Парафинокисляющие микобактерии

Одной из наиболее интересных особенностей микобактерий является их способность разлагать такие химически инертные соединения, как углеводороды, содержащиеся в нефти.

 

Предельные углеводороды вследствие строения молекул не вступают в реакции присоединения, а в реакции замещения вступают лишь при высоких температурах и давлении. Такие углеводороды и названы парафинами, что означает «обладающий малым сродством».

В последнее время ученые многих стран мира занимаются изучением углеводородокисляющих микроорганизмов. Такой повышенный интерес к ним связан с тем, что с помощью подобных микроорганизмов открываются возможности получения технического белка и других ценных продуктов из непищевого сырья, а также борьбы с нефтяными загрязнениями биосферы.

Лучистые грибки составляют основную массу микроорганизмов, способных усваивать углеводороды. Впервые углеводородокисляющие лучистые грибки были описаны голландским микробиологом Зенгеном, который обнаружил их в садовой почве, воде каналов и навозе. Для выделения этих микроорганизмов в чистую культуру Зенген применил простой, но эффективный метод. Он приготовил в колбах раствор минеральных солей, необходимых для развития микробных клеток. К этому раствору Зенген добавил парафин. В колбы со средой ученый внес комочки почвы. Поскольку парафин являлся единственным органическим веществом в среде, то в колбах развивались только те микроорганизмы, которые могли его усваивать. Таким методом Зенген в 1913 г. выделил 6 видов микобактерий, которые хорошо развивались на нефти или ее очищенных фракциях — бензине, парафиновом масле, твердом парафине.

 

Исследования Зенгена помогли понять, каким образом из каналов и рек постепенно исчезает нефть, оставленная судами. Ее разлагают микроорганизмы. Позднее парафинокисляющие лучистые грибки были найдены и другими исследователями в различных почвах, воде и иле водохранилищ; при этом чаще всего встречались микобактерии. Особенно богаты парафинокисляющими микобактериями почвы и пластовые воды нефтеносных районов, а также почвы на территории гаражей, нефтеперерабатывающих заводов, стоянок сельскохозяйственных машин и т. д.

Парафинокисляющие микобактерии характеризуются способностью легко разлагать углеводороды. Это свойство, как оказалось, присуще обширной группе микобактерий. Поэтому большая часть парафинокисляющих микобактерий была отнесена выделившими их исследователями к известным видам. Если суммировать эти данные, то мы увидим, что видовой состав парафинокисляющих микобактерий не слишком разнообразен и составляет примерно 20 видов. Наиболее часто встречаются Mycobact. lacticolum, Mycobact. flavum, Mycobact. rubrum, Mycobact. luteum, Mycobact. mucosum. Поскольку большая часть парафинокисляющих микобактерий принадлежит к известным видам, то строение их клеток типично для этих видов. Отличием является несколько меньший размер клеток культур, растущих на среде с парафином. Например, клетки Mycobact. lacticolum var. aliphaticum при росте на мясо-пептонном агаре имеют длину 3-4 мкм и толщину 0,8-1 мкм. на среде с парафином клетки этой же культуры мельче (длина 2-3 мкм и ширина 0,4-0,6 мкм).

 

Кроме известных видов, ученые обнаружили и такие культуры, которые по своим свойствам не совпадали ни с одним из описанных. Например, был выделен новый вид — Mycobact. viridae. Эти микроорганизмы отличались от остальных тем, что росли только на среде с парафином и не развивались на обычно употребляемых питательных средах; кроме того, они образовывали ярко-зеленый пигмент. Описано два новых вида парафинокисляющих микобактерий — Mycobact. ceroformans и Mycobact. paraffinicum. Исследование клеток этих организмов с помощью электронного микроскопа показало, что они обладают интересными морфологическими особенностями, не найденными до сих пор у микобактерий других видов. Оказалось, что клетки Mycobact. ceroformans окружены гроздевидными образованиями, которые прикреплены к оболочке клетки и состоят из отдельных округлых гранул (рис. 101). Сама оболочка имеет неровную, бугристую поверхность, усеянную тонкими нитями. Из крупных бугров на поверхности клетки, очевидно, и происходит выделение гранулярного вещества (рис. 102). Причем подобные гроздевидные структуры отсутствуют, если клетки Mycobact. ceroformans выращены на среде без углеводородов.

