ИЗУЧЕНИЕ АЦИДОТОЛЕРАНТНЫХ СУЛЬФАТРЕДУЦИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ УСТОЙЧИВЫХ К МЕТАЛЛАМ
|
Перечень условных сокращений 4
Введение 5
1. Литературный обзор 8
1.1. Ацидотолерантные сульфатредуцирующие бактерии 8
1.1.1 Характеристика сульфатредуцирующих бактерий 8
1.2. Влияние тяжелых металлов на бактериальную клетку 10
1.3. Механизмы устойчивости бактерий к ионам тяжелых металлов 13
1.4. Токсичность разных тяжелых металлов 15
1.4.1. Влияние ионов меди 15
1.4.2. Влияние ионов кадмия 15
1.4.3. Влияние ионов кобальта 16
1.4.4. Влияние ионов никеля 17
1.4.5. Влияние ионов молибдена 18
1.5. Влияние кислых значений pH на жизнедеятельность микроорганизмов . 18
1.6. Продукты сульфатредукции 20
1.6.1. Сероводород 21
1.6.2. Органические кислоты 22
2. Материалы и методы 23
2.1. Объект исследования 23
2.2 Посев СРБ на стандартную питательную среду Видделя 24
2.2.1. Приготовление основной питательной среды 24
2.2.2. Посев СРБ на стандартную среду Видделя 25
2.3. Посев СРБ на питательную среду Видделя без сульфата для определения
акцепторов электронов штамма 26
2.3.1. Приготовление питательной среды без сульфата 26
2.3.2. Посев СРБ на питательную среду без сульфата 27
2.4. Приготовление используемых добавок 27
2.4.1. Приготовление раствора витаминов 27
2.4.2. Приготовление стандартного раствора микроэлементов 28
2.4.3. Приготовление кислоты (H2SO4) 28
2.4.4. Приготовление щелочи (NaOH) 28
2.4.5. Приготовление лактата (40%) 28
2.4.6. Приготовление фруктозы (10%) 28
2.4.7. Приготовление Na2S 28
2.4.8. Приготовление растворов металлов 29
2.4.9. Приготовление растворов акцепторов 29
2.5. Анализ осадков 30
3. Результаты и обсуждение 31
Выводы 50
Список литературы 51
Введение 5
1. Литературный обзор 8
1.1. Ацидотолерантные сульфатредуцирующие бактерии 8
1.1.1 Характеристика сульфатредуцирующих бактерий 8
1.2. Влияние тяжелых металлов на бактериальную клетку 10
1.3. Механизмы устойчивости бактерий к ионам тяжелых металлов 13
1.4. Токсичность разных тяжелых металлов 15
1.4.1. Влияние ионов меди 15
1.4.2. Влияние ионов кадмия 15
1.4.3. Влияние ионов кобальта 16
1.4.4. Влияние ионов никеля 17
1.4.5. Влияние ионов молибдена 18
1.5. Влияние кислых значений pH на жизнедеятельность микроорганизмов . 18
1.6. Продукты сульфатредукции 20
1.6.1. Сероводород 21
1.6.2. Органические кислоты 22
2. Материалы и методы 23
2.1. Объект исследования 23
2.2 Посев СРБ на стандартную питательную среду Видделя 24
2.2.1. Приготовление основной питательной среды 24
2.2.2. Посев СРБ на стандартную среду Видделя 25
2.3. Посев СРБ на питательную среду Видделя без сульфата для определения
акцепторов электронов штамма 26
2.3.1. Приготовление питательной среды без сульфата 26
2.3.2. Посев СРБ на питательную среду без сульфата 27
2.4. Приготовление используемых добавок 27
2.4.1. Приготовление раствора витаминов 27
2.4.2. Приготовление стандартного раствора микроэлементов 28
2.4.3. Приготовление кислоты (H2SO4) 28
2.4.4. Приготовление щелочи (NaOH) 28
2.4.5. Приготовление лактата (40%) 28
2.4.6. Приготовление фруктозы (10%) 28
2.4.7. Приготовление Na2S 28
2.4.8. Приготовление растворов металлов 29
2.4.9. Приготовление растворов акцепторов 29
2.5. Анализ осадков 30
3. Результаты и обсуждение 31
Выводы 50
Список литературы 51
Промышленная деятельность и естественное окисление металлических сульфидных руд являются причиной образования богатых сульфатами вод с низким рН и высоким содержанием тяжелых металлов. Такие образования, как правило, называют кислыми шахтными дренажами (КШД). Это воды, которые оказывают сильное негативное влияние на окружающую среду, в связи с чем, возникает необходимость в их очистке.
