Деградація ксенобіотиків за

допомогою мікроорганізмів

Лекція 3

Доля ксенобіотика у Доля ксенобіотика у навколишньому середовищінавколишньому середовищі

Ксенобіотик

Біологічна трансформація

Мінералізація Накопичення Полімеризація

Доля ксенобіотика у Доля ксенобіотика у навколишньому середовищінавколишньому середовищі

Зміни у хімічній структурі ксенобітика Зміни у хімічній структурі ксенобітика можуть призвести до зниження можуть призвести до зниження біодеградабельностібіодеградабельності

Плазміди Плазміди PseudomonasPseudomonas, їхній розмір і , їхній розмір і сполуки, за руйнування яких сполуки, за руйнування яких

відповідальні ферменти, що кодуються відповідальні ферменти, що кодуються цими плазмідамицими плазмідами

ПЛАЗМІДА Сполука, що деградуєтьсяСполука, що деградується Розмір плазміди, Розмір плазміди, т.п.н.т.п.н.

SAL СаліцилатСаліцилат 6060 SAL СаліцилатСаліцилат 7272 SAL СаліцилатСаліцилат 8383 TOL Ксилол і толуолКсилол і толуол 113113 pJPl 2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота 8787 pJP2 2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота 5454 pjP3 2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота2,4-дихлорфеноксіоцтова кислота 7878 САМ КамфораКамфора 225225 XYL КсилолКсилол 1515

Рас31 3,5-дихлорбензоат3,5-дихлорбензоат 108108 рас25 3-хлорбензоат3-хлорбензоат 102102 pWWO Ксилол і толуолКсилол і толуол 176176

NAH НафталінНафталін 6969 XYL-KXYL-K Ксилол і толуолКсилол і толуол 135135

Бактерії, що руйнують негалогеновані ароматичні з'єднання, як правило, перетворюють їх у катехол (рис) чи прото-катехоат :

Метаболічні шляхи біодеградації Метаболічні шляхи біодеградації ксенобиотиків, створені методами ксенобиотиків, створені методами

генної інженеріїгенної інженерії

Деякі мікроорганізми мають природну здатність до Деякі мікроорганізми мають природну здатність до деградації різних ксенобіотиків, однак варто мати на деградації різних ксенобіотиків, однак варто мати на увазі, що:увазі, що:

жоден з них не може руйнувати всі органічні сполуки; жоден з них не може руйнувати всі органічні сполуки; деякі органічні сполуки у високій концентрації деякі органічні сполуки у високій концентрації

пригнічують функціонування чи ріст деградуючих їх пригнічують функціонування чи ріст деградуючих їх мікроорганізмів; мікроорганізмів;

більшість джерел забруднення містить суміш хімікатів, і більшість джерел забруднення містить суміш хімікатів, і мікроорганізм, здатний руйнувати один чи декілька її мікроорганізм, здатний руйнувати один чи декілька її компонентів, може інактивуватися іншими компонентів, може інактивуватися іншими компонентами; компонентами;

багато неполярних з'єднань адсорбуються частками багато неполярних з'єднань адсорбуються частками ґрунту і стають менш доступними; ґрунту і стають менш доступними;

біодеградация органічних сполук часто відбувається біодеградация органічних сполук часто відбувається досить повільно.досить повільно.

На початку 1970 років лабораторія Герберта Бойера з Каліфорнійського університету у місті Сан-Франциско

виділила фермент, здатний розрізати ДНК в специфічних положеннях (рестриктазу). В цей же час

лабораторія Стенлі Коена в Стенфорді розробила метод для вбудови невеличкої циклічної частини ДНК,

що була названа “плазміда”, в бактерію, яка запрацювала як діюча ксерокопіювальна машина,

відтворюючи гени кожного разу, коли мікроб ділився. Доповіді про ці результати були зроблені у 1972 р. на

конференції на Гаваях, і результатом цього стала спільна робота по об’єднанню методів у єдину технологію. Через декілька місяців об’єднана

лабораторія мала технологію “клонування” генів, яка стала серцем засобів розшифровки структури ДНК,

генетичної інженерії та, зрозуміло, біотехнології

КЛОНУВАННЯ РЕКОМБІНАНТНОЇ ДНК

Роберт Свенсон 1922

Герберт Бойєр1936

В 1980 р. Г. Бойєр і Р. Коен одержали перший патент. Патенти принесли більше ніж 250 млн.