Клетки Mycobact. paraffinicum обладают длинными нитевидными выростами, при помощи которых они соединяются между собой и образуют гроздевидные или розетковидные скопления (рис. 103). Эти выросты отходят, как правило, от боковых сторон палочковидных клеток. В обычном микроскопе они видны уже в молодой (8-часовой) культуре, в суточной культуре выростов становится больше. При помощи этих выростов клетки соединяются друг с другом, образуя крупные скопления, состоящие из многих десятков, а иногда и сотен клеток (рис. 104). В электронном микроскопе видно, что выросты от разных клеток, встречаясь, спирально закручиваются один вокруг другого, образуя узловатые стволы — утолщения (рис. 105). К этим утолщениям присоединяются все новые выросты от других клеток. В конце концов, образуются очень крупные корневидные структуры, толщина которых может превышать диаметр вегетативных клеток (рис. 106). Подобные структуры клетки Mycobact. paraffinicum образуют не только на среде с парафином, но и на других средах. Однако меньше всего их наблюдается при выращивании культуры на самой богатой питательными веществами среде — мясо-пептонном агаре.

 

Роль этих структур в жизни клеток еще не выяснена. Возможно, при их помощи происходит обмен продуктами метаболизма отдельных клеток или осуществляется максимальный контакт с субстратом. Последнее обстоятельство для парафинокисляющей культуры чрезвычайно важно. Действительно, ведь углеводороды нерастворимы в воде. Несмотря на это, углеводородокисляющие микобактерии прекрасно развиваются в водной среде с парафином.

Как же осуществляется контакт между ними и субстратом? Оказалось, что клетки микобактерий прочно прикрепляются к каплям парафина, окружая их плотным слоем (рис. 107), и в этом процессе, по-видимому, определенную роль играют поверхностные клеточные структуры.

Постепенно парафин из капли «выедается», а слой клеток нарастает.

Большинство парафинокисляющих микобактерий, кроме углеводородов, может использовать и другие субстраты — сахара, органические кислоты, высшие спирты, жиры и пр. Но среда с углеводородом является для микобактерий оптимальной. Очень немного таких культур, которые нормально растут и развиваются только на среде с углеводородом (или продуктами его окисления), а при переносе на среды с другими субстратами погибают. Такова, например, Mycobact. ceroformans. Химическое строение углеводородов очень разнообразно. Различают ациклические, алициклические и ароматические углеводороды. Ациклические углеводороды представляют собой соединения с открытой цепью углеродных атомов, не содержащие в молекулах колец, или циклов. Они могут быть предельными, или насыщенными (парафины), и непредельными (ненасыщенными), с двойными или тройными связями между атомами углерода. К алициклическим соединениям относят все вещества, содержащие кольца из углеродных атомов, кроме бензола и его производных. Наконец, к ароматическим углеводородам относятся вещества, имеющие в молекуле особую кольцевую группировку — бензольное ядро. И отношение углеводородокисляющих микобактерий к этим соединениям неодинаково.

 

Ациклические углеводороды окисляются микобактериями гораздо легче ароматических. Однако разные группы ациклических углеводородов окисляются лучистыми грибками также с разной интенсивностью. Газообразные углеводороды — метан, этан, пропан и бутан — используются многими микобактериями, но с отчетливо выраженной приспособленностью микроорганизма к одному определенному соединению. Так, известно несколько видов микобактерий, окисляющих только метан. Очень немногие лучистые грибки могут усваивать жидкие летучие углеводороды (от пентана до октана). Углеводороды с числом углеродных атомов от 12 до 18 наиболее доступны. Однако и к ним разные штаммы относятся неодинаково. Например, Mycobact. paraffinicum предпочитает углеводороды с цепочкой из 16 -18 атомов углерода, a Mycobact. lacticolum var. aliphaticum — с цепочкой из 13-18 атомов. Все углеводороды с прямой цепью усваиваются микобактериями легче, чем с разветвленной; ненасыщенные легче насыщенных. Даже такие вещества, как асфальт, битумы, резина, каучук, разрушаются лучистыми грибками.

Mycobact. citreochromogenun, найденная в образцах подземных вод нефтеносных районов, окисляет различные ароматические углеводороды, но особенно хорошо нафталин. Этот микроорганизм разлагает также и парафины.

