Биотехнологические основы культивирования микроорганизмов. 1 страница

Обобщенная схема промышленного выращивания микроорганизмов с целью получения конечных продуктов представлена на рис 9.

Исходная культура (5-10 мл)

↓

Встряхиваемая колба (200-1000 мл)

↓

Ферментер для посевного материала (10-100 л)

↓

Промышленный ферментер (>100 л)

↓

Сбор биомассы

↓

Клетки (Культуральная среда)

↓

Разрушение (экстракция)

↓

Очистка продукта

Рис. 9. Схема промышленного выращивания микроорганизмов.

Переход от лабораторного синтеза к промышленному – это не просто увеличение масштаба, т.е. условия, оптимальные для малых объемов не будут оптимальными для больших. Например, аэробные микроорганизмы хорошо растут в обычной колбе на 200 мл при аэрации ее содержимого с помощью мешалки мощностью 300 Вт. Если просто увеличить объем «колбы» до 10000 литров, то потребуется мешалка мощностью 15 МВт. Ее мотор будет размером с дом, а при перемешивании выделится столько тепла, что микроорганизмы погибнут. Поэтому для получения максимального выхода как в малых (от 1 до 10 л), так и в больших (>1000 л) биореакторах необходимо оптимизировать множество параметров: температуру, рН, способ и интенсивность перемешивания и (в случае аэробных организмов) – концентрацию кислорода. Считают, что оптимальные условия изменяются при каждом десятикратном увеличении объема биореактора. Промышленное выращивание микроорганизмов с целью получения очищенного продукта – ферментация – процесс многоступенчатый (рис. 9). Обычно процедура начинается с приготовления и стерилизации культуральной среды и оборудования. Сначала выращивают исходную культуру (5-10 мл), затем инкубируют ее во встряхиваемой колбе (200-1000 мл), после чего переносят в ферментер для посевного материала (10-100 л) и, наконец, в промышленный ферментер (1000-1000000 л). По завершении ферментации клетки выделяют из культуральной среды центрифугированием или фильтрацией. Если продукт локализован внутри клеток, последние разрушают, удаляют клеточные осколки и выделяют продукт из осветленной среды. Секретируемый продукт выделяют непосредственно из среды.

Рост и развитие микроорганизмов. В последние 15 лет для выращивания продуцентов ферментов чаще используют глубинный метод культивирования (рис. 10). В промышленных условиях для этих целей применяют ферментеры из нержавеющей стали, снабженные приспособлениями для перемешивания и подачи в жидкую питательную среду стерильного воздуха.

Рис. 10. Методы ферментации (Голубев В.Н., Жиганов И.Н., 2001).

Сначала ферментер заполняют питательной средой, автоклавируют, а затем засевают чистой культурой, подаваемой из специального генератора. Для предотвращения контаминации (инфекции) в ферментере поддерживают повышенное давление наряду с оптимальными значениями рН, температуры, редокс-потенциала и другими условиями культивирования (рис. 11). В настоящее время наиболее прогрессивным признан проточный метод культивирования микроорганизмов, который обеспечивает непрерывную подачу в ферментер как питательной среды, так и посевного материала.

Рис.11. Принципиальная схема глубинного культивирования микроорганизмов (Т.А.Егорова и соавт., 2003): 1 – смеситель питательной среды; 2 – стерилизатор в непрерывном режиме потока питательной среды; 3,4 – теплообменники; 5 – посевные аппараты; 6, 10, 12 – фильтры для очистки воздуха; 7 – ферментер; 8,9 – насосы;

Микроорганизмы можно выращивать:

- в ферментере периодического действия (микроорганизмы выращивают без добавления свежей культуральной среды);

- в ферментере периодического действия с добавлением субстрата (периодически добавляют увеличивающиеся количества питательных веществ, но культуральную среду не удаляют до конца процесса);

- в непрерывной культуре (свежая культуральная среда поступает в ферментер непрерывно, и параллельно отводится такой же объем клеточной суспензии).

