Химия. Экология. Биотехнология – 2015

стороны, и препятствующих формированию БП болезнетворными бактериями – с другой.

Одним из факторов, влияющих на активность микрофлоры, населяющей желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), является состав потребляемой пищи. Особый интерес представляют полифенолы (ПФ) растений и полифенолсодержащие субстраты (овощи, фрукты, экстракты лекарственных растений). ПФ представляют собой обширный класс вторичных метаболитов растений, обладающих антиоксидантной активностью (АОА). Предполагается, что в этом качестве ПФ, поступающие в организм, участвуют в предотвращении патологий, связанных прямо или косвенно с окислительным стрессом (сердечно-сосудистые заболевания, канцерогенез, воспалительные процессы), воздействуя на регуляторные каскады макроорганизма.

Цель работы – комплексное изучение механизмов влияния полифенолов (ПФ) и экстрактов растений на биопленкообразование кишечными бактериями.

Изучено влияние водных экстрактов 16 лекарственных растений, зеленого и черного чая на способность бактерий Escherichia coli к образованию биопленок в присутствии/отсутствие антибиотиков. Среди них – зеленый и черный чай, а также экстракты лекарственных растений, широко применяемых в официальной и народной медицине. Измерена экспрессия антиоксидантных генов

истресс-регулонов как в планктонных бактериальных культурах, так и в составе биопленок, обработанных указанными экстрактами

иантибиотиками. Определен полифенольный состав экстрактов, проведена оценка их про- и антиоксидантных свойств in vitro. Обнаружено, что из испытанных экстрактов черный чай, A. uva ursi

(толокнянка), V. vitis-idaea (брусника), T. сordata (липа), B. pendula

(береза) и Z. mays (кукуруза) стимулировали биопленкообразование (БПО) бактериями. Экстракты A. millefolium (тысячелистник), U. dioica (крапива) и L. japonica (ламинария) оказывали ингибирующее действие на образование биопленок. Показано, что предобработка экстрактами оказывает стимулирующее влияние на

11

БПО даже в присутствии антибиотиков. Богатые полифенолами экстракты черного чая, V. vitis-idaea, A. uva ursi повышали БПО при действии ципрофлоксацина, стрептомицина и цефотаксима. Выявлена взаимосвязь между биопленкообразованием и прооксидантными свойствамииспытуемых экстрактови содержаниемв них ПФ.

Полученные результаты свидетельствуют о способности полифенолсодержащих экстрактов лекарственных растений модулировать биопленкообразование кишечных бактерий.

Работа поддержана грантом РФФИ-Урал № 14-04-96031.

УДК 543.86

А.А. Рукавицына, А.В. Бажутин, Л.Д. Аснин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНАНТИОМЕРОВ ФЕНИЛАЛАНИНА В КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Аминокислоты представлены в природе в форме двух оптических изомеров: L- и D-энантиомеров. Долгое время считалось, что все живые организмы содержат и используют в своей жизнедеятельности только L-аминокислоты, биологические функции D-ами- нокислот не изучались. Впоследствии, однако, было показано, что D-аминокислоты входят в состав некоторых белков и метаболизируются микроорганизмами*. При изучении подобных процессов возникает проблема определения содержания энантиомеров аминокислот в биологических образцах.

* Corrigan J.J. D-Amino acids in animals // Science. – 1969. – Vol. 164. – P. 142–149.

12

Представленная работа посвящена решению этой задачи на примере определения энантиомеров фенилаланина в культуральной жидкости методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Обсуждаются вопросы организации биохимиического эксперимента и последующей пробоподготовки. Показано, что автоклавная обработка растворов энантиомерно чистого фенилаланина в жидкой питательной среде Раймонда не приводит к его рацемизации, что делает возможным введение энантиомеров указанной аминокислоты в процесс культивирования в стерильных условиях.

Методика анализа предполагает разделение энантиомеров на хроматографе Shimadzu LC-20XR с УФ-детектором на хиральной колонке Nautilus-E (4,6 мм × 250 мм) при температуре 25 °С. В качестве подвижной фазы использовали ацетатный буферный раствор (рН = 5,2), приготовленный в смешанном растворителе водаметанол (60:40, v/v). Подвижную фазу модифицировали добавкой комплексообразователя (0,001 н Трилон Б) для маскировки тяжелых металлов, входящих в состав питательной среды. В указанных условиях энантиомеры полностью разделяются, выходят симметричными пиками. Для количественного анализа выбрана длина волны детектора 254 нм, поскольку в данных условиях калибровочная кривая линейна.