 

Механизм разложения углеводородов. Окисление углеводородов микобактериями представляет собой ряд ферментативных реакций, следующих одна за другой, конечным продуктом которых является жирная кислота — наиболее окисленное соединение:

 

CH₃—(CH₂)_n—CH₂—CH₃ →

→ CH₃—(CH₂)_n—CH₂—CH₂OH →
→ CH₃—(CH₂)_n—CH₂—CHO →

→ CH₃—(CH₂)_n—CH₂—COOH

углеводород → спирт → альдегид → кислота

 

Самым важным в этой цепи является первый этап — введение кислорода в молекулу углеводорода.

Первичное окисление парафинов микобактериями может идти двумя путями:

1. в окисляемую молекулу вводятся два атома кислорода, образуется гидроперекись, которая затем превращается в спирт:CH₃—(CH₂)_n—CH₃ + O₂ →

   → CH₃—(CH₂)_n—CH₂—O—OH + H₂ →

   → CH₃—(CH₂)_n—CH₂OH + H₂O

    

2. в окисляемую молекулу вводится один атом кислорода, спирт образуется сразу:

   CH₃—(CH₂)_n—CH₃ + O₂ + H₂ →
   → CH₃—(CH₂)_n—CH₂OH + H₂O

    

 

Интенсивность окисления углеводорода зависит от того, насколько насыщена среда кислородом, т. е. от аэрации. Спирты и альдегиды являются промежуточными продуктами окисления углеводородов, в клетках они не накапливаются.

Конечный продукт окисления — кислоты. С помощью метода газожидкостной хроматографии было выявлено, что при окислении высокомолекулярных парафинов в клетках микобактерий обычно накапливаются жирные кислоты с таким же числом углеродных атомов, какое имел исходный углеводород. В меньшем количестве присутствуют кислоты, углеродные цепи которых укорочены на два углеродных фрагмента. Так, в клетках Mycobact. paraffinicum, окисляющей углеводород гексадекан C₁₆H₃₄, содержатся следующие жирные кислоты: пальмитиновая C₁₆H₃₂O₂ (74%), маргариновая C₁₄H₂₈O₂ (18%), лауриновая C₁₂H₂₄O₂ (6%) и каприновая C₁₀H₂₀O₂ (2%).

 

Жирные кислоты в свободном состоянии содержатся в клетках в небольшом количестве. Часть их используется микобактериями на синтез клеточных жиров и жироподобных веществ — липидов. Другая часть жирных кислот расщепляется на низкомолекулярные вещества, использующиеся клеткой для построения белков, углеводов и других необходимых соединений.

Липиды парафинокисляющих микобактерий, как, впрочем, и других микроорганизмов, представляют собой производные жирных кислот — триглицериды, воск и ряд специфических соединений. Все это — вещества сложно-эфирной природы. Так, триглицериды, выделенные из клеток Mycobact. paraffinicum, окисляющей гексадекан, представляют собой эфиры глицерина и трех жирных кислот — пальмитиновой, маргариновой и лауриновой. Причем преобладает в этой смеси соединение, называемое трипальмитином.

Трипальмитин входит в состав многих природных жиров, в частности сливочного масла.

Воска — это тоже сложные эфиры, образованные высшими жирными кислотами и высшими спиртами. Некоторые виды парафинокисляющих микобактерий накапливают в клетках большое количество воска. Например, в культуре Mycobact. ceroformans при выращивании на среде с гексадеканом накапливается в больших количествах воск цетилпальмитат, который образуется из цетилового спирта и пальмитиновой кислоты.

Исследование липидов парафинокисляющих микобактерий помогает раскрыть механизм окисления углеводородов разными штаммами микобактерий.

 

Распространение в природе

Микобактерии широко распространены в природе. Среди них есть как патогенные виды, вызывающие тяжелые заболевания у человека и животных, так и безвредные организмы, часто встречающиеся в почве, воде, пищевых проду[править]ктах.

