защиты пищевых продуктов от порчи • Виды загрязнений. Понятие о ксенобиотиках, сферы их применения. Возможности разрушения ксенобиотиков микроорганизмами • Микробиологическая переработка отходов (очистка сточных вод, разрушение твердых бытовых отходов). Конверсия отходов в полезные продукты ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Биодеградация – это процесс разрушения веществ под действием живых организмов Микроорганизмы – основные агенты биодеградации В природе этот процесс необходим С точки зрения человеческой практики Полезная сторона: Переработка отходов, очистка окружающей среды Минерализация сложных органических соединений, возвращение элементов в циклы Вредная сторона: Порча пищевых продуктов Биокоррозия объектов и материалов УРОВНИ ДЕГРАДАЦИИ (РАЗРУШЕНИЯ) СОЕДИНЕНИЯ Трансформация Фрагментация Полная минерализация БИОКОРРОЗИЯ ОБЪЕКТОВ И МАТЕРИАЛОВ – потеря структуры и потребительских свойств Ежегодный ущерб от биоповреждений в мире оценивается свыше 40 млрд. долларов Из-за коррозии с участием микроорганизмов теряется почти 20% металла С деятельностью бактерий связано 77% случаев коррозии нефтяного оборудования. Стоимость замены подземных труб, поврежденных бактериями, только в США достигает 2 млрд. долларов ежегодно Годовые потери древесины, разрушенной грибами, в России составляют 21 млн. кубометров. Для восполнения этих потерь ежегодно вырубается 100 тыс. га леса Биоповреждения (биокоррозия) различных объектов и материалов вызываются как непосредственной активностью микроорганизмов, так и агрессивными продуктами их жизнедеятельности Микроорганизмы обладают настолько широкими возможностями метаболизма, что практически любой материал может прямо или косвенно поддерживать их жизнедеятельность Наиболее активными агентами биокоррозии являются железобактерии, тионовые и сульфатредуцирующие бактерии, а также плесневые грибы Скорость биоразрушения для разных объектов и материалов будет существенно различаться в зависимости от набора физико-химических факторов среды и наличия биологических активностей ПРИМЕРЫ ПРОЦЕССОВ БИОКОРРОЗИИ Нефтедобыча и производство нефтепродуктов - биокоррозия трубопроводов Катод Анод ē Fe0 Fe2+ + H2S Высокомолекулярный цитохром (35-45 кДа) FeS ↓ Внешняя мембрана микроорганизма ē Fe-гидрогеназа Fe2+ Периплазма 2 Н+ + 2ē Н2 ē [Ni-Fe]- гидрогеназа в ЭТЦ ЦПМ ē сульфат H2S БИОКОРРОЗИЯ - ПРИМЕРЫ Нефтедобыча и производство нефтепродуктов - Порча нефти и продуктов из нее Нефть и нефтепродукты могут использоваться многими микроорганизмами. Это представители дрожжей, псевдомонад, микобактерий, родококков и многие другие Каждый микроорганизм потребляет определенный, свойственный только ему набор химических компонентов нефти, поэтому при развитии микробных сообществ разного состава изменения структуры нефти будут разные В хранилищах нефтепродуктов часто наблюдается рост на поверхности раздела фаз «вода-углеводород». Так растет, например, керосиновый гриб кладоспориум БИОКОРРОЗИЯ - ПРИМЕРЫ Строительные конструкции бетонные, металлические и деревянные БИОКОРРОЗИЯ - ПРИМЕРЫ Порча произведений искусства и архитектурных памятников Микроорганизмы способны использовать натуральные компоненты красок в качестве питательных веществ для роста. Повреждения картин, скульптур и каменных сооружений также может происходить за счет выделения агрессивных продуктов жизнедеятельности (кислот, щелочей) и образования микротрещин при механическом внедрении гиф грибов и актиномицетов БИОКОРРОЗИЯ - ПРИМЕРЫ Электронная индустрия Клетки микроорганизмов могут попадать на компьютерные чипы, уменьшая адгезию покрытий, что снижает время жизни транзисторов. В таких производствах применяют бидистиллированную, свободную от растворенных органических веществ и микроорганизмов воду, однако даже такая вода способна поддерживать микробный рост. Олиготрофные микроорганизмы могут расти при очень низких уровнях питательных веществ, вымытых из пластика трубок или адсорбированных из воздуха. Даже использование мембранных фильтров не гарантирует отсутствия микробного загрязнения, так как клетки нанобактерий способны проходить через фильтр с порами 0,22 мкм. СПОСОБЫ БОРЬБЫ С БИОКОРРОЗИЕЙ Различные антимикробные присадки Замена металлических труб на более инертные пластиковые или базальтовые Облучение и механическая очистка труб и хранилищ Биоциды Противообрастающие лакокрасочные материалы Обработка ингибиторами Нанесение полимерных покрытий Соблюдение режима хранения (поддержание постоянной температуры, минимальной влажности, иногда бескислородных условий и т.