Введение к работе
Актуальность проблемы
Известно, что микроорганизмы играют важную роль в вовлечении чужеродных производных в обмен веществ. В современной биосфере микробы способны осуществлять деструкцию значительного числа химических субстанций и поэтому их использование лежит в основе экологически выгодных способов очистки окружающей среды.
Достаточно часто для целевой конверсии синтетических органических соединений применяются бактерии. Это связано с тем, что одной из важных особенностей бактерий является их высокая генетическая пластичность и, как следствие, высокая приспособляемость к изменяющимся условиям окружающей среды. Благодаря такой приспособляемости бактерии приобретают возможность использовать в качестве источников питания и энергии разнообразные производные, в том числе токсичные по отношению к про- и эукариотам.
Существенную часть загрязнителей окружающей среды составляют пестициды, среди которых особое распространение получили производные ароматических галогенидов. В настоящее время Агентство по защите окружающей среды США (USEPA) включило 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д) в группу веществ токсичных и ассоциированных с риском для здоровья человека. Более опасным соединением является 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т). Отмечено, что гербициды 2,4-Д и 2,4,5-Т имеют тенденцию к накоплению в тканях, способны к кумулятивному токсическому воздействию на теплокровные организмы [Карамова Л.М., 2002]. Одной из причин такого положения является наличие в молекулах 2,4-Д и 2,4,5-Т галогенуглеродной связи, которая трудно расщепляется в клетках живых систем.
Следует отметить, что поиск и изучение новых культур, способных осуществлять деструкцию галогенсодержащих ароматических соединений, представляется важным не только в прикладном своем значении в плане
использования деструкторов для конверсии гербицидов, но и вносят вклад в понимание вопросов организации генетических систем, контролирующих процессы ассимиляции ксенобиотиков в техносфере. Результаты исследований в этой области вносят вклад в понимание вопросов направления эволюции бактерий в техносфере - одного из фундаментальных направлений современной биологии.
Цель исследования
Выделение и идентификация новых бактериальных штаммов-деструкторов 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты.
Задачи исследования:
-
Выделить и идентифицировать штаммы-деструкторы 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты из смешанных микробных популяций техногенной экосистемы;
-
Получить количественные и качественные характеристики процессов конверсии 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты выделенными штаммами бактерий;
-
Исследовать пути метаболизма молекул 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты у выделенных бактериальных штаммов-деструкторов;
-
Сравнить генетические системы контроля метаболизма 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты штаммов-деструкторов с известными генетическими кластерами.
Научная новизна исследования
Выделены новые бактериальные штаммы-деструкторы 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты. Согласно результатам исследования культурально-морфологических, физиолого-биохимических признаков, анализу последовательностей гена 16S рРНК и белковых профилей штаммов-деструкторов было установлено, что штаммы могут быть классифицированы как Stenotrophomonas sp., Pseudomonas kilonensis 34T, Xanthomonas sp. 33DCP.
Показано, что штаммы Stenotrophomonas sp., Pseudomonas kilonensis 34T и Xanthomonas sp. 33DCP способны использовать 2,4,5-Т в качестве единственного источника углерода и энергии. В ходе работы было установлено, что штаммы осуществляют деструкцию гербицида с образованием феноксиуксусной кислоты. Методом ДНК-ДНК гибридизации и ПЦР-анализа с применением системы олигонуклеотидных праймеров установлено, что кластеры генетического контроля катаболизма 2,4,5-Т штаммов Stenotrophomonas sp. ЗЗТ, Pseudomonas kilonensis 34Т и Xanthomonas sp. 33DCP имеют отличия от известных кластеров tfd- и (Д-генов штаммов Cupriavidus necator JMP134 и Burkholderia cepacia АСІ 100.
Практическая значимость работы
В результате проведенных работ выделены новые природные штаммы-деструкторы 2,4,5-Т Stenotrophomonas sp. ЗЗТ, Pseudomonas kilonensis 34Т и Xanthomonas sp. 33DCP. Раскрыты особенности катаболизма пестицида 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты штаммов, заключающиеся в том, что интермедиатами конверсии 2,4,5-Т являются феноксиуксусная кислота и 2-гексеналь. Установлено, что детерминанты конверсии 2,4,5-Т расположены на плазмидах Stenotrophomonas sp. ЗЗТ, Pseudomonas kilonensis 34Т и Xanthomonas sp. 33DCP. Результаты работы открывают возможности использования штаммов-деструкторов 2,4,5-Т и их генетических элементов для разработки методов очистки окружающей среды нового поколения. Последовательности генов 16S рРНК штаммов Stenotrophomonas sp. ЗЗТ, Pseudomonas kilonensis 34Т и Xanthomonas sp. 33DCP депонированы в международную базу данных GenBank (GenBank accession numbers: HQ877451, HQ891021, HQ891022).
Положения, выносимые на защиту
-
В составе почвенной биоты, подвергавшейся воздействию химических факторов промышленного производства, присутствуют микроорганизмы-деструкторы 2,4,5-Т.
-
Деструкторами 2,4,5-Т являются представители родов Stenotrophomonas, Pseudomonas и Xanthomonas.
-
Ассимиляция 2,4,5-Т у деструкторов происходит с образованием феноксиуксусной кислоты и 2-гексеналя.
-
Бактерии-деструкторы 2,4,5-Т имеют оригинальные генетические кластеры, контролирующие катаболизм 2,4,5-Т.
-
Детерминанты, контролирующие катаболизм 2,4,5-Т в клетках бактерий, располагаются на плазмидах.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались и обсуждались в ходе работ II, IV, V и VI Молодежных школ-конференций с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2006, 2008, 2009, 2010), на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (Москва, 2010) и Международной научной конференции «Биотехнология начала Ш тысячелетия» (Саранск, 2010).
Публикации
Результаты работы изложены в 13 печатных работах, в том числе 5 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