13

УДК 544.478-03

М.Н. Обирина, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин, И.И. Соколова

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ЩАВЕЛЕВОЙ КИСЛОТЫ ПРИ ОЧИСТКЕ ВОДЫ ПУТЕМ БИОДЕГРАДАЦИИ И КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОЗОНИРОВАНИЯ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Широкое применение щавелевой кислоты (ЩК) в химической, текстильной и кожевенной промышленности, а также в производстве моющих и чистящих средств приводит к интенсивному ее поступлению в сточные воды. Содержание ЩК в воде в соответствии

сПДК не должно превышать 0,5 мг/л, поэтому ее поступление в окружающую среду должно быть максимально снижено. Биоло-

гическое разложение ЩК до СО2 и Н2О затруднено вследствие ее довольно сильных кислотных свойств и энергетической бедности данного субстрата. В связи с отрицательным действием низких значений рН на жизнедеятельность микроорганизмов-деструкторов можно ожидать, что скорость биодеградации ЩК будет увеличиваться с уменьшением ее концентрации. В качестве одного из наиболее эффективных методов снижения концентрации ЩК в сточных водах можно рассматривать озонирование. Однако этот процесс является очень энергозатратным. В связи с этим для снижения энергетических затрат на очистку сточных вод от ЩК озонирование может быть применено только на первой стадии процесса с целью снижения концентрации ЩК до уровня, приемлемого для дальнейшей биодеградации. Однако возможность реализации процесса очистки воды от ЩК за счет совмещения ее биодеградации

спредварительным окислением озоном на данный момент остается неизученной. Также можно предполагать, что предварительное

14

окисление ЩК озоном можно интенсифицировать за счет применения катализаторов. Однако данных об эффективности их применения недостаточно, что свидетельствует об актуальности проведения исследований в данном направлении. В соответствии с этим целями работы являются изучение процессов минерализации ЩК путем биодеградации, некаталитического и каталитического озонирования, а также биодеградации с предварительным озонированием, их сравнительная оценка и выбор процесса для технологии очистки сточной воды от ЩК.

В ходе исследования из различных источников инокулята (активный ил очистных сооружений ООО «Пермнефтеоргсинтез», речной ил и вода) выделены смешанные культуры микроорганизмов, использующих ЩК в качестве единственного источника углерода и энергии. Показано, что наиболее интенсивно минерализация ЩК осуществляется культурой, выделенной из активного ила. Установлено, что биодеградация ЩК идет более интенсивно при малых ее концентрациях (менее 0,005 М). Увеличение концентрации ЩК ингибирует рост микроорганизмов и замедляет процесс ее биодеградации. Изучена динамика некаталитического озонирования ЩК. Установлено, что скорость минерализации ЩК при некаталитическом озонировании повышается с уменьшением рН, увеличением температуры и снижением начальной концентрации ЩК. Проведено исследование влияния катализаторов на скорость минерализации ЩК при озонировании. В качестве катализаторов были выбраны активированные угли (АУ) производства ОАО «Сорбент» (г. Пермь, Россия) двух марок (БАУ-А и АГ-3), различающихся своими текстурными характеристиками (таблица).

Как показывают полученные данные (см. таблицу), окисление ЩК под действием О3 без катализатора происходит очень медленно. При введении в озонируемый раствор катализаторов скорость окисления ЩК существенно повышается. Можно видеть, что каталитическая активность АУ увеличивается с повышением его удельной поверхности и доли мезо- и микропор. Показано, что с увеличением содержания катализатора (АГ-3) в диапазоне 0,2–

15

2,4 г/л эффективная константа скорости минерализации ЩК (kэфф) повышается с 6,5·10–3 до 18,5·10–3 мин–1. Установлено, что уменьшение размера частиц катализатора (АГ-3) приводит к существенному повышению его каталитической активности.

Характеристики катализаторов и их влияние на скорость минерализации ЩК

* kэфф – эффективная константа скорости минерализации ЩК.

На основе полученных данных предложена технологическая схема процесса очистки воды от ЩК.

УДК 544.034

Н.А. Климов, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ БИОКАТАЛИТИЧЕСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Глюконовая кислота является ценным химическим продуктом для фармацевтической и пищевой промышленности. Она может быть получена путем биокаталитического или химического окисления глюкозы кислородом воздуха. Биокаталитическое окисление

