Контролируемый окислительный стресс – новый путь совершенствования процессов биосинтеза и биологической очистки Господствующее мнение – необходимо бороться со стрессом, используя антиоксиданты, поскольку стресс всегда оказывает отрицательное влияние Наша точка зрения – необходимо использовать оптимальный стресс! Показано, что в некоторых случаях оптимальные дозы стрессоров могут улучшить выходные характеристики микробного синтеза и деструкции Важно - Предадаптация микробных популяций к стрессорам - Малые дозы стресс-факторов - Зависимость положительных эффектов от плотности популяции, оптимального физиологического состояния, дозы стрессоров - Одновременное использование стресс- и антистресс-факторов Контролируемый окислительный стресс – комбинирование оптимальных доз АФК и антистресс-факторов, учет роли АФК в изменении и ухудшении показателей биосинтеза АФК – H2O2, антистрессоры – видимый свет: удобны с технологической и экологической точек зрения Важная роль АФК (H2O2 и др.) в процессах самоочищения в окружающей среде Абиотические источники Н2О2 в водных природных средах Биота Н2O2 Процессы нерадикальной деструкции DН2 Сопутствующие процессы окисления Ионы с переменной валентностью ОН Радикальные процессы самоочищения Цикл самоочищения в природных водных средах с участием H2O2 (по Г.A. Богдановский, 1994) Воспроизведение условий окружающей среды в тонком поверхностном слое воды или на освещаемых Солнцем поверхностях твердых тел, биопленок Видимый свет Солнца Изобилие микрофлоры и мезофауны Солнечный ультрафиолет O2, аэрация Поверхность воды, поверхностная пленка субстраты Силы поверхностного натяжения Активные формы кислорода: H2O2, O3, и др. 7 6 D, opt. unit 5 2 4 1 3 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500 tim e, m in Рост дрожжей Candida tropicalis при облучении ультрафиолетом и видимым светом. 1 – контроль без УФ-облучения, 2 – с облучением ультрафиолетом и освещением светом, 3 – с облучением ультрафиолетом в темноте. 600 D) 1000 мл CO2/л*ч 800 C) B) 600 400 A) 200 0 0 20 40 60 80 100 Время, ч Влияние комбинированного действия H2O2 и видимого света на активность дрожжей S. cerevisiae при этанольной ферментации A) Предадаптиованная к H2O2 культура, ферментация в темноте; B) контрольная культура, ферментация без H2O2 и при освещении светом; C) предадаптированная к H2O2 культура, ферментация с освещением светом; D) предадаптированная к H2O2 культура, ферментация с освещением светом, более поздний пассаж Рост дрожжей Candida tropicalis в режиме культивирования с подпиткой и добавлением H2O2 Bacteriorhodopsin 45 1,8 40 1,6 35 1,4 30 1,2 ВП 25 1 ВП 20 0,8 ВП 15 Д Д 10 0,6 ЗА ВП Бактериородопсин, г/л Биомасса, г/л Biomass 0,4 5 0,2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 200 Время, ч Культивирование Halobacterium salinarum в режиме с подпиткой субстратом в условиях контролируемого стресса Д – добавление свежей порции среды в биореактор, ВП – добавление органического субстрата (пептон, дрожжевой экстракт) H2O2, малыми дозами периодически Nin, Pin h Биоценозы, предадаптированные к H2O2 Полная минерализация до H2O, CO2, минеральные соли Биологическая замкнутая система очистки Высококонцентрированные стоки, добавление по мере окисления H2O2, малыми дозами периодически h Тканевый фильтр Сточная вода Аэротенк Полный рецикл активного ила Вторичный отстойник Очищенная сточная вода Биодеструкция фенола в режиме окисления с подпиткой и добавлении H2O2 16 100 Phenol added, g/l 80 12 10 60 8 40 6 4 20 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 time, h Cphenol added optical density Cphenol residual 0 1800 phenol residual, g/l optical density 14 Биодеструкция фенола в проточном режиме при добавлении H2O2 Показатель Скорость разбавления Максимальная концентрация фенола Окислительная мощность Остаточная концентрация фенола Устойчивость к H2O2 Значение Контроль С добавлением H2O2 не более 0,04 ч-1 до 0,12 ч-1 не более 3 г/л до 3 г/л не более 0,12 г/л.