В ходе периодической ферментации различают шесть основных фаз роста:

- лаг-фазу (наблюдается, когда посевной материал получен из культуры, рост которой прекратился в результате исчерпания субстрата или ингибирования продуктом);

- фазу ускорения (скорость роста клеток увеличивается до достижения постоянной величины);

- логарифмическую (экспоненциальную) фазу (клетки претерпевают несколько делений, а удельная скорость роста остается постоянной);

- фазу замедления (кратковременная при истощении субстрата);

- стационарную фазу (биомасса остается постоянной, но метаболизм резко меняется – синтез вторичных метаболитов, например, антибиотиков);

- фазу отмирания (исчерпание энергетических запасов клетки и прекращение метаболизма).

Кривую роста в логарифмической фазе описывают математически. Прирост клеточной массы во времени dX/dt равен произведению удельной скорости роста μ на биомассу Х:

dX/dt= μ Х

Аналогично, прирост числа клеток dN/dt равен произведению удельной скорости μ на число клеток N:

dN/dt= μ N

Удельная скорость μ зависит от концентрации лимитирующего субстрата (источника углерода или азота) S, максимальной удельной скорости роста μ_мах и субстратспецифичной константы К_s:

μ=μ_махS/ (К_s + S).

И S, и К_s имеют размерность г/л или моль.

Иногда вместо удельной скорости роста используют время удвоения, или время генерации t_d=ln2/μ. Это время, за которое в определенных условиях число клеток или биомасса удваиваются. Для одноклеточных микроорганизмов величина μ_мах обычно находится в диапазоне 2,1-0,086 ч^-1, что соответствует времени удвоения примерно от 20 мин до 8 ч. Когда субстрат присутствует в избытке (т.е. при S>> К_s), μ= μ_мах и достигается максимальная скорость роста культуры в экспоненциальной фазе. Как правило, величина К_s настолько мала, что концентрация субстрата редко становится сравнимой с К_s во время экспоненциальной фазы. Например, в случае E. coli К_s для глюкозы равна примерно 1 мг/мл, а начальная концентрация глюкозы в среде обычно составляет около 10000 мг/л. Однако в конце экспоненциальной фазы субстрата остается мало, и S может стать ниже К_s (в этом случае быстро наступает фаза замедления).

Периодическая культура с добавлением субстрата – в ферментер периодически добавляют субстрат, а конечный продукт собирают только по завершении процесса. Добавление субстрата приводит к удлинению экспоненциальной и стационарной фаз и к увеличению биомассы и количества метаболитов, синтезируемых во время стационарной фазы (например, антибиотиков). Однако в стационарной фазе микроорганизмы часто синтезируют протеолитические ферменты, разрушающие все производимые ими белки. Поэтому в случае получения белка как целевого продукта, следует остановить процесс до его перехода в стационарную фазу. Периодическую ферментацию с добавлением субстрата можно использовать для культивирования не только микроорганизмов, но и клеток млекопитающих и насекомых.

При непрерывной ферментации стационарные условия обеспечиваются тем, что при постоянном объеме биореактора убыль числа клеток (удаление продукта) в точности уравновешивается их увеличением в результате деления. Чтобы получить непрерывную культуру с постоянными гидродинамическими характеристиками, нужно создать условия, при которых удельная скорость роста была бы ниже максимальной величины μ_мах. Для этого нужна тщательная регулировка насоса подачи, чтобы объем культуры в биореакторе поддерживался постоянным. Получение продукта в ферментере непрерывного типа дешевле, чем в периодических из-за уменьшения объема биореактора, отсутствия простоя и сохранения физиологического статуса культивируемых клеток на одинаковом уровне. Непрерывная ферментация может продолжаться 500-1000 ч, что создает проблему поддержания стерильности промышленной установки.

В таблице 5 приведены основные факторы среды, определяющие рост и биосинтетическую активность продуцентов.

Таблица 5 - Факторы среды, определяющие функционирование продуцентов (по В.Н.Голубеву и И.Н.Жиганову, 2001)