доларів роялті своїм власникам, перш ніж закінчився строк їх дії у 1997 р.

2001 г., Сан-Франциско, 25-а річниця фірми Genentech

Створення бактеріального штаму, здатного руйнувати камфору, октан, ксилол і нафталін.

Використання іммобілізованих Використання іммобілізованих клітин мікроорганізмівклітин мікроорганізмів

Клітинна Клітинна іммобілізаціяіммобілізація – це – це процес, при якому процес, при якому клітини клітини прикріплюються до прикріплюються до будь-якої поверхні будь-якої поверхні так, щоб їх так, щоб їх гідродинамічні гідродинамічні характеристики характеристики відрізнялися від відрізнялися від характеристик характеристик навколишнього навколишнього середовища. середовища.

Типи іммобілізації клітин:

а - прикріплення; б – залучення;

в – включення; г - агрегація

Переваги використання Переваги використання іммобілізованих клітин:іммобілізованих клітин:

Можливість легкої організації Можливість легкої організації безперервного процесу;безперервного процесу;

Збільшення загальної Збільшення загальної продуктивності;продуктивності;

Легке розділення клітин і рідини;Легке розділення клітин і рідини; Можливість повторного Можливість повторного

використання клітин;використання клітин; Посилення масообміну між газовою Посилення масообміну між газовою

та рідинною фазами;та рідинною фазами; Можливість роботи в режимі Можливість роботи в режимі

ідеального витиснення.ідеального витиснення.

МЕТОДИ КЛІТИННОЇ МЕТОДИ КЛІТИННОЇ

ІММОБІЛІЗАЦІЇІММОБІЛІЗАЦІЇ ПРИКРІПЛЕННЯ - ПРИКРІПЛЕННЯ - клітини будь-яким клітини будь-яким

способом прикріплюються до поверхні або способом прикріплюються до поверхні або твердого носія. Може бути адгезивним або твердого носія. Може бути адгезивним або хімічно індукованим.хімічно індукованим.

ЗАЛУЧЕННЯ - ЗАЛУЧЕННЯ - клітини поміщають клітини поміщають усередину різних простих матеріалів, як усередину різних простих матеріалів, як приготовлених заздалегідь, так приготовлених заздалегідь, так сформованих сформованих in situ in situ навколо клітин. навколо клітин.

ВКЛЮЧЕННЯ - ВКЛЮЧЕННЯ - сутність полягає в сутність полягає в іммобілізації шляхом включення клітин у іммобілізації шляхом включення клітин у заздалегідь підготовлену або утворену заздалегідь підготовлену або утворену оболонку. оболонку.

АГРЕГАЦІЯ - АГРЕГАЦІЯ - клітини іммобілізують шляхом клітини іммобілізують шляхом флокуляції з утворенням великих агрегатів.флокуляції з утворенням великих агрегатів.

ТИПИ РЕАКТОРІВТИПИ РЕАКТОРІВЗ ІММОБІЛІЗОВАНИМИ З ІММОБІЛІЗОВАНИМИ

КЛІТИНАМИКЛІТИНАМИ

Рис. Типи реакторів з Рис. Типи реакторів з іммобілізованими клітинами:іммобілізованими клітинами:

а - краплинний біофільтр;а - краплинний біофільтр;б - кошиковий реактор; б - кошиковий реактор; в - реактор з нерухомим шаром;в - реактор з нерухомим шаром;г - пластинчастий реактор; г - пластинчастий реактор; д - реактор з обертовими д - реактор з обертовими

дисками; дисками; е -реактор з е -реактор з

псевдорозрідженим шаром; псевдорозрідженим шаром; ж - реактор із циркуляцією ж - реактор із циркуляцією

шару носія;шару носія; з - струминний реактор; з - струминний реактор; 1 - насадка із частками 1 - насадка із частками

близьких розмірів; близьких розмірів; 2 - насадка із частками різних 2 - насадка із частками різних

розмірів; розмірів; 3, 5 - утримуючі пластини; 3, 5 - утримуючі пластини; 4, 6 - розподільники повітря4, 6 - розподільники повітря