д.) МИКРОБНАЯ ПОРЧА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Пищевые продукты являются хорошей питательной средой для различных микроорганизмов, при этом микробный рост отражается как на качестве самого продукта, так и на здоровье потребляющего его человека Неконтролируемый рост микроорганизмов в пищевых продуктах может вызвать их порчу, а загрязнение продукта болезнетворными микробами способно привести к заражению человека Издавна для предохранения пищи от порчи использовали засолку и копчение мяса и рыбы, приготовление сыров и кисломолочных продуктов. В 1857 г. Л. Пастер доказал, что именно микроорганизмы вызывают порчу продуктов ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПОРЧИ ПРОДУКТА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ НАБОРОМ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ УСЛОВИЙ Образующиеся вещества и типичные Внутренние, присущие тому или иному виду продукта факторы включают рН, Соединение Химические процессы явления потенциал, влажность, доступность воды, окислительно-восстановительный структуру, содержание питательных веществ Метанол, и возможное присутствие уроновые кислоты → потеря природных антимикробных агентов Пектин Гидролиз пектина структуры овощей и фруктов, «мягкие гнили» Из внешних факторов наиболее важные – это температура, относительная влажность воздуха, присутствие газов (СО2, О2), тип и количество микроорганизмов в среде Аминокислоты, пептиды, амины, сероводород, аммиак, индол → В зависимости от состава питательных веществ в продукте те или появление развиваются горечи, прокисание, Белки Протеолиз, дезаминирование неприятных запахов, а иные процессы, приводящие к порче продукта и появление изменению его свойств, ослизнение также к преимущественному его заселению той или иной группой микроорганизмов Углеводы Гидролиз, сбраживание Органические кислоты, СО2, смеси спиртов → прокисание, брожение Жиры Гидролиз, деградация жирных кислот Глицерол, смеси жирных кислот → прогоркание, появление горечи ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОРЧУ ПРОДУКТА Физическая структура пищи оказывает большое влияние на процесс порчи продукта. Измельчение, нарезание и смешивание пищи, например, в соусах, салатах, котлетах не только увеличивает поверхность пищи и меняет клеточную структуру, но также способствует внесению извне дополнительных микробов и распределению их в толще продукта Наличие натуральных антимикробных агентов, замедляющих процесс порчи (кумарин в овощах и фруктах, лизоцим в яйцах, фитонциды в луках, жгучие вещества в острых приправах, полифенолы в черном и зеленом чае) Высокая относительная влажность окружающего воздуха способствует быстрому микробному росту даже при пониженных температурах. Важна атмосфера, в которой хранится пища. СО2 может понижать рН растворов, ингибируя микробный рост МИКРОБНАЯ ПОРЧА МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ Молоко - прекрасная среда для роста и развития многих микроорганизмов. Микробные клетки попадают в вытекающее из вымени стерильное молоко при дойке, перевозке и хранении. В зависимости от состояния коровы и условий получения молока общая микробная обсемененность может различаться, однако она не должна превышать установленных стандартов Сырое молоко скисает и портится прежде всего из-за развития ПОРЧИ МОЛОКА молочнокислых СПОСОБЫ бактерий.ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ Образование ими молочной кислоты (лактата) - пастеризация: уничтожает все неспоровые в молоке (62,8оС приводит к появлению кислого вкуса, белкимикроорганизмы молока свертываются, формируя 15 сек) кокки, образующие 30 мин или 71,7оС в течение творожистый сгусток. Сначала развиваются молочнокислые - стерилизация: уничтожает все микроорганизмы в молоке (несколько молочную кислоту и понижающие рН, затем начинают растисекунд более о С) 137,8 кислотоустойчивые представителипри рода Lactobacillus, потом доминирующими группами становятся дрожжи и плесневые грибы, которые расщепляют накопившийся лактат, и таким образом возвращают кислотность среды к околонейтральному значению. Это позволяет активизироваться гидролизующим белок бактериям, что приводит к появлению гнилостного запаха и горького вкуса. При этом молоко из белого может становиться почти прозрачным (происходит его пептонизация) Через молоко могут передаться возбудители туберкулеза крупного рогатого скота, бруцеллеза и Q-лихорадки и могут возникнуть эпидемии, связанные с молочными продуктами. МИКРОБНАЯ ПОРЧА МЯСА СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОРЧИ Некоторые МЯСА: микроорганизмы, Условия