Фактор	Роль при культивировании	Методы управления
Состав и кон-центрация пи-тательных ве-ществ	Обеспечивают метаболизм	Составление оптимальной композиции; подпитка во время ферментации; непре- рывность процесса; много-стадийность с учетом потреб-ностей продуцента по фазам развития и др.
Концентрация продукта и ингибиторов	Замедляет биохимические реакции	Осаждение продукта по мере накопления; ферментация с диализом; ферментация под разрежением с испарением летучего продукта и др.
рН	Оптимизирует скорости биохимических реакций (пределы рН 3,5-9,0)	Регулирование путем добавления кислоты или щелочи
Температура	Оптимизирует скорость биохимических реакций (20-70 ˚С)	Охлаждение или подогрев культуральной жидкости при помощи теплообменников или температуры подаваемых в биореактор субстратов
Осмотическое давление или активность воды	Определяет границы жизни (0,6-0,998)	Составление сред с оптимальной концентрацией питательных веществ или влажностью твердой среды; поддержание на постоянном уровне во время ферментации путем разбавления водой или добавления отдельных компонентов
Содержание растворенного кислорода	Для аэробов обеспечивает аэробный метаболизм; является акцептором Н+; ингибирует развитие анаэробов	Для аэробных процессов регулируют интенсивностью аэрации или добавлением к газовой смеси кислорода; при атмосферном давлении и 20 ˚С в 1 л среды растворяется 0,28 ммоль (0,008 г/л) О2. Анаэробные процессы реализуют в бескислородной среде, что достигается продуванием N2 и СО2 или добавками восстановителей (цистеина, аскорбиновой кислоты и др.)
Содержание диоксида углерода	Равномерное распределение питательных веществ и биомассы по всему пространству среды	Организуют макро- и микроперемешивание в биореакторах при помощи механических мешалок, барботажных, циркуляционных и других систем. Аэрация способствует перемешиванию, а пенообразование – флотации продуцента; флокуляция способствует осаждению биомассы
Вязкость среды	Определяет диффузию питательных веществ и перемешивание клеток продуцента	Регулирование компонентами питания, характером и концентрацией биомассы, а также наличием некоторых полимерных экстрацеллюлярных продуктов. Вязкость влияет на перемешивание и аэрацию, для чего требуются специальные технические средства

Культуры с высокой плотностью. Считают, что при получении белков максимальный выход конечного продукта напрямую связан с плотностью культуры клеток. В ферментерах периодического действия с добавлением субстрата концентрация рекомбинантных клеток E.coli достигает 50 г сухого вещества на 1 л среды (в некоторых случаях >100 г/л). Заметим, что вес сухого вещества клеток E.coli составляет примерно 20-25% веса влажного вещества. Один из способов повышения плотности культуры состоит в регулировании культуральной среды. Известно, что избыточное введение питательных веществ, например источников углерода, тормозит рост клеток при концентрациях: глюкоза >50 г/л, аммиак >3 г/л, железо >1,15 г/л, магний >8,7 г/л, фосфор >10 г/л, цинк >0,38 г/л. В культурах с высокой плотностью может возникнуть недостаток кислорода (усилить подачу воздуха, заменить воздух на кислород или экспрессировать в клетках E.coli ген гемоглобина Vitreoscilla, обладающего большим сродством к кислороду. Высокой плотности чаще всего удается достичь при росте в периодическом режиме с добавлением субстрата. Режим подачи питательных веществ может быть непрерывным, ступенчатым или экспоненциальным.

Рис. 12. Схема работы основных типов биореакторов (Т.А.Егорова и соавт., 2003): 1) биореактор с механическим перемешивающим устройством; 2) барботажный биореактор; 3) аэролифтный биореактор; 4) биореактор с вынесенной циркуляционной петлей

Биореакторы делят на три основных группы (рис.12):

- реакторы с механическим перемешиванием;

- барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускается воздух или другой газ;

- аэролифтные (эрлифтные) реакторы с внутренней или внешней рециркуляцией; перемешивание и циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком газа (обычно воздуха), за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Чаще всего используются биореакторы с механическим перемешиванием, поскольку они имеют следующие преимущества:

- позволяют легко менять технологические условия;

- всегда есть в продаже;

- обеспечивают эффективную доставку газа к растущим клеткам (если говорить на инженерном языке, обладают высоким объемным коэффициента массобмена);

- имеется большой опыт их промышленного использования с соответствующей регламентационной литературой.

