Биохимия | Пример курсовой работы

Биохимия

Цель настоящей работы заключается в изучении механизмов биодеградации фенола в водоемах.

Именно они способны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли. Особую актуальность разрушающая способность микроорганизмов приобрела в последние десятилетия в связи с накоплением в биосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхождения, причем нередко в масштабах, превышающих природную самоочищающую способность.
Деградация ксенобиотиков микроорганизмами может происходить различными путями, хотя скорость их разложения чаще всего крайне низка. В аэробных условиях первой стадией биодеградации ксенобиотиков может быть гидроксилирование.
Введение в молекулу гидроксильной группы приводит к поляризации и лучшей растворимости ксенобиотика в воде, что делает его более доступным для последующего разрушения. Эти реакции катализируются ферментами гидролазами или оксидазами смешанных функций. Еще одним способом деградации ксенобиотиков является реакция N-деалкилирования. Она осуществляется с помощью различных оксидаз на ранних этапах разрушения алкилзамещенных соединений.
В деградации ксенобиотиков принимают участие и реакции окислительного метаболизма, такие, как декарбоксилирование, β -окисление, гидролиз эфирных связей, образование эпоксидов и сульфоксидов, окислительное расщепление ароматического и гетероциклических колец.
О разрушении ксенобиотиков в анаэробных условиях мало известно, но установлено, что начальные этапы их биоразрушения осуществляются через реакции восстановительной трансформации – преобразование нитрогруппы в аминогруппу, восстановительное дегалогенирование, насыщение двойных и тройных связей, восстановление альдегидов и кетонов в соответствующие спирты, превращение сульфоксида в сульфид.
И в аэробном, и в анаэробном метаболизме ксенобиотиков важное место занимают реакции гидролиза, в которых молекула ксенобиотика расщепляется при присоединении воды.
Под действием соответствующих эстераз, фосфатаз и лиаз гидролизуются эфирные, фосфоэфирные или амидные связи.
Гидролитическое дегалогенирование может происходить путем замещения атома галогена в молекуле на гидроксильную группу из воды.
Микроорганизмы также участвуют в трансформации ксенобиотиков путем присоединения к ним алкильных (метильных) и ацильных (формильных и ацетильных) групп.
Продукты, образующиеся при такой трансформации ксенобиотиков, часто обладают иной токсичностью, чем исходные вещества. Некоторые трудноразлагаемые вещества расщепляются микроорганизмами только совместно с хорошо утилизируемыми субстратами.
В данном случае способность к трансформации ксенобиотика обусловливается наличием доступного источника энергии для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов, так как сам ксенобиотик не может использоваться ими в этих целях. Это явление получило название кометаболизма или соокисления.
Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бактерии и грибы, основное количество которых выделено из почвы и воды. Представители бактерий относятся к различным родам грамотрицательных и грамположительных аэробных и анаэробных организмов.
Из наиболее важных аэробных грамотрицательных бактерий следует отметить виды родов Pseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии, а из грамположительных — представителей родов Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus и Bacillus. Некоторые виды нитрат- и сульфатредуцирующих бактерий, а также метаногенные археи активно участвуют в анаэробной деградации ксенобиотиков.
Грибы, способные аэробно разрушать такие соединения, относятся к родам Phanerochaete (возбудители «белой гнили»), Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium [9]
1.3. Деградация нефтепродуктов
Химический состав углеводородов, в случае алканов выражающийся формулой CnH2n+2 обусловливает их биологическую устойчивость в местах залегания, а также в иных анаэробных экотопах, где нефтепродукты могут присутствовать уже в качестве загрязнителя (донные отложения прудов- отстойников, в нижних горизонтах шламовых амбаров и грунтовых карт).
Наиболее распространенными аэробными деструкторами полициклических ароматических углеводородов, входящих в состав тяжелых фракций нефти, являются бактерии родов Rhodococcus, Pseudomonas, Burkholderia, Arthrobacter и Acinetobacter.
Выбор наиболее активных штаммов-деструкторов был проведён по способности к росту и размножению на минеральной жидкой среде с добавлением гексадекана или нефти в качестве единственного источника углерода и энергии [7].
Некоторые исследователи показывают, что пять штаммов (Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas putida, Acinetobacter johnsoni, Dietzia sp W5026 (Rhodococcus), Brevibacterium luteolum), выделенных из нефти, обладали способностью активно утилизировать гексадекан и нефть. Как следует из хроматографических анализов, деградация бензола, начинающаяся окислением ароматического кольца, через 6 сут сопровождается образованием пирокатехина и фенола 30% и 60% соответственно [9].
Механизмы биодеградации алифатических цепочек углеводородов связаны, в первую очередь, с образованием у одного из углеродных атомов ковалентной связи с атомом кислорода при участи оксигеназ.
Для данного процесса, как и для последующего β-окисления жирных кислот, служащего основным путем дальнейшего окисления насыщенной линейной углеродной цепочки, в конечном итоге, требуется молекулярный кислород. Данная потребность биологических систем в кислороде как элементе модификации органической молекулы, обеспечивающем перераспределение заряда по молекуле, на стадии дыхательной цепи дополняется потребностью в конечном акцепторе электронов и протонов.
Таким образом, молекулярный кислород, присутствующий в зоне биоремедиации в необходимом количестве, зачастую является лимитирующим фактором при микробиологической деградации углеводородных поллютантов.
Характерно, что зона биоремедиации, включающая клетки бактерий, биогенные макро- и микроэлементы, воду, растворенные газы источник углерода и энергии должна рассматриваться как гомогенная система в части объединения окислительных и восстановительных реакций, формирующих катаболизм углеводородов.
Все реакции происходят внутри или вблизи бактериальной клетки, освобождающаяся в ходе разложения молекулы субстрата энергия используется в конструктивном метаболизме микроорганизма, а также рассеивается в пространстве [4].

Загрязнение окружающей среды углеводородами – острейшая проблема во многих регионах России и во всем мире. Помимо нарушения естественной природной обстановки в ходе разведки, добычи, транспортировки и хранения «черного золота», в процессе переработки нефти и газа накапливается большое количество нефтесодержащих отходов, хранение которых также приводит к деградации экосистем.
В результате аварийных ситуаций не исключено и попадание различных фракций нефтепродуктов на рельеф, при этом образуются локальные участки нефтезагрязненной почвы или грунта. Вследствие токсического эффекта, обусловленного наличием углеводородов нефти, нефтезагрязненная почва становится отходом, обладающим опасными свойствами и требующим переработки.
Биоремедиация нефтезагрязненных почв и грунтов представляет собой длительный процесс, требующий интенсификации. Одно из направлений интенсификации биоремедиации – внесение в нефтезагрязненную почву или грунт штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов.
Приоритетным направлением является внесение аборигенных штаммов микроорганизмов, выделенных из исходного нефтезагрязненного субстрата.
В связи с этим методы выделения микроорганизмов, разлагающих углеводороды, стимуляция их роста и размножения являются приоритетными задачами нефтехимии.
Цель настоящей работы заключается в изучении механизмов биодеградации фенола в водоемах.

Что думаете про курсовую?

Поставьте оценку!