Исследование накопления биомассы, полимера и липидов бактериями Cupriavidus necator B-10646, культивируемыми на фруктозе

РЕФЕРАТ 2
Введение 5
Глава 1.Обзор литературы 8
1.1 Общая характеристика полигидроксиалканоатов 8
1.2 Классификация и структура ПГА 9
1.3 Синтез ПГА 12
1.4 Продуценты ПГА 13
1.5 Характеристика липидов бактерий 15
1.6 Взаимосвязь между синтезом ПГА и жирнокислотным составом клетки 17
Глава 2. Материалы и методы 18
2.1 Бактериальный штамм 18
2.2 Культивирование, ход эксперимента и условия роста бактерий 19
2.3 Подготовка инокулята 20
2.4 Методы измерения параметров культивирования 20
2.4.1 Определение оптической плотности бактериальной культуры 20
2.4.2 Определение концентрации фруктозы в среде 20
2.4.3 Определение концентрации биомассы бактерий 21
2.4.4 Определение концентрации мочевины в среде 21
2.5 Определение содержания полимера 22
2.6 Экстракция липидов цитоплазматической мембраны и полимера 22
2.7 Омыление липополисахаридов 23
2.8 Метанолиз жирных кислот 24
2.9 Определение содержания белка в клетке 24
2.10 Анализ молекулярно-массовых характеристик полимера 25
Глава 3. Результаты 26
ЗаКЛЮЧЕНИЕ 39
Список сокращений 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 42
Купить

Полимеры, полученные из нефтехимического сырья, очень популярны и востребованы благодаря своим разнообразным свойствам, таким как прочность, устойчивость к деградации, легкость, гибкость [1]. За счет своей практичности, разнообразию и всестороннему применению в домашнем, фармацевтическом и коммерческом секторах синтетические полимеры стали незаменимым товаром в современном обществе [2]. Сообщается, что ежегодный синтез пластмасс, по­лученных из нефти, составляет более 300 миллионов тонн, и ежегодно во всем мире потребляется около 150 миллионов тонн синтетических пластмасс и мате­риалов на их основе [3, 4]. По оценкам, ежегодно в океан вымывается 10 мил­лионов тонн пластика, что оказывает пагубное воздействие на океаническую экосистему [5]. Спрос на пластмассы и изделия из них постоянно растет в связи с модернизацией и ростом населения [6], что в конечном итоге может привести к серьезным экологическим проблемам [7, 8]. Из-за медленной скорости раз­ложения и образования токсичных побочных продуктов переработка пластика является наиболее подходящим способом обращения с данными отходами, но этот процесс чрезвычайно медленный и затруднен из-за разнообразных свойств различных пластиков. Пластиковые материалы имеют широкий спектр приме­нения, поэтому сортировка выбрасываемых остатков весьма проблематична. Кроме того, наличие разнородных материалов и добавок, таких как покрытия, наполнители и красящие материалы, ограничивает их переработку [4]. В России объем полимерных отходов составляет около 750 тыс. т в год, при этом лишь 3­10 % из них используется вторично [9].
Поэтому переход на новые типы материалов, которые разрушаются в природной среде естественным путем до безвредных продуктов, становится на­сущной проблемой. Полимеры, получаемые из природного сырья или синтези­руемые микроорганизмами (так называемые биополимеры, или биопластики), в отличие от нефтепродуктов, практически не вносят вклад в пополнение парни­ковых газов и глобальное потепление. Одно из преимуществ использования биоразлагаемых полимеров на биологической основе - возможность помочь обновить «углеродный цикл», или «реинкарнацию углерода» [10].
Среди различных групп биополимеров (полилактиды, полигликолиды, полиэтиленгликоль, поликапролактан, полиуретаны и др.) наиболее известны полигидроксиалканоаты (ПГА). Это сложные полиэфиры, синтезируемые мно­жеством бактерий в виде соединения углерода и энергии. Они накапливаются в виде внутриклеточных гранул при избытке субстрата (источников углерода) в условиях ограниченного содержания кислорода, азота, фосфора (питательных веществ) или даже при колебаниях рН питательной среды. Полимеры на основе ПГА являются полностью биоразлагаемыми, а их скорость разложения в при­родных условиях намного выше, чем у химического сырья. Оставшиеся отходы биополимера запросто могут быть выброшены или компостированы для ис­пользования в качестве углеродного сырья, таким образом, реализуя концеп­цию «от колыбели до колыбели» (Cradle-to-Cradle) [11,12,13, 15].
Наиболее перспективными продуцентами для биотехнологического про­изводства биоразрушаемых пластиков являются водородокисляющие бактерии Cupriavidus necator (ранее Ralstonia eutropha, Hydrogenomonas, Alcaligenes, Wautersia), группа грамотрицательных факультативных хемолитоавтотрофных аэробных бактерий, способных накапливать полимер до 80-90% на сухое веще­ство. Прежде всего, перспективность водородокисляющих бактерий определя­ется их высоким органотрофным потенциалом.
Возможность замены пластмасс на полигидроксиалканоаты имеет боль­шой промышленный потенциал в будущем, так как ПГА обладает многими уникальными характеристиками, такими как: высокая устойчивость к ультра­фиолетовому излучению, антиоксидантные, газобарьерные свойства, оптиче­ская проводимость, нетоксичность, а также термоэлектрические свойства, ко­торые обычно применяются в медицине, тканевой инженерии и упаковочных материалах [14]. Тем не менее, высокая стоимость производства является од­ним из основных факторов, которые затрудняют реализацию ПГА на глобаль­ном уровне. Кроме того, многие аспекты физиологии накопления и разрушения ПГА остаются всё ещё не изученными. В связи с этим, широкопрофильное ис­следование штамма способного поставлять ПГА и характеристика накапливае­мого им полимера, до сих пор являются актуальной научной работой для полу­чения промышленно значимых продуктов.
Целью выпускной квалификационной работы являлось исследование ди­намики накопления биомассы клеток, ПГА и липидов бактериями Cupriavidus necator B-10646.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать динамику накопления биомассы, полимера и липидов у бакте­рий Cupriavidus necator B-10646, выращиваемых на фруктозе;
2. Изучить изменения в жирнокислотном составе липидов на разных стадиях культивирования исследуемого штамма.
Купить