хранения Тип порчи мяса - санобработка оборудования ответственные за порчу - охлаждение, замораживание - высушивание, лиофильная сушка Представители ахромобактеров, - засаливание (соль, сахар, нитрит, нитрат, уксус) алгалигенесов, бацилл, Ослизнение поверхности - копчение лейконостоков, микрококков, - введение химических консервантов (бензоата натрия, пропионата кальция, псевдомонад, стрептококков борной и сорбиновой кислот) Аэробные Анаэробные Пятнистость Грибы кладоспориум, пеницилл, споротрихум Изменение цвета Представители лактобацилл и лейконостоков Прогоркание Представители ахромобактеров и псевдомонад Скисание Представители микрококков и псевдомонад Скисание Представители клостридий Гниение Представители клостридий, протеев и псевдомонад МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ПРОДУКТОВ ОТ ПОРЧИ Фильтрация (для воды, вин, пива, соков, напитков и других жидкостей) Замораживание (психрофильные микроорганизмы могут получить преимущества в росте) Пастеризация (< 100оС, избавляет от вегетативных клеток микроорганизмов) Стерилизация (> 100оС, убивает все формы живых организмов) Лиофилизация (высушивание продуктов из замороженного состояния) Химические агенты (простые органические кислоты, сульфит, окись этилена, нитрит, бензоат и этилформиат. Эффективность этих веществ часто зависит от рН продукта) Низин и другие бактериоцины молочнокислых кокков Облучение (ультрафиолет, γ-излучение) ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ (по физико-химическим свойствам все загрязнения делятся на летучие и нелетучие, твердые, полужидкие и жидкие, растворимые и нерастворимые в воде) НЕОРГАНИЧЕСКИЕ металлы, радионуклиды, анионы и др. (минеральные соединения азота и фосфора – причина культурной эвтрофикации водоемов) ГАЗООБРАЗНЫЕ углекислый газ, метан, оксиды азота и серы, а также летучие органические вещества, например, фреоны (парниковый эффект, высокая реакционная способность летучей органики) БИОЛОГИЧЕСКИЕ прионы, вирусы, бактерии, грибы, простейшие и другие паразиты (попадают в природные системы с неочищенными сбросами медучреждений, ветеринарных лечебниц, предприятий, обрабатывающих животное сырье, при авариях на канализационных сооружениях ) ОРГАНИЧЕСКИЕ канализационные, бытовые, сельскохозяйственные отходы и промышленные сбросы СТРУКТУРА ЗАГРЯЗНЕНИЙ КСЕНОБИОТИКИ – это чуждые природе вещества, синтезируемые химическим путем Эти SO соединения специально создавались как устойчивые во внешней среде 3Na вещества. Однако из-за своей устойчивости они накапливаются в природных эконишах и распространяются по пищевым цепям Ксенобиотики часто обладают высокой негативной биологической активностью: N мутации, образование злокачественных опухолей, являются вызывают SO3Na аллергенами N элементы, входящие в эти трудноразлагаемые вещества, COONa HOВажные биогенные надолго выводятся из глобального круговорота N N N В ряде случаев нарушения в природных экосистемах связаны не с токсичностью N загрязняющего вещества, а с его избытком как источника питания Применение таких веществ практически во всех областях человеческой SO3Na не позволяет отказаться от их использования на современном этапе. SO3Na деятельности N и Поэтому первоочередной задачей становится их правильная переработка очистка окружающей среды N OH NaO3S SO3Na Сравнение аэробной и анаэробной биодеградации орг. веществ http://www.uasb.org/anaerlec1/sld004.htm ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД Отстаивание и фильтрация - система неглубоких водоемов (прудов Водные растенияи каналов). для Микроорганизмы-деструкторы в них находятся в осадке и во взвешенном состоянии, а фиторемедиации песок и глина на дне обеспечивают естественную фильтрацию. Для затопления сточными водами часто используют природные низины, формируя тем самым Пруд-отстойник искусственные болота и поля орошения, где применяют специально высаженные Сточные Песок и глина воды водные растения, ризосферные микробные сообщества которых осуществляют очистку А Движение Струйный биофильтр - на пористом материале (керамзите, щебне и др.), сточных вод заполняющем емкость или наклонный канал, формируется микробная биопленка, включающая погруженных в слизистый матрикс Пористыйпредставителей бактерий, грибов, наполнитель простейших. Эдификаторами такого сообщества являются выделяющие слизь бактерии рода Zoogleae. При просачивании через наполнитель микроорганизмы удаляют из Струйный биофильтр сточных вод органические загрязнители и чистая вода собирается внизу Дисковый биофильтр - в протекающую сточную воду поперек струи погружают