ч до 0,22 г/л.ч 0,1-0,3 г/л 0,01-0,1 г/л - до 3 г/л Сравнение очистки модельного стока пивоварения и реального стока солодовни при одновременном действии H2O2 и видимого света Характеристики сточной воды Сточная вода солодовни, ХПКвх. 2000 мг/л Модельный сток пивоварения, ХПКвх. 1000–2000 мг/л Условия очистки Очистка в периодическом режиме, с гранулированным илом; после 1 сут. очистки 2 сут. очистки 3 сут. очистки Проточная очистка с активным илом и биопленкой с полной рециркуляцией активного ила; 1–3 сут. очистки Без H2O2 и освещения с H2O2 и освещением ХПКвых., мг/л 125–260 90–200 70–100 90–230 40–100 20–60 ХПКвых., мг/л 50–200 мг/л Не детектируется – 40 мг/л Показатели очистки модельного стока при одновременном действии H2O2 и видимого света в режиме очистки с полным рециклом активного ила - ХПКвх. – 700-2000 мг/л - ХПКвых. – не детектируется – 40 мг/л - время пребывания воды в системе – 1-3 сут. - дозы H2O2 – не более чем 5-10 мг/л.сут; - интенсивность освещения – 1-10 мВт/л Основные положения концепции “Контролируемого окислительного стресса” - учет влияния АФК, УФ-излучения солнца, видимого света, их одновременного действия; - воспроизведение природных условий на открытых поверхностях воды и твердых тел; - Новые технологические решения, в частности: - замкнутые системы очистки воды; - гибридные системы биодеструкции и биоочистки; - совершенствование высокоплотностного культивирования; - поддержание высокой активности культур в системах с иммобилизованными микроорганизмами; - совершенствование биосинтеза и биоочистки в мембранном реакторе (искусственная пероксисома); - получение биопрепаратов с высокой биологической активностью; - Принятие во внимание роли АФК, УФ-излучения солнца, видимого света в процессах самоочищения и регуляции активности микробных ценозов, отслеживание этих влияний в системе мониторинга состояния природных водоемов. Система мониторинга Концентрация загрязнений (ХПК, N, P, ВВ, и др.) H2O2 в воде hν, видимый свет, УФА + УФБ Гетеротрофные микроорганизмы Маркеры стрессответа (SOS-гены и др.) Фототрофные микроорганизмы (микроводоросли, цианобактерии) Скорость адаптации к окислительному стрессу Вариант системы мониторинга для оценки состояния природных водоемов, процессов самоочищения и биологической очистки сточных вод Патенты РФ № 2188164 (of 27.08.02) (очистка сточных вод) № 2209186 (of 26.12.2003) (очистка сточных вод) № 2268924 (of 23.11.2004) (спиртовая ферментация дрожжей) № 2323226 (of 30.05.2006) (культивирования галобактерий) № 2323251 (of 30.05.2006) (культивирование галобактерий) Заявка на патентование № 2007143891 от 28.11.2007 (получение биоэтанола) Участники: сотрудники и аспиранты кафедры биотехнологии: Калёнов С.В., Сафронов В.В., Вакар Л.Л.; студенты-дипломники При содействии сотрудников ГосНИИгенетика (Складнев Д.А., Миронов А.С.); ФГУП НПО «Астрофизика» (Серегин А.М., Солдатов В.И.) Спасибо за внимание! Контакты: ae-kuz@yandex.ru aekuz@muctr.ru