Толчком к изучению микобактерий послужила их патогенность. Первым был открыт возбудитель туберкулеза — Mycobact. tuberculosis, о котором упоминалось в начале главы. Попадая в организм животного или человека, туберкулезная микобактерия поселяется на ткани и начинает размножаться. Образуется небольшой бугорок сероватого цвета, в центре которого находится скопление клеток микобактерий. Постепенно отдельные бугорки сливаются, омертвевшая ткань превращается в крошковатую желтую массу, образуется так называемый творожистый некроз. В случае поражения легких эта творожистая масса выделяется при кашле, а на месте некроза остается большая полость (каверна).

С глубокой древности известна людям болезнь проказа. В 1874 г. норвежским врачом Гансеном был открыт возбудитель проказы — Mycobact. leprae.

К микобактериям относится и возбудитель дифтерии — Mycobact. diphtheriae (синоним — Corynebacterium diphtheriae). Поселяясь на слизистой зева или носа, эти организмы начинают выделять токсическое вещество. Дифтерийный токсин — один из с[править]амых сильных биологических ядов. Проникая в кровь, он поражает сердце, почки, надпочечники и нервы; иногда возможен летальный исход. Токсин нейтрализуется антитоксином, который есть в организме больного (естественный иммунитет) либо вводится в виде сыворотки. Недавно установлено химическое строение дифтерийного токсина. Он представляет собой сложный эфир миколовой кислоты и дисахарида трегалозы. Помимо описанных возбудителей туберкулеза, проказы, дифтерии, есть и другие виды микобактерий, патогенные для человека и животных. Фитопатогенные формы встречаются редко.

Наряду с описанными существует очень много микобактерий совершенно безвредных. Это — сапрофитные формы. Большая часть их обитает в почве, где принимает активное участие в минерализации органических остатков. Они могут разлагать такие вещества, которые недоступны другим микроорганизмам или плохо усваиваются, например нефтяные остатки, воск, гуминовые соединения и др. Микобактерии прекрасно развиваются в почве с минимальной влажностью, при температуре, которая задерживает рост других организмов, а также в почвах с большим содержанием солей. Благодаря этим особенностям микобактерии играют особенно важную роль в превращении органических веществ в засушливых жарких районах, а также засоленных почвах.

Микобактерии принимают участие в процессах силосования, квашения, в приготовлении некоторых молочнокислых продуктов и сыров.

 

 Применение

Микроорганизмы, «поедая» углеводороды, содержащиеся в нефти, накапливают значительное количество клеточной массы. Более половины этой массы составляет белок. Таким образом, выращивая парафинокисляющие микроорганизмы на нефтяных фракциях, можно получать белок из непищевого сырья. Для получения белка из углеводородов используют дрожжевые организмы, так как белок парафинокисляющих лучистых грибков, в частности микобактерий, менее ценный. Однако лучистые грибки, окисляющие углеводороды, способны синтезировать ряд ценных соединений. Это их свойство может быть использовано в народном хозяйстве. Например, как уже упоминалось, Mycobact. ceroformans превращает гексадекан в цетилпальмитат, который широко применяется в парфюмерной промышленности. Добывают это вещество из головного мозга кашалотов. Парафинокисляющие микобактерии синтезируют разнообразные витамины. Одни штаммы образуют витамины группы В, в частности рибофлавин. Другие накапливают каротиноиды — вещества, близкие к витамину А. Найдены и такие микобактерий, которые, окисляя углеводороды, выделяют в среду значительные количества аминокислот.

Известно несколько штаммов микобактерий, превращающих нафталин в салициловую кислоту, из которой приготовляют аспирин. В настоящее время при получении витаминов и аминокислот используется дорогое пищевое сырье, например сахара. Из приведенных примеров видно, что его можно заменить нефтяными углеводородами. Работа в этом направлении очень перспективна.

Есть еще одна область, в которой парафинокисляющие микобактерии могут сыграть существенную роль. За прошедшие 40 лет загрязнение нефтепродуктами рек, морей, океанов, почвы и атмосферы возросло во много раз. По данным американского журнала «National geografic magazin», каждый год выбрасывается в океаны от 3 до 10 млн. т нефти. Так, Тур Хейердал находил нефтяные шарики и пленку далеко в океане на протяжении всего плавания на «Ра-2».

К каким губительным последствиям для всего живого приводит загрязнение морей нефтью, показала гибель танкера «Торри Каньон», когда у берегов Корнуэлла погибло более 40 тыс. птиц, на многие километры были испорчены устричные поля и пляжи.