Б медленно вращающиеся диски, на поверхности которых формируется микробная биопленка. В ее верхнем слое обитают аэробные и факультативно анаэробные, а в Диски с нижнем – анаэробные микроорганизмы. Поскольку диск погружен в протекающую биопленкой воду наполовину, то при его медленном вращении части диска последовательно соприкасаются с кислородом воздуха и погружаются в сточную воду. Это приводит к чередованию аэробных и анаэробных процессов и повышает эффективность очистки Сточные воды В ГОРОДСКИЕ ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ – ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД АНАЭРОБНАЯ ОБРАБОТКА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД (в реакторах, позволяющих удерживать максимальное количество биомассы, поскольку в анаэробных условиях рост микробного сообщества осуществляется со значительной меньшей скоростью – анаэробный биофильтр и реактор с восходящим потоком воды через взвешенный слой ила ) И ПОЛУЖИДКИХ ОТХОДОВ (в метантенках) УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДЫ –БЫТОВЫХ В ДОХОДЫ ОТХОДОВ (ТБО) Микробиологическая конверсия отходов позволяет наиболее эффективно и комплексно СПОСОБЫ И ОСОБЕННОСТИ: решить ряд задач по безотходности технологий, защите окружающей среды, Предпочтителен раздельный сбор использованию возобновляемых ресурсов для малой энергетики и получению ряда Захоронение в естественных углублениях (карьерах, оврагах) или на специальных полезных продуктов полигонах с уплотненным глинистым дном путем сваливания и последующей засыпки слоем грунта. Высота ТБО может достигать 40 м. При таком методе разрушение отходов происходит не полностью (до 30%) и с низкой скоростью (в течение 30-50 лет) Полигоны ТБО - промышленные предприятия, где отходы отделены от окружающей среды герметично, а биогаз собирается и в дальнейшем используется как топливо Компостирование Твердофазная анаэробная переработка ТБО в метан БИОРЕМЕДИАЦИЯ – использование биологической активности для удаления загрязнителей из окружающей среды При загрязнении почв и грунтов: При обработке водоемов: Микроорганизмы, способные утилизировать загрязнитель -обработка на месте - ограничение распространения пятна загрязнителя физически устраняют загрязнитель путем промывания или соскабливания - механический сбор пленки с поверхности воды стимуляция развития представителей резидентной микробиоты, способных - стимуляция естественной микробиоты разрушать загрязнитель, путем внесения доступных источников углерода и - внесение микробных препаратов Интродукция в загрязненную область Стимуляция нитратов), развития активных к энергии (например, этанола), окислителей (кислорода, источников микроорганизмов, заведомо активных к веществ загрязнителю микроорганизмов, азота и фосфора и вспомогательных (например, эмульгаторов дляуже загрязнителю имеющихся в окружающей среде гидрофобных соединений) подача воздуха в почву с помощью вспашки или под давлением через Влияние физико-химических перфорированные трубысвойств конкретного объекта окружающей среды внесение микробных препаратов, которые содержат питательные вещества и ПОЧВА ВОДОЕМЫ соединения-протекторы, поддерживающие жизнедеятельность Гетерогенная среда Градиенты всех факторов более микроорганизмов в месте внесения Иммобилизация загрязнителя плавные -вывоз и очистка на специальных предприятиях Избирательная фильтрация через поры Быстрое распространение загрязнителя применяют при опасности проникновения загрязнителя в поверхностные и Доступность вещества может Доступность вещества может грунтовые воды ограничиваться ограничиваться удаляют почвенный слой и укладывают его в виде штабеля. С помощью Значительное биоразнообразие Значительное биоразнообразие перфорированных труб в штабель нагнетают воздух для окисления загрязнителя, микроорганизмов микроорганизмов а растворимую фракцию вымывают водой. При сильном загрязнении почву Высокая концентрация микробных Концентрация микробных клеток сжигают, превращая в минерализованный продукт. Полную выемку грунта клеток существенно ниже производят на территориях, занятых свалками и полигонами ТБО. Грунт просеивают и применяют для озеленения СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Факультет _____________________________ Курс __________________________________ Группа ________________________________ Фамилия Имя Отчество __________________ Дата: 2 апреля 2014 г. Вопрос 1. Какие способы предохранения продуктов от микробной порчи вы знаете? Перечислите. Вопрос 2. Какие вам известны микробиологические способы утилизации отходов? Перечислите.
