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

Абиотические источники Н2О2 в водных природных

средах

Биота

Сопутствующие процессы окисления

Процессы нерадикальной

деструкции Ионы с переменной валентностью

ОН

Радикальные процессы самоочищения

Н2O2DН2

Цикл самоочищения в природных водных средах с участием H2O2 (по Г.A. Богдановский, 1994)

Важная роль АФК (H2O2 и др.) в процессах самоочищения в окружающей среде

Воспроизведение условий окружающей среды в тонком поверхностном слое воды или на освещаемых Солнцем

поверхностях твердых тел, биопленок

Поверхность воды, поверхностная пленка

Изобилие микрофлоры и

мезофауны

Активные формы кислорода: H2O2,

O3, и др.

Солнечный ультрафиолет

Видимый свет Солнца

O2, аэрация

Силы поверхностного натяжения

субстраты

0

1

2

3

4

5

6

7

0 100 200 300 400 500 600

time, min

D, o

pt.

un

it

1

2

3

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.

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

Время, ч

0

200

400

600

800

1000

0 20 40 60 80 100

мл

CO

2/л

*ч

B)

A)

C)

D)

Рост дрожжей Candida tropicalis в режиме культивирования с подпиткой и добавлением H2O2

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)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Время, ч

Би

ом

асса

, г/

л

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

Бак

тер

ио

ро

до

пси

н,

г/л

Biomass Bacteriorhodopsin

ДД ВП

ВП

ВП

ВП

ЗА

Биологическая замкнутая система очистки

Высококонцентрированные стоки, добавление по мере окисления

Nin, Pin

Полная минерализация до H2O, CO2, минеральные соли

Биоценозы, предадаптированные к H2O2

H2O2, малыми до-

зами периодически

h

Аэротенк

Вторич-ный отс-тойник

Сточная вода

Очищенная сточная вода

Полный рецикл активного ила

hH2O2, малыми до-

зами периодическиТканевый фильтр

Биодеструкция фенола в режиме окисления с подпиткой и добавлении H2O2

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

time, h

Phen

ol a

dded

, g/l

0

2

4

6

8

10

12

14

16

phen

ol re

sidu

al, g

/l op

tical

den

sity

Cphenol added optical density Cphenol residual

Биодеструкция фенола в проточном режиме при добавлении H2O2

Показатель Значение

Контроль С добавлением H2O2

Скорость разбавления

Максимальная концентрация фенола

Окислительная мощность

Остаточная концентрация фенола

Устойчивость к H2O2

не более 0,04 ч-1

не более 3 г/л

не более 0,12 г/л.ч

0,1-0,3 г/л

-

до 0,12 ч-1

до 3 г/л

до 0,22 г/л.ч

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

Условия очистки Без H2O2

и освещения

с H2O2

и освещением

Сточная вода солодовни, ХПКвх. 2000 мг/л

Очистка в периодическом режиме, с гранулированным илом; после1 сут. очистки2 сут. очистки3 сут. очистки

ХПКвых., мг/л

125–26090–20070–100

90–23040–10020–60

Модельный сток пивоварения,ХПКвх. 1000–2000 мг/л

Проточная очистка с активным илом и биопленкой с полной рециркуляцией активного ила; 1–3 сут. очистки

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.

Вариант системы мониторинга для оценки состояния природных водоемов, процессов самоочищения и биологической очистки сточных вод

Маркеры стресс-ответа (SOS-гены и

др.)

Система мониторинга

Гетеротроф-ные микро-организмы

Фототрофные микроорганизмы

(микроводоросли, цианобактерии)

H2O2 в воде hν, видимый свет, УФА + УФБ

Концентрация загрязнений (ХПК, N, P, ВВ, и др.)

Скорость адаптации к

окислительному стрессу

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.)

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)

Контакты: ae-kuz@yandex.ru

aekuz@muctr.ru

Спасибо за внимание!