16

глюкозы до глюконовой кислоты протекает в присутствии фермента глюкозооксидазы (ГО). Химическое окисление глюкозы проводят в присутствии твердофазных катализаторов на основе палладия. Кинетическая стадия этих процессов очень быстрая, и скорость растворения О2 в водной фазе не обеспечивает потребности химического превращения. В связи с этим процессы окисления глюкозы протекают в диффузионном режиме, при котором в основном объеме водной реакционной среды О2 отсутствует. Таким образом, эффективно используется лишь та часть катализатора, которая находится в пограничном слое жидкости. Можно предполагать, что направленное концентрирование катализатора вблизи поверхности раздела фаз газ–жидкость позволит повысить скорость реакции окисления глюкозы и, соответственно, повысить эффективность использования дорогостоящих катализаторов на основе ГО и Pd. Одним из возможных путей концентрирования твердофазных частиц катализатора вблизи поверхности раздела фаз газ– жидкость является уменьшение смачиваемости их поверхности путем ее химического модифицирования с применением алкилтрихлорсиланов (АТХС). Однако влияние модифицирования поверхности катализаторов на основе Pd на их эффективность остается малоизученным. Данные о влиянии химического модифицирования поверхности биокатализаторов на основе иммобилизованной ГО в литературе отсутствуют. В соответствии с этим целью настоящего исследования является получение и изучение свойств катализаторов с модифицированной поверхностью для химического и биокаталитического окисления глюкозы, а также сравнительная оценка эффективности полученных катализаторов. Задачи исследования: 1) выделение культуры микроорганизмов – продуцентов ГО, изучение кинетики роста и глюкозооксидазной активности выделенной культуры; 2) получение твердофазного дисперсного носителя для биокатализатора окисления глюкозы, способного концентрироваться вблизи границы раздела фаз газ–жидкость; 3) получение биокатализатора окисления глюкозы путем физической иммобилизации микроорганизмов – продуцентов ГО на полученном твердофазном носителе, изучение активности полученного биокатализа-

17

тора; 4) получение катализаторов химического окисления глюкозы, способных концентрироваться вблизи границы раздела фаз газ– жидкость, изучение их каталитической активности; 5) сравнительная оценка катализаторов биохимического и химического окисления глюкозы до глюконовой кислоты.

В ходе исследования выделена культура микроскопических грибов – продуцентов ГО. По результатам микроскопирования и морфологическим признакам выделенная культура отнесена кроду Aspergillus. Изучена кинетика роста выделенной культуры. Показано, что наиболее высокая удельная скорость роста наблюдается при концентрации глюкозы 15 г/л. Измерена глюкозооксидазная активность биомассы и культуральной жидкости выделенной культуры. Установлено, что ГО выделенной культуры является эндоферментом.

Путем химического модифицирования (обработка АТХС с алкильными радикалами С1–С8) катализатора на основе Pd, нанесенного на оксид алюминия (Pd/Al2O3 (Sigma-Aldrich, Германия)), получены катализаторы окисления глюкозы, способные концентрироваться вблизи границы раздела фаз газ-жидкость. Показано, что активность полученных катализаторов существенно зависит от длины углеводородного радикала, присоединенного к его поверхности при модифицировании (табл. 1).

Таблица 1

Влияние длины углеводородного радикала АТХС, используемого для модифицирования, на активность катализатора (частота вращения мешалки 100 с–1, концентрация катализатора 1 г/л, концентрация АТХС в растворе для модифицирования 0,1 об. %)

Примечание: R, R0 – соответственно скорости окисления глюкозы в присутствиимодифицированного инемодифицированного катализатора.

18

Можно видеть (см. табл. 1), что наиболее эффективной является обработка катализатора метилтрихлорсиланом (С1–Pd/Al2O3). Изучено влияние концентрации метилтрихлорсилана в растворе для модифицирования на активность катализатора (табл. 2).

Таблица 2

Влияние концентрации метилтрихлорсилана в растворе для модифицирования на активность катализатора С1–Pd/Al2O3 (частота вращения мешалки 100 с–1, концентрация катализатора 1 г/л)

Полученные данные (см. табл. 2) показывают, что оптимальной для модифицирования катализатора является концентрация метилтрихлорсилана в хлороформе, равная 0,3 об. %.

19

УДК 544.478-03

Ю.О. Гуленова, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин, А.Е. Ошева, Р.Г. Хайбуллин

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛИЗАЦИЯ 4-НИТРОФЕНОЛА ПРИ ОЧИСТКЕ ВОДЫ ПУТЕМ БИОДЕГРАДАЦИИ

И КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОЗОНИРОВАНИЯ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Содержание нитрофенолов в воде в соответствии с ПДК должно находиться в пределах 0,002–0,300 мг/л, поэтому их поступление в окружающую среду должно быть максимально снижено. Биологическое разложение нитропроизводных фенола затруднено вследствие их токсичности по отношению к микроорганизмам. Известно, что в ряде случаев скорость биодеградации биорезистентных органических соединений можно повысить за счет их предобработки сильными окислителями. В качестве окислительных агентов обычно используют реактив Фентона, пероксид водорода, УФоблучение или озон. Одним из наиболее перспективных методов окислительной обработки нитрофенолсодержащих сточных вод является озонирование, эффективность которого может быть дополнительно повышена за счет применения катализаторов. Однако возможность интенсификации процесса биодеградации нитрофенолов с применением окислительной предобработки озоном на данный момент остается малоизученной. Недостаточно данных о возможностях повышения эффективности применения озона для окисления нитрофенолов в воде за счет введения в реакционную среду катализаторов. В соответствии с этим цели настоящего исследования: изучение процессов минерализации нитрофенолов на примере одного из них – 4-нитрофенола (4-НФ) путем биодеградации, некаталитического и каталитического озонирования, а также

20