Введение к работе
*"
Актуальность проблемы. Эпихлоргидрин (ЭПХГ) и хлоргидрины глицерина: 1,3-дихлорпропанол-2 (1,3-ДХП), 2,3-дихлорпропанол-1 (2,3-ДХП), 3-хлор-1,2-пропандиол (3-ХПД) относятся к токсичным соединениям, которые широко используются в химической промышленности.
Перспективным подходом для детоксикацни промышленных выбросов, содержащих эти ксенобиотики, может служить использование локальной биологической очистки с применением специализированных микроорганизмов-деструкторов, иммобилизованных па инертных носителях.
Основная сложность в реализации такого подхода связана с отсутствием высокоактивных микроорганизмов-деструкторов, устойчивых к высоким концентрациям хлорорганических соединений (ХОС).
Вместе с тем такие микроорганизмы представляют интерес для решения экологических проблем пе только путем детоксикацни ксенобиотиков, но и путем замены устаревших токсичных для человека и животных биоцидов (гербицидов, инсектицидов, пестицидов) на современные средства защиты растений, а также путем перехода на лекарственные препараты нового поколения.
Для синтеза таких соединений требуются оптически активные синтоны, с целью получения которых в последние годы интенсивно развиваются биокаталитические методы с применением ферментов и клеток микроорганизмов. В этом плане микроорганизмы-деструкторы ЭПХГ и хлоргидринов глицерина могут служить источником уникальных ферментов, обладающих высокой активностью и стереоселективностью, синтезирующихся в больших количествах.
Наиболее интересными ферментами, участвующими в деградации указанных соединений являются галогидрин-дегалогепазы и эпоксидгидролазы, которые в настоящее время рассматриваются как весьма перспективные инструменты для получения в промышленных масштабах различных оптически активных эпоксидов, вицинальных диодов и галогидринов - важнейших синто-нов ряда биологически активных веществ и жидких кристаллов.
Целью работы является поиск микроорганизмов-деструкторов ЭПХГ и хлоргидринов глицерина и оценка возможности их использования в биокатализе для синтеза оптически активных продуктов и очистке воды от хлорорганических ксенобиотиков.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
скрининг микроорганизмов-деструкторов эпихлоргидрина и хлоргидринов глицерина;
идентификация продуктов метаболизма хлорорганических соединений;
поиск микроорганизмов для синтеза оптически активных ЭПХГ и 3-ХПД;
создание консорциума микроорганизмов для обезвреживания хлорорганических соединений в сточной воде;
исследование очистки иммобилизованным консорциумом модельной сточной воды от ЭПХГ на проточной лабораторной установке;
оценка возможности использования консорциума микроорганизмов 'для очистки стоков производства эпоксидных смол;
исследование морфологических, хемотаксономических и физиолого-биохимических свойств практически важных микроорганизмов.
Научная новизна. Выделены новые эффективные ш гаммы-
деструкторы ЭПХГ и хлоргидринов глицерина, исследованы пути биодеградации этих ксенобиотиков и получены данные, указывающие на их отличие от известных путей.
Найдены новые биокатализаторы для синтеза оптически активных эпок-сидов и диолов (в том числе галогенсодержаших), путем разделения их рацемических смесей или трансформацией нрохирального предшественника. Впервые разработаны методы синтеза (R)- и (8)-ЭПХГ, а также (R)- и (8)-3-ХПД путем кинетического разделения рацемических смесей с помощью штаммов Rlwdococcus sp. 1S-19, Pseudomonas sp. 28-12 и Pscudonwnas sp. 31-3, позволяющие получать продукты высокой энантиомерной чистоты (97 и 98 % ее).
Научно обосновано создание консорциума на основе штаммов Pseudomonas sp. 28-1, Pseudomonas sp. 28-21, Microbacterium laevaniforinans R27-33, Arthrobactcr sp. 22-11 и Nocardioides simplex R50-5 для обезвреживания ЭПХГ и хлоргидринов глицерина в промышленных выбросах.
Практическая значимость. Разработаны стерсоселективные биокатализаторы (Pseudomonas sp. 31-3, Rlwdococcus sp. 18-19 и Pseudomonas sp. 28-12) для получения оптически активных синтонов биологически активных веществ путем кинетического разделения рацемических смесей ЭПХГ и 3-ХПД. С помощью этих микроорганизмов созданы препаративные методы синтеза высокочистых (R)- и (З)-энантиомеров этих соединений (97 - 98 % ее) с выходом более 95 % (в расчете на конвертированный субстрат).
Создан новый эффективный консорциум микроорганизмов на основе штаммов Pseudomonas sp. 28-1, Pseudomonas sp. 28-21, Microbacterium laevaniforinans R27-33, Arthrobactcr sp. 22-11 и Nocardioides simplex R50-5 для очистки сточных вод отэпихлоргидрина и хлоргидринов глицерина.
Разработана установка локальной очистки сточной воды от ЭПХГ с помощью консорциума микроорганизмов, иммобилизованного на поликапроа-мидном носителе. Проведены производственные испытания установки для очистки сточных вод производства эпоксидных смол ОАО "Уфахимпром" от ЭПХГ. Показано, что иммобилизованные микроорганизмы консорциума полностью разрушают ксенобиотик, содержащийся в воле в концентрации до 4 г/л. подвергнутой предварительной нейтрализации до рН 7,0-7,2 и разбавлению в два раза. При этом достигается снижение концентрации сопутствующих веществ (глицерина и хлоргидринов глицерина) на 97,1 % и уровня ХПК воды на 91.3 %.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международном симпозиуме "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и северного Прикаспия" (Оренбург, 1991), XII Международной конференции по производству и применению химических реагентов "Реактив-99" (Москва,
1999), V международной конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия-99" (Нижнекамск, 1999), II Международной конференции молодых ученых "Актуальные тенденции в органическом синтезе на пороге новой эры" (г. Санкт - Петербург, 1999), Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ (Уфа, 1998), Международной научно-практической конференции "Сервис большого города" (Уфа, 1999), Всесоюзной конференции "Новые направления биотехнологии" (Пушино, 1990), Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1995), VII Всероссийской научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 1997), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 1989, 1990, 1994- 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы (1 глава), описание объектов и методов исследования (2 глава), экспериментальную часть и обсуждение результатов (3 глава), выводы и список цитируемой литературы, содержащей 159 ссылок. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста и содержит 26 рисунков и 27 таблиц.