Среди загрязнителей биосферы тяжелые металлы относятся к числу важнейших. В наибольшей мере это связано с биологической активностью и высокой степенью мобильности многих из них. Физиологическое действие металлов на живые организмы различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации, в связи с этим большинство организмов имеют сложные многокомплексные механизмы поддержания гомеостаза тяжелых металлов. Поэтому, все микроорганизмы должны контролировать свою внутриклеточную концентрацию металлов, не смотря на то, что некоторые металлы (медь, железо, никель и др.) являются необходимыми микроэлементами и участвуют во многих процессах, включая перенос электронов. В отличие от этого, другие металлы, такие как мышьяк, кадмий, золото и ртуть, не несут значительной биологической функции и являются токсичными при высоких концентрациях [Dopson, Holmes, 2014].
Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) играют важную роль в осаждении сульфидов металлов в природных экосистемах и технологических схемах [Карначук, 2006]. СРБ обладают способностью предотвращать реакции образования кислого шахтного дренажа, а так же компенсировать его воздействие за счет процесса бактериальной сульфатредукции. В результате данного процесса осуществляется выщелачивание и нейтрализация дренажных вод одновременно. Образующийся при этом сероводород реагирует с металлами в растворе и осаждает их в виде сульфидов металлов [Sanchez- Andrea et al., 2013].
Биологическая очистка вод, содержащих металлы, имеет несколько существенных преимуществ по сравнению с химическими методами, такие, как сравнительно низкая стоимость, высокая эффективность удаления металлов и возможность повторного использования извлеченных металлов [Франк, 2006].
Однако совокупность таких отрицательных факторов как низкие значения рН и высокая концентрация свободных ионов металлов значительно затрудняют процесс биологической очистки, поэтому целесообразным является поиск и исследование новых, более устойчивых штаммов микроорганизмов.
В связи с этим, ацидофильные и ацидотолерантные СРБ (АСРБ) привлекают внимание исследователей как потенциальные агенты очистки различных сред, загрязненных тяжелыми металлами и сульфатами в условиях низких значений pH. [White et al., 2000]. Благоприятным фактором является редукция растворимых токсичных металлов до менее токсичных или менее растворимых форм. АСРБ не только эффективно осаждают тяжелые металлы путем продукции сероводорода, но и естественным путем повышают щелочность среды, переводя серную кислоту в сульфид [Франк, 2006].
Таким образом, сульфатредукция в условиях низких значений рН особенно интересна. Это связано с тем, что процесс может быть использован для биогенной нейтрализации кислоты в дренажных средах [Wendt-Potthoff, Neu, 1998; Lens, Kuenen, 2001; Johnson et al., 2004; Kaksonen, Puhakka, 2007].
Работа проводилась в лаборатории биотехнологии и биоинженерии кафедры физиологии растений и биотехнологии Томского государственного университета (ТГУ). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору биологических наук Ольге Викторовне Карначук за внимание, научное руководство и консультации в постановке экспериментов, Татьяне Федоровой и Марии Власовой за предоставление культур и Ольге Павловне Иккерт за помощь в постановке экспериментов. А также глубокую признательность всему коллективу кафедры физиологии растений и биотехнологии ТГУ за поддержку и внимание.
Цель работы: изучение некоторых физиологических характеристик АСРБ, а именно устойчивость к тяжелым металлам, низким и высоким значениям рН среды, особенности роста в присутствии различных акцепторов.
Задачи:
1. Изучить устойчивость штамма Desulfovibrio sp. Тот С к ионам двухвалентной меди, кадмия, никеля, кобальта и молибдена на стандартной среде Видделя.
2. Исследовать осадки, образованные Desulfovibrio sp. Tom C при культивировании в присутствии ионов кадмия (50 мг/л), кобальта (100 и 500 мг/л) и молибдена (100 мг/л) в течение 15, 28 и 77 суток.
3. Провести поиск в геноме штамма генов устойчивости к ионам тяжелых металлов и высоким значениям pH
4. Изучить устойчивость штамма Desulfosporosinus sp. NP к ионам двухвалентной меди, кадмия, никеля, кобальта и молибдена на стандартной среде Видделя.
5. Определить предельные значения pH, при которых возможны рост и жизнедеятельность штамма Desulfosporosinus sp. NP.
6. Изучить особенности роста штамма Desulfosporosinus sp. NP в присутствии различных акцепторов.
Среди загрязнителей биосферы тяжелые металлы относятся к числу важнейших. В наибольшей мере это связано с биологической активностью и высокой степенью мобильности многих из них. Физиологическое действие металлов на живые организмы различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации, в связи с этим большинство организмов имеют сложные многокомплексные механизмы поддержания гомеостаза тяжелых металлов. Поэтому, все микроорганизмы должны контролировать свою внутриклеточную концентрацию металлов, не смотря на то, что некоторые металлы (медь, железо, никель и др.) являются необходимыми микроэлементами и участвуют во многих процессах, включая перенос электронов. В отличие от этого, другие металлы, такие как мышьяк, кадмий, золото и ртуть, не несут значительной биологической функции и являются токсичными при высоких концентрациях [Dopson, Holmes, 2014].
Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) играют важную роль в осаждении сульфидов металлов в природных экосистемах и технологических схемах [Карначук, 2006]. СРБ обладают способностью предотвращать реакции образования кислого шахтного дренажа, а так же компенсировать его воздействие за счет процесса бактериальной сульфатредукции. В результате данного процесса осуществляется выщелачивание и нейтрализация дренажных вод одновременно. Образующийся при этом сероводород реагирует с металлами в растворе и осаждает их в виде сульфидов металлов [Sanchez- Andrea et al., 2013].
Биологическая очистка вод, содержащих металлы, имеет несколько существенных преимуществ по сравнению с химическими методами, такие, как сравнительно низкая стоимость, высокая эффективность удаления металлов и возможность повторного использования извлеченных металлов [Франк, 2006].
Однако совокупность таких отрицательных факторов как низкие значения рН и высокая концентрация свободных ионов металлов значительно затрудняют процесс биологической очистки, поэтому целесообразным является поиск и исследование новых, более устойчивых штаммов микроорганизмов.
В связи с этим, ацидофильные и ацидотолерантные СРБ (АСРБ) привлекают внимание исследователей как потенциальные агенты очистки различных сред, загрязненных тяжелыми металлами и сульфатами в условиях низких значений pH. [White et al., 2000]. Благоприятным фактором является редукция растворимых токсичных металлов до менее токсичных или менее растворимых форм. АСРБ не только эффективно осаждают тяжелые металлы путем продукции сероводорода, но и естественным путем повышают щелочность среды, переводя серную кислоту в сульфид [Франк, 2006].
Таким образом, сульфатредукция в условиях низких значений рН особенно интересна. Это связано с тем, что процесс может быть использован для биогенной нейтрализации кислоты в дренажных средах [Wendt-Potthoff, Neu, 1998; Lens, Kuenen, 2001; Johnson et al., 2004; Kaksonen, Puhakka, 2007].
Работа проводилась в лаборатории биотехнологии и биоинженерии кафедры физиологии растений и биотехнологии Томского государственного университета (ТГУ). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору биологических наук Ольге Викторовне Карначук за внимание, научное руководство и консультации в постановке экспериментов, Татьяне Федоровой и Марии Власовой за предоставление культур и Ольге Павловне Иккерт за помощь в постановке экспериментов. А также глубокую признательность всему коллективу кафедры физиологии растений и биотехнологии ТГУ за поддержку и внимание.
Цель работы: изучение некоторых физиологических характеристик АСРБ, а именно устойчивость к тяжелым металлам, низким и высоким значениям рН среды, особенности роста в присутствии различных акцепторов.
Задачи:
1. Изучить устойчивость штамма Desulfovibrio sp. Тот С к ионам двухвалентной меди, кадмия, никеля, кобальта и молибдена на стандартной среде Видделя.
2. Исследовать осадки, образованные Desulfovibrio sp. Tom C при культивировании в присутствии ионов кадмия (50 мг/л), кобальта (100 и 500 мг/л) и молибдена (100 мг/л) в течение 15, 28 и 77 суток.
3. Провести поиск в геноме штамма генов устойчивости к ионам тяжелых металлов и высоким значениям pH
4. Изучить устойчивость штамма Desulfosporosinus sp. NP к ионам двухвалентной меди, кадмия, никеля, кобальта и молибдена на стандартной среде Видделя.
5. Определить предельные значения pH, при которых возможны рост и жизнедеятельность штамма Desulfosporosinus sp. NP.
6. Изучить особенности роста штамма Desulfosporosinus sp. NP в присутствии различных акцепторов.
1. Максимальная начальная концентрация Cu(II), позволяющая рост Desulfovibrio sp. Том С составляет 100 мг/л, Cd(II) - 50 мг/л, Ni(II) - 400 мг/л, Mo - 125 мг/л. Для ионов Co предельная концентрация пока не установлена.
2. В осадках, образованных штаммом Desulfovibrio sp. Том С, обнаружены сульфиды кадмия и кобальта. Сульфиды молибдена не обнаружены.
3. В геноме штамма Desulfovibrio sp. Том С найдены механизмы устойчивости к ионам тяжелых металлов и повышенным концентрациям протонов в среде. Обнаружен горизонтальный перенос генов, кодирующих KdpABC АТФазу.
4. Максимальная начальная концентрация Cu(II), позволяющая рост Desulfosporosinus sp. NP составляет 200 мг/л, Cd(II) - 100 мг/л, Ni(II) - 200 мг/л. Для ионов Co и Mo предельные концентрация пока не установлена.
5. Для Desulfosporosinus sp. NP минимальный pH=1.1, а максимальный pH=8.
6. Штамм Desulfosporosinus sp. NP использует в качестве акцепторов электронов фумарат, нитрат, нитрит и элементную серу и не использует арсенат, тиосульфат и сульфит.
2. В осадках, образованных штаммом Desulfovibrio sp. Том С, обнаружены сульфиды кадмия и кобальта. Сульфиды молибдена не обнаружены.
3. В геноме штамма Desulfovibrio sp. Том С найдены механизмы устойчивости к ионам тяжелых металлов и повышенным концентрациям протонов в среде. Обнаружен горизонтальный перенос генов, кодирующих KdpABC АТФазу.
4. Максимальная начальная концентрация Cu(II), позволяющая рост Desulfosporosinus sp. NP составляет 200 мг/л, Cd(II) - 100 мг/л, Ni(II) - 200 мг/л. Для ионов Co и Mo предельные концентрация пока не установлена.
5. Для Desulfosporosinus sp. NP минимальный pH=1.1, а максимальный pH=8.
6. Штамм Desulfosporosinus sp. NP использует в качестве акцепторов электронов фумарат, нитрат, нитрит и элементную серу и не использует арсенат, тиосульфат и сульфит.