В реакторах с механическим перемешиванием газ (как правило, воздух) подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель – кольцо с множеством маленьких отверстий либо трубку с одним отверстием. В первом случае образуются мелкие пузырьки воздуха и обеспечивается их более равномерное распределение, однако разбрызгиватели в виде трубок используются чаще, поскольку они реже закупориваются. Для равномерного распределения газа по всему объему биореактора используются мешалки – одна или несколько. Они разбивают крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде. Многие культуральные среды агрессивны, поэтому стенки биореакторов делают из нержавеющей стали. Стеклянные части используют только в лабораторных биореакторах емкостью менее 50 л. Размер биореактора лимитируется его способностью эффективно отдавать тепло, выделяемое микроорганизмами в ходе метаболизма и высвобождаемое в результате перемешивания. Известно, что, ассимилируя 1 кг сахара, микроорганизмы выделяют 4-6 тысяч кДж тепла.

Обеспечение стерильности, постоянства рН и температуры – ключевые требования при любом способе культивирования независимо от конструкции биореактора.

В молекулярной биотехнологии биореакторы с механическим перемешиванием используются в меньшей степени из-за грубого воздействия на клетки:

- клетки рекомбинантных микроорганизмов более хрупки, чем нетрансформированные клетки, поскольку часть их энергетических ресурсов расходуется на синтез чужеродных белков и в результате образуется менее прочная клеточная стенка;

- самый распространенный ответ клетки на внешнее воздействие – уменьшение количества синтезируемых белков, в том числе и рекомбинантных;

- под действием сдвиговых эффектов могут изменяться физические и химические свойства клеток, что затруднит дальнейшую работу с ними, например, может увеличиться количество полисахаридов на поверхности клеток (это приведет к ухудшению условий их выделения и лизиса, а также затруднит очистку рекомбинантного белка).

Рекомбинантные микроорганизмы широко используются для получения разнообразных белковых продуктов, применяющихся в медицине (например, инсулина), а также в качестве своего рода «фабрик» по производству имеющих коммерческую ценность метаболитов (например, антибиотиков). Белки синтезируются наиболее интенсивно от середины экспоненциальной фазы до ее завершения, а метаболиты – в период замедления роста и в стационарной фазе.

Выделение целевого продукта следует за этапом ферментации.

1. Отделение клеток от культуральной жидкости после ферментации осуществляют методами скоростного центрифугирования или фильтрацией. Центрифугирование не всегда доступно из-за стоимости оборудования; метод фильтрации не всегда эффективен из-за снижения фильтрационной способности пористого материала, заполняемого клетками.

Рис. 13. Схема ферментативного лизиса дрожжевой клетки (Кислухина О.В., 2002).

2. Выделение продукта зависит от его локализации. Если продукт представляет собой белок, находящийся в культуральной среде, то среду концентрируют, а белок очищают хроматографическими или другими препаративными методами. Если продукт – это низкомолекулярное соединение, находящееся в культуральной среде, то используют соответствующие методы экстракции. Если продукт имеет внутриклеточную локализацию, то прежде чем очищать его, клетки разрушают.

3. Разрушение клеток осуществляют химическими, биологическими и физическими методами. В качестве примера приведена схема ферментативного лизиса дрожжевой клетки (рис.13). При проведении лизиса в гипертонической среде и высокой активности литических ферментов клеточная стенка может быть полностью лизирована, и из клетки образуется протопласт, принимающий затем сферическую форму. При перенесении в гипотоническую среду сферопласты мгновенно лизируются под действием осмотических сил.

Все процедуры должны быть достаточно жесткими, чтобы разрушить клеточную стенку, и в то же время достаточно мягкими, чтобы исключить денатурацию белка. В связи с разным строением клеточных стенок у разных микроорганизмов существуют разные подходы к их разрушению:

- У грамположительных бактерий клеточная стенка состоит из толстого пептидогликанового слоя N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных пептидными мостиками.

- У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше и покрыта снаружи слоем липидов.

- Стенка дрожжевых клеток состоит из плотного слоя частично фосфорилированных маннанов и β-гликанов.

- Низшие грибы имеют многослойные клеточные стенки, состоящие из α- и β-гликанов, гликопротеинов и хитина.

Химические методы разрушения – обработка щелочью, органическими растворителями или детергентами. Все эти методы не должны отрицательно влиять на целевой белковый продукт. Основной биологический метод разрушения клеток микроорганизмов является лизис с помощью ферментов. Лизоцим яичного белка легко гидролизует клеточные стенки грамположительных бактерий, для лизиса грамотрицательных бактерий к яичному лизоциму добавляