Контролируемый окислительный стресс

Контролируемый
окислительный стресс –
новый путь
совершенствования
процессов биосинтеза и
биологической очистки
Господствующее мнение – необходимо бороться со стрессом, используя
антиоксиданты, поскольку стресс всегда оказывает отрицательное влияние
Наша точка зрения – необходимо использовать оптимальный стресс!
Показано, что в некоторых случаях оптимальные дозы стрессоров могут
улучшить выходные характеристики микробного синтеза и деструкции
Важно
- Предадаптация микробных популяций к стрессорам
- Малые дозы стресс-факторов
- Зависимость положительных эффектов от плотности популяции,
оптимального физиологического состояния, дозы стрессоров
- Одновременное использование стресс- и антистресс-факторов
Контролируемый окислительный стресс – комбинирование
оптимальных доз АФК и антистресс-факторов, учет роли АФК
в изменении и ухудшении показателей биосинтеза
АФК – H2O2, антистрессоры – видимый свет: удобны с
технологической и экологической точек зрения
Важная роль АФК (H2O2 и др.) в процессах самоочищения в
окружающей среде
Абиотические источники
Н2О2 в водных природных
средах
Биота
Н2O2
Процессы
нерадикальной
деструкции
DН2
Сопутствующие
процессы
окисления
Ионы с переменной
валентностью
ОН
Радикальные процессы
самоочищения
Цикл самоочищения в природных водных средах с участием
H2O2 (по Г.A. Богдановский, 1994)
Воспроизведение условий окружающей среды в тонком
поверхностном слое воды или на освещаемых Солнцем
поверхностях твердых тел, биопленок
Видимый свет Солнца
Изобилие
микрофлоры и
мезофауны
Солнечный
ультрафиолет
O2, аэрация
Поверхность воды,
поверхностная пленка
субстраты
Силы поверхностного
натяжения
Активные формы
кислорода: H2O2,
O3, и др.
7
6
D, opt. unit
5
2
4
1
3
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
tim e, m in
Рост дрожжей Candida tropicalis при облучении ультрафиолетом и видимым светом.
1 – контроль без УФ-облучения, 2 – с облучением ультрафиолетом и освещением светом, 3 – с облучением
ультрафиолетом в темноте.
600
D)
1000
мл CO2/л*ч
800
C)
B)
600
400
A)
200
0
0
20
40
60
80
100
Время, ч
Влияние комбинированного действия H2O2 и видимого света на активность
дрожжей S. cerevisiae при этанольной ферментации
A) Предадаптиованная к H2O2 культура, ферментация в темноте; B) контрольная культура, ферментация без
H2O2 и при освещении светом; C) предадаптированная к H2O2 культура, ферментация с освещением светом;
D) предадаптированная к H2O2 культура, ферментация с освещением светом, более поздний пассаж
Рост дрожжей Candida tropicalis в режиме
культивирования с подпиткой и добавлением H2O2
Bacteriorhodopsin
45
1,8
40
1,6
35
1,4
30
1,2
ВП
25
1
ВП
20
0,8
ВП
15
Д
Д
10
0,6
ЗА
ВП
Бактериородопсин, г/л
Биомасса, г/л
Biomass
0,4
5
0,2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
200
Время, ч
Культивирование Halobacterium salinarum в режиме с подпиткой
субстратом в условиях контролируемого стресса
Д – добавление свежей порции среды в биореактор, ВП – добавление органического субстрата (пептон,
дрожжевой экстракт)
H2O2, малыми дозами периодически
Nin, Pin
h
Биоценозы,
предадаптированные к H2O2
Полная
минерализация до
H2O, CO2,
минеральные соли
Биологическая замкнутая система
очистки
Высококонцентрированные
стоки, добавление по мере
окисления
H2O2, малыми дозами периодически
h
Тканевый
фильтр
Сточная
вода
Аэротенк
Полный рецикл активного ила
Вторичный отстойник
Очищенная
сточная вода
Биодеструкция фенола в режиме окисления с
подпиткой и добавлении H2O2
16
100
Phenol added, g/l
80
12
10
60
8
40
6
4
20
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
time, h
Cphenol added
optical density
Cphenol residual
0
1800
phenol residual, g/l
optical density
14
Биодеструкция фенола в проточном режиме при
добавлении H2O2
Показатель
Скорость разбавления
Максимальная концентрация фенола
Окислительная мощность
Остаточная концентрация фенола
Устойчивость к H2O2
Значение
Контроль
С добавлением H2O2
не более 0,04 ч-1
до 0,12 ч-1
не более 3 г/л
до 3 г/л
не более 0,12 г/л.ч
до 0,22 г/л.ч
0,1-0,3 г/л
0,01-0,1 г/л
-
до 3 г/л
Сравнение очистки модельного стока пивоварения и реального стока
солодовни при одновременном действии H2O2 и видимого света
Характеристики сточной
воды
Сточная вода солодовни,
ХПКвх. 2000 мг/л
Модельный сток
пивоварения,
ХПКвх. 1000–2000 мг/л
Условия очистки
Очистка в
периодическом режиме,
с гранулированным
илом; после
1 сут. очистки
2 сут. очистки
3 сут. очистки
Проточная очистка с
активным илом и
биопленкой с полной
рециркуляцией
активного ила; 1–3 сут.
