5. Свойства метанотрофов в свете практического применения

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.

Исследования в области микробиологического синтеза белка на метане были начаты почти одновременно с разработкой процессов культивирования микроорганизмов на жидких углеводородах. Одна­ко из-за низких выходов биомассы и трудностей конструктивного оформления технологического процесса разработка методов микро­биологического получения белка на природном газе долго время на­ходилась на стадии лабораторных исследований.

В результате выделения активных культур метанотрофов, а также достижения определенных успехов в разработке технологии непре­рывного культивирования, стало возможным получать сравнительно высокие урожаи бактерий при таких скоростях протока, которые обеспечивают экономически приемлемую продуктивность процесса (1 г биомассы/л.час). В дальнейшем был осуществлен процесс непрерывного культивирования метанотрофов с высокими показателями по продуктивности (1,5-2 г/л.час). Сооб­щалось, что в хемостатном режиме в условиях диализного удаления внеклеточных метаболитов концентрация клеток метанотрофов может составлять 30 г/л.

Эти результаты, в основном, получены на смешанных культурах, которые, как считалось, способны достигать значительно больших, по сравнению с чистыми культурами метанотрофов, концентраций биомассы при меньшем времени генерации.

Мшенский (1979) первым экспериментально доказал возможность высокоэффективного процесса получения бактериальной биомассы чистых культур метанотрофов. Им была разработана минеральная среда с высоким содержанием ионов меди и определе­ны условия культивирования чистой культуры Methylomonas methanica 12, позволившие на природном газе достичь производи­тельности процесса 3,25 г/л-час.

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 .

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.

Помимо биомассы с помощью метанотрофов предлагается также получать и внеклеточные полисахариды. Methylocystis parvus OBBP 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.

Довольно интересными представляются разработки биосенсоров метана и энергетических биоэлементов на основе метанотрофов. В одном из таких биоэлементов использованы клетки Methylomonas methanica. Элемент состоял из двухсекционной ячейки, в которой одна секция представляла собой катод; другая (анод) содержала клетки метанотрофа (0,5 х 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.

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 (500 определений).

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.

СПЕЦКУРС «ЧАСТНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ. СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ»

Лекция 5.1 Эубактерии, осуществляющие брожение. Характеристика. Химизм ферментативных процессов. Экология и биологическая роль в природе.

План лекции:

32. Характеристика брожения как способа получения энергии.

33. Молочнокислое брожение и бактерии вызывающие данный процесс.

34. Эубактерии осуществляющие спиртовое брожение.

35. Пропионовокислое брожение.

36. Клостридии и маслянокислый тип брожения.

1. Характеристика брожения как способа получение энергии.

Наиболее примитивным способом получения энергии, прису­щим определенным группам эубактерий, являются процессы бро­жения.

Брожение — это способ получения энергии, при кото­ром АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органи­ческих субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования

Круг органических соединений, которые могут сбраживаться довольно широк. Это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Химическое вещество может быть подвергнуто сбраживанию, если оно содержит неполностью окисленные (или восстановленные) углеродные атомы.

Продуктами брожений; являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, а также С0₂ и Н₂. Обычно в процессе брожения образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, различают молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожений.

Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитозоле клетки. Это указывает на простоту химических механиз­мов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования.