Сульфатредуцирующие бактерии в биологической переработке промышленных отходов, содержащих нитроцеллюлозу

УДК 579.844.013

СУЛЬФАТРЕДУЦИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗУ

О.Е. Петрова, М.Н. Давыдова, Н.Б. Тарасова, Ф.К. Мухитова

Бактерии рода Desulfovibrio могут эффективно участвовать в процессе деструкции нитроцеллюлозы (НЦ), приняв на себя функцию первичного звена в микробной цепочке преобразований на стадии денитрификации. При росте на среде с НЦ сульфат-редуцирующие бактерии осуществляют трансформацию НЦ в целлюлозу. В культу-ральной жидкости обнаруживаются ионы нитратов и аммония. Эффективность процесса зависит от условий его проведения и максимальна при наличии углеродного и азотного питания для бактерий. Бактерии содержат активную нитратредуктазу.

Многие новейшие процессы переработки отходов промышленности основаны на использовании каталитических способностей микроорганизмов. Нитроцеллюлоза (НЦ), входящая в состав отходов производств взрывоопасных веществ, лаков, пластмасс и др., с трудом поддается биоразрушению и длительное время присутствует в окружающей среде. Устойчивость НЦ для разложения целлюлолитическими микроорганизмами обусловлена введением в структуру целлюлозы К02-групп [1]. Предварительная химическая обработка отходов, связанная с удалением азота из молекулы целлюлозы, является энергоемким и неэкологичным процессом.

Представляется перспективным использование в этих целях специфических микроорганизмов методом введения в обычные системы переработки отходов специально подобранных культур.

В последнее время показана способность накопительных культур анаэробных микроорганизмов вести восстановление нитрогрупп НЦ до газообразного азота в метаногенных [2], нитрат- и сульфатвосстанавли-вающих условиях [3]. Биохимия процесса трансформации азотсодержащих соединений определяется наличием в клетке микроорганизмов активных нитрат- и нитритредуктаз [4].

В представленной работе приведены результаты исследования способности бактерий рода Desulfovibrio к трансформации неприродного соединения - нитроэфира целлюлозы (НЦ).

Использованные в работе штаммы Desulfovibrio sp. (D. desulfuricans 1388, D. desulfuricans 1799, D. vulgaris 1760, D. gigas 1382) получены из Всероссийской коллекции микроорганизмов (ВКМ, Пущино, Россия).

Трансформация нитроцеллюлозы (НЦ) различными видами бактерий рода Desulfovibrio

Штамм бактерии Количество НЦ после обработки бактериями, г/л Количество НЦ после обработки бактериями, %

D. desulfuricans 1388* 7,78 9,3

D. desulfuricans 1799* 7,97 7,0

D. vulgaris 1760* 7,78 9,4

D. gigas 1382* 8,16 4,9

* Исходное количество НЦ составляло 8,578 г/л.

Состав среды Постгейта Б, содержащей в качестве органического субстрата молочнокислый кальций (3,5 г/л), а в качестве восстановителя - 1% Ка2Б в 1%-м КаНС03, а также методы анаэробного культивирования сульфатредуцирующих бактерий описаны ранее [5, 6]. В опытных вариантах НЦ с высоким содержанием азота (11,8%) добавляли в питательную среду из расчета 12 г/л. В контрольном варианте бактерии выращивали на среде Постгейта Б без добавления НЦ. Содержание НЦ определяли весовым методом после экстракции ацетоном, ионы нитратов в культуральной среде - по методу, описанному Лурье [7]. Количество биомассы определяли по изменению количества клеточного белка [8].

В работе представлены средние значения трех независимых экспериментов, имевших по три повторности измерения каждой представленной величины.

Все изученные виды сульфатредуцирующих бактерий рода Desulfovibrio способны к трансформации НЦ (таблица). Концентрация НЦ снижалась от 5 до 9% за 14 дней, удельная скорость процесса составляла 4673 мг НЦ на 1 мг белка. Для дальнейших экспериментов был использован штамм Desulfovibrio desulfuricans 1388.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что для биотрансформации НЦ бактериями Desulfovibrio desulfuricans 1388 необходимо наличие органического источника углерода - лактата. На среде Постгейта В без лактата не наблюдалось роста бактерий и концентрация НЦ не изменялась (данные не приведены). НЦ оказывает ингибирующее действие на рост Desulfo-vibrio desulfuricans, которое выражается в увеличении лаг-фазы и снижении удельной скорости роста с 0,074 до 0,05 ч 1 (рис. 1). Биомасса по белку в опытном варианте с НЦ сравнима с таковой в контроле без НЦ (160 и 130 мг/л соответственно).

] 3 ' 5 ' 7 9 п 13

Время, сут

Рис. 1. Кривые роста D.desulfuricans в минеральной среде Постгейта Б

12 п г 4

0 4 8 12 16

Бремя, сут

Рис. 2. Изменение количества НЦ (1) и динамика накопления нитратов (2) в культуральной жидкости при росте D. desulfuricans 1388 на среде Постгейта Б с добавлением НЦ

Заметное снижение концентрации НЦ в среде наблюдалось на восьмые сутки культивирования бактерий, через 14 дней ее убыль составляла 10%.

Процентное содержание азота в оставшейся нитроцеллюлозе снижалось на 13%. При трансформации НЦ клетками D. desulfuricans наблюдалось появление в культуральной среде ионов нитратов. Их количество достигало максимума (3 мМ) также на восьмые сутки, а затем резко снижалось (рис. 2). Нитратре-дуктазная активность экстрактов клеток составляла 0,11 мкМ/мин/мг белка.

Таким образом, снижение концентрации НЦ свидетельствует о том, что D. desulfuricans обладает биохимическим потенциалом для ведения процесса трансформации нитроцеллюлозы. Использование для микробной денитрификации НЦ сульфатредуцирующих бактерий может оказаться перспективным для создания биотехнологии минерализации НЦ.

Работа поддержана РФФИ (грант № 01-04-4985).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. White G.F., Snape J.R. // J. Gen. Microbiol. 1993.139. Р. 1947.

2. Freedman D.L., Caenepeel B.M., Kim B.J. // Wat. Sci. Tech. 1996.

34. Р. 327.

3. Freedman D.L., Cashwell J.M., Kim B.J. //Waste. Manag. 2002. 22.

Р. 283.

4. Moura I., Bursakov S., Costa C., Moura J.J.C. // Anaerobe. 1997. 3.

Р. 279.

5. Postgate J.R. // Labor. Pract. 1966. 15. Р. 1239.

6. Золотухина Л.М., Давыдова М.Н., Красильникова Е.Н. // Биохи-

мия. 1999. 64. С. 1132.

7. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных

вод. М., 1984. С. 167.

8. Горина М.А., Яковлева В.И. // Прикл. биохим. микробиол. 1980.

16. С. 936.

9. Краткая химическая энциклопедия. М., 1964. С. 551.

Поступила в редакцию 25.10.02