5 Характеристика микроорганизмов

5.1Метанотрофные бактерии

Метанотрофные бактерии представляют значительный интерес как потенциальные объекты биотехнологии: для производства белка, ферментов, липидов, стеринов, антиоксидантов, пигментов, полисахаридов, факторов транспорта железа, первичных и вторичных метаболитов (аминокислоты, органические кислоты, растворители, витамины, алкалоиды, антибиотики), биотрансформации органических соединений, снижения содержания метана в угольных шахтах, создания биосенсоров и энергетических биоэлементов[7].

Бактериальная биомасса, полученная на метане, представляет собой продукт с высоким содержанием витаминов и белка, в который входят все незаменимые аминокислоты. По составу аминокислот и витаминов биомассу метанотрофов можно сравнить с дрожжами, рыбной и соевой мукой, сухим молоком. В то же время, метанотрофы превосходят дрожжи по содержанию рибофлавина, холина и витаминов В₆ и В₁₂. Содержание В₁₂ в клетках метанотрофов составляло 8,9 мкг/г биомассы, а в смешанной культуре - до 42 мкг/г[7] .

Использование метана для получения белка одноклеточных имеет ряд преимуществ по сравнению с жидкими углеводородами: большие запасы природного газа, хорошая его транспортабельность, возможность получения готового продукта без дополнительной очистки от субстрата.

Учитывая способность метанотрофных бактерий осуществлять трансформацию широкого спектра органических соединений, предлагается использовать эти организмы для очистки сточных вод от различных детергентов, пестицидов и других ксенобиотиков. В связи с актуальностью проблемы охраны окружающей среды от загрязнений практическая значимость исследований в этой области очевидна[8].

Помимо биомассы с помощью метанотрофов предлагается также получать и внеклеточные полисахариды. Methylocystis parvus при росте на средах с метанолом достигал концентрации биомассы 14,5 г/л, в которой содержалось 22% белка и 62% полисахарида, состоящего из глюкозы (82%) и рамнозы (14%). При этом скорость роста составляла 0,65 час^-1. Термофильный метанотроф Н-2, продуцировал внеклеточные кислые полисахариды, содержащие глюкозу, маннозу, галактозамин и глюкуроновую кислоту, а также аминокислоты. На 3,6 г клеток синтезировалось 1,8 г олигосахаридов. О накоплении и экскреции полисахаридов культурами метанотрофов сообщалось и в других работах[7].

Довольно интересными представляются разработки биосенсоров метана и энергетических биоэлементов на основе метанотрофов. В одном из таких биоэлементов использованы клетки Methylomonas methanica (рисунок 24).

Рисунок 24 - Клетки Methylomonas methanica

Элемент состоял из двухсекционной ячейки, в которой одна секция представляла собой катод; другая (анод) содержала клетки метанотрофа (0,5 × 10⁹ кл/мл). Секции разделены двумя мембранами, между которыми вводили очищенный от кислорода азот для исключения переноса кислорода от катода к аноду. Элемент мог вырабатывать электроэнергию мощностью 2,8 микроватт/см² при напряжении 0,35 вольта [7].

Японские исследователи для детекции метана создали сенсор на основе иммобилизованных клеток Methylomonas flagellata, совмещенный с кислородным электродом. Добавление метана в смеси с кислородом вызывало снижение концентрации кислорода по сравнению с контрольной ячейкой, что фиксировалось по разности потенциалов. В течение 3 минут выявлялась концентрация метана 6,6 мМ. Сенсор функционировал стабильно в течение 20 суток.

Представляется перспективным использование метанотрофов для снижения концентрации метана в атмосфере угольных шахт. Особенностью метода является: (1) пневматическая обработка угольного пласта воздухом после нагнетания суспензии метанотрофов и (2) орошение суспензией метанотрофов сопутствующих пород выработанного пространства. При этом происходит интенсивное потребление метана бактериями, что приводит к снижению на 30-70% содержания метана в угольном пласте или атмосфере шахты[8].

Окисление метана (рисунок 25) происходит в четыре стадии, каждая стадия катализируется специальным ферментом:

1. NADH-зависимая метанмонооксигеназа;

2. CytC-зависимая метанолдегидрогеназа;

3. CytC-зависимая формальдегиддегидрогеназа (либо ее роль выполняет метанолдегидрогеназа);

4. NAD⁺-зависимая формиатдегидрогеназа.

Углерод фиксируется на стадии углекислого газа или формальдегида.

Рисунок 25 - Стадии окисления метана