очистки
Без H2O2
и освещения
с H2O2
и
освещением
ХПКвых., мг/л
125–260
90–200
70–100
90–230
40–100
20–60
ХПКвых., мг/л
50–200 мг/л
Не
детектируется –
40 мг/л
Показатели очистки модельного стока при одновременном действии
H2O2 и видимого света в режиме очистки с полным рециклом
активного ила
- ХПКвх.
– 700-2000 мг/л
- ХПКвых.
– не детектируется – 40 мг/л
- время пребывания воды в системе
– 1-3 сут.
- дозы H2O2
– не более чем 5-10 мг/л.сут;
- интенсивность освещения
– 1-10 мВт/л
Основные положения концепции “Контролируемого
окислительного стресса”
- учет влияния АФК, УФ-излучения солнца, видимого света, их
одновременного действия;
- воспроизведение природных условий на открытых поверхностях воды
и твердых тел;
- Новые технологические решения, в частности:
- замкнутые системы очистки воды;
- гибридные системы биодеструкции и биоочистки;
- совершенствование высокоплотностного культивирования;
- поддержание высокой активности культур в системах с
иммобилизованными микроорганизмами;
- совершенствование биосинтеза и биоочистки в мембранном
реакторе (искусственная пероксисома);
- получение биопрепаратов с высокой биологической
активностью;
- Принятие во внимание роли АФК, УФ-излучения солнца, видимого
света в процессах самоочищения и регуляции активности микробных
ценозов, отслеживание этих влияний в системе мониторинга состояния
природных водоемов.
Система мониторинга
Концентрация загрязнений
(ХПК, N, P, ВВ, и др.)
H2O2 в воде
hν, видимый
свет, УФА + УФБ
Гетеротрофные микроорганизмы
Маркеры стрессответа (SOS-гены и
др.)
Фототрофные
микроорганизмы
(микроводоросли,
цианобактерии)
Скорость
адаптации к
окислительному
стрессу
Вариант системы мониторинга для оценки состояния природных
водоемов, процессов самоочищения и биологической очистки
сточных вод
Патенты РФ
№ 2188164 (of 27.08.02) (очистка сточных вод)
№ 2209186 (of 26.12.2003) (очистка сточных вод)
№ 2268924 (of 23.11.2004) (спиртовая ферментация дрожжей)
№ 2323226 (of 30.05.2006) (культивирования галобактерий)
№ 2323251 (of 30.05.2006) (культивирование галобактерий)
Заявка на патентование № 2007143891 от 28.11.2007 (получение
биоэтанола)
Участники: сотрудники и аспиранты кафедры биотехнологии:
Калёнов С.В., Сафронов В.В., Вакар Л.Л.; студенты-дипломники
При содействии сотрудников ГосНИИгенетика (Складнев Д.А., Миронов А.С.);
ФГУП НПО «Астрофизика» (Серегин А.М., Солдатов В.И.)
Спасибо за внимание!
Контакты: ae-kuz@yandex.ru
aekuz@muctr.ru