Эти примеры показывают, насколько острой стала проблема уничтожения нефтяных отходов. Химическая очистка нецелесообразна, так как приводит к накоплению еще более ядовитых соединений. Адсорбционные методы очистки также неэффективны из-за непарафинокисляющих достаточно глубокой очистки и трудности регенерации ионитов.

Наиболее перспективным является микробиологическое разрушение углеводородов нефти, приводящее к превращению их в нетоксичные кислородсодержащие вещества. Так, например, используя культуры активных парафинокисляющих микобактерий, можно во многих случаях предотвратить загрязнение биосферы нефтепродуктами. Такие культуры, как Mycobact. paraffinicum и Mycobact. lacticolum var. aliphaticum, прекрасно разлагают многие образцы нефти.

Учитывая имеющиеся данные о биосинтезе парафинокисляющими микроорганизмами витаминов, аминокислот, каротиноидов и других полезных метаболитов, можно предположить, что клеточная масса культур, разлагающих нефтяные отходы, может быть использована и в качестве удобрения.

Микобактерии нашли применение также как активные продуценты аминокислот (см. также стр. 443). Наиболее широкое использование с целью получения глютаминовой кислоты получил вид Mycobact. glutamicum. Выделены также микобактерии, продуцирующие l-валин.

 

 

                                     Что же светит нам сейчас?

   Именно в нашей стране были разработаны и внедрены технологии промышленной микробиологии.

 Сейчас,  когда мы рискуем отстать в генетике  и созидаем продовольственную безопасность, именно на основе развития  микробиологического  производства можно найти вектор развития Технологий Будущего.

 Замкнутые циклы переработки отходов городов и животноводческих хозяйств. Встраивание таких циклов в биосферу не травмируя ее критическим загрязнением. Решение проблемы голода на несколько веков вперед.

 Прогресс в масштабных генетических исследованиях без прямого употребления ГМО от Монсанто, безальтернативность потребления  которого,  нам внушают проплаченные пропагандисты порабощения страны.

 Использование нефтяных и газовых запасов на развитие собственной страны!.. в конце концов.

 Перспектива прямого синтеза высококачественной пищи.

 

При М.Горбачеве проект закрыли:

 

В ноябре 1989 года Верховный Совет СССР принял постановление “О неотложных мерах экологического оздоровления страны”. Оно предусматривало с 1991 года прекращение производства кормового белка из парафинов нефти. Заводы рекомендовалось перепрофилировать. — Но они не подлежали перепрофилированию, так как были заточены под конкретные технологии! Принятое решение означало смерть технологий и микробиологической промышленности. — Вы не сгущаете краски? — Нет. Это была не просто трагедия. Вы понимаете, что такое почти полтора миллиона тонн белка? Сразу же упало птицеводство, которое не может развиваться без белка, а закупить его тогда за границей было не на что. Откуда “ножки Буша” взялись? Мы содержим птицефабрики США до сих пор.

 

 

 

 

Закрытием папринового производства Горбачев давал понять заокеанскому партнеру о намерении добровольно отказаться от стратегического паритета. Сначала пустить под нож биотехнологии и поставить точку на бактериологической программе. А там в ликвидационной очереди дойдет черед и до ядерной программы...

 

 

 

 

В 2007 году в РФ потреблялось в среднем 55 кг мяса на душу населения, а в США — 119 кг.

 

 

 

Москва, 19 ноября 2014 года "Газовая промышленность России готова дать газ в любой точке страны на льготных условиях для производства кормового белка, который позволит поднять наше животноводство: и масло будет, и молоко будет", - пояснил академик Анатолий Дмитриевский, который является директором Института проблем нефти и газа РАН.

 

Ученый считает, что "закрытость перед распространением открытий и инноваций не приносит благ для развития цивилизации". Академик РАН Юрий Лачуга, ранее состоявший в Россельхозакадемии, высказал мнение, что полученные подобным образом вещества не представляют опасности.

"Это нисколько не опасно, это отработанные технологические процессы, и страны, которые имеют большие запасы углеводородов, довольно спокойно используют эти технологии", - сказал Юрий Лачуга.
 

 

Пришла пора  не только восстановить, но как в ВПК и других вопросах идти в будущее, не забывая прошлого..

 

источники:

Микобактерии,

Кормовые дрожжи