Изучение процессов микробного метаболизма органических нитросоединений и разработка эффективного биокатализатора для их биотрансформации и биодеградации

  • В.А. Демаков Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • А.Ю. Максимов Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Ю.Г. Максимова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • А.И. Халитова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • А.В. Шилова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • А.С. Литасова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Ю.А. Павлова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • С.В. Козлов Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Г.В. Овечкина Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
Ключевые слова: бактерии, биокатализ, биоочистка, биотрансформация, нитросоединения, нитротолуол, нитроцеллюлоза, ТНТ

Аннотация

В результате селекции из природных и техногенно-измененных сред выделены сообщества аэробных гетеротрофных бактерий, способные к использованию труднометаболизируемых органических нитратов (коллоксилин, нитрофенол, нитробензол, динитробензол) в качестве источников углерода и/или азота. Получены активные культуры, идентифицированные как актинобактерии родов Rhodococcus ( Rhodococcus erythropolis, Rhodococcus ruber, Rhodococcus rodnii ), Arthrobacter , Gordona , бациллы видов Bacillus pumilus и Bacillus thuringiensis , а также протеобактерий Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida и Pseudomonas extremaustralis , обладающие высокой биодеградативной активностью по отношению к нитроцеллюлозе и ароматическим нитросоединениям. Проведен метагеномный анализ микроценозов техногенно-измененных грунтов и производных стоков пермских химических предприятий, использующих нитросоединения ФГУП: «Пермский пороховой завод», ОАО «Соликамский завод «Урал», ОАО «Камтэкс-Химпром», а также естественных сред - рек и карстовых озер, природных дерново-луговых и подзолистых почв. В результате ПЦР-анализа у активных культур протеобактерий обнаружены гены нитроредуктаз, характерные для некоторых представителей рода Pseudomonas. Показано, что выделенные изоляты Pseudomonas и Rhodococcus обладают амидазной активностью и имеют гены амидаз известных типов.

Литература

  1. Гладченко М.А., Гайдамака С.Н., Мурыгина В.П., Лифшиц А.Б., Черенков П.Г. Исследование процесса твердофазной аэробной ферментации нитроцеллюлозосодержащего осадка сточных вод методом лабораторного моделирования // Химическая физика. - 2015. - Т. 34(6). - С. 30-37. 2.
  2. Лазарев Н.В., Левин Э.Н. Лазарев Н.В. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Т. 2. Органические вещества. - 1976. - 724 с.
  3. Максимов А.Ю., Кузнецова М.В., Овечкина Г.В., Козлов С.В., Максимова Ю.Г., Демаков В.А. Влияние нитрилов и амидов на рост и нитрилгидратазную активность штамма Rhodococcus sp. gt 1 // Прикладная биохимия и микробиология, - 2003. - Т. 39. - № 1. - С. 63-68.
  4. Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю., Демаков В.А. Биотехнологические подходы к биоремедиации окружающей среды, загрязненной тринитротолуолом // Биотехнология. - 2018. - Т. 34. - № 1. - С. 9-23.
  5. Перцович С.И., Гуранда Д.Т., Поднерняев Д.А., Яненко А.С., Швядас В.К. Алифатическая амидаза из Rhodococcus rhodochrous - представитель семейства нитрилаз/цианидгидратаз // Биохимия. - 2005. - Т. 70 (11). - С. 1556-1565.
  6. Петрова О.Е. Трансформация нитроэфира целлюлозы сульфатредуцирующей бактерией Desulfovibrio desulfuricans 1388: дис…канд. биол. наук: Казань, 2004. - 114 c.
  7. Caballero A., Lázaro J.J., Ramos J.L., Esteve-Núñez A. PnrA, a new nitroreductase-family enzyme in the TNT-degrading strain Pseudomonas putida JLR11 // Environ Microbiol. - 2005 - Vol. 7(8). - P. 1211-1219.
  8. Erkelens M., Adetutu E.M., Taha M. [et al.] Sustainable remediation - The application of bioremediated soil for use in the degradation of TNT chips // J. Environ. Manage. - 2012. - Vol. 110. - P. 69-76.
  9. Fournand D., Arnaud A. Aliphatic and enantioselective amidases: from hydrolysis to acyl transfer activity // J. Appl. Microbiol. - 2001. - Vol. 91(3). - P. 381-393.
  10. Gren I., Wojcieszynska D., Guzik U., Perkosz M., Hupert-Kocurek K. Enhanced biotransformation of mononitrophenols by Stenotrophomonas maltophilia KB2 in the presence of aromatic compounds of plant origin // World J. Microbiol. Biotechnol. - 2009. - Vol.26 (2). - P. 289-295.
  11. Kumagai Y, Wakayama T, Lib S, Shinohara A, Iwamatsu A, Sun G, Shimojo N. Zeta-crystallin catalyzes the reductive activation of 2,4,6-trinitrotoluene to generate reactive oxygen species: a proposed mechanism for the induction of cataracts // FEBS Lett. - 2000. - Vol. 478(3). - P. 295-298.
  12. Kulkarni M., Chaudhari A. Microbial remediation of nitro-aromatic compounds: An overview // J. Environmental Management - 2007. - Vol.85 (2). - P. 496-512.
  13. Lee B.-U., Park S.-C., Cho Y.-S. [et al.] Expression and characterization of the TNT nitroreductase of Pseudomonas sp. HK-6 in Escherichia coli // Curr. Microbiol. - 2008. - Vol.56. - P.386-390.
  14. Liang S.-H., Hsu D.-W., Lin C.-Y. [et al.] Enhancement of microbial 2,4,6-trinitrotoluene transformation with increased toxicity by exogenous nutrient amendment // Ecotoxicol. Environ. Saf. - 2017. - Vol.138. - P. 39-46.
  15. Littlechild J.A. Enzymes from extreme environments and their industrial applications // Biotechnol. - 2015. - P. 1-9.
  16. Marvin-Sikkema F.D., de Bont J.A.M. Degradation of nitroaromatic compounds by microorganisms // Applied Microbiology and Biotechnol. - 1994. - Vol. 42. - P. 499-507.
  17. Ningthoujam D. Isolation and identification of a Brevibacterium linens strain degrading p-nitrophenol // African J. of Biotech. - 2005. - Vol. 4. - P. 256-257.
  18. Nivinskas H., Ronald L. Koder. Two-electron reduction of nitroaromatic compounds by Enterobacter cloacae NAD(P)H nitroreductase: Description of quantitative structure-activity relationships - 2000. - Vol. 47. - P. 249 - 258.
  19. Ningthoujam D. Isolation and Identification of a Brevibacterium linens strain degrading p-nitrophenol // African Journal of Biotechnology - 2005. - Vol. 4 (3). - P. 256 - 257.
  20. Soojhawon I., Lokhande P.D., Kodam K.M., Gawai K.R. Biotransformation of nitroaromatics and their effects on mixed function oxidase system // Enzyme and Microbial Technology - 2005. - Vol. 37 (5). - P. 527-533.
  21. Suenaga H., Koyama Y., Miyakoshi M., Miyazaki R., Yano H., Sota M., Ohtsubo Y., Tsuda M., Miyazaki K. Novel organization of aromatic degradation pathway genes in a microbial community as revealed by metagenomic analysis // ISME J. - 2009. - Vol. 3(12): - P. 1335-1348.
  22. Suenaga H. Targeted metagenomics: a high-resolution metagenomics approach for specific gene clusters in complex microbial communities //Environ Microbiol. - 2012. - Vol. 14(1). - P.13-22.
  23. Suenaga H. Targeted metagenomics unveils the molecular basis for adaptive evolution of enzymes to their environment // Front Microbiol. - 2015. - Vol. 22 (6): - P. 1018.
  24. Xinghui Q., Qiuzan Z., Mei L., Wenqin B., Baotong L. Biodegradation of p-nitrophenol by methyl parathion-degrading Ochrobactrum sp. B2 // International Biodeterioration and Biodegradation - 2007. - P. 297-301.
  25. Zhang M., Liu G.-h., Song K. [et al.] Biological treatment of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) red water by immobilized anaerobic-aerobic microbial filters // Chem. Eng. J. - 2015. - Vol. 259. - P. 876-884.
Опубликован
2020-07-22
Как цитировать
Демаков, В., Максимов, А., Максимова, Ю., Халитова, А., Шилова, А., Литасова, А., Павлова, Ю., Козлов, С., & Овечкина, Г. (2020). Изучение процессов микробного метаболизма органических нитросоединений и разработка эффективного биокатализатора для их биотрансформации и биодеградации. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, (2), 23-35. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.2.3
Выпуск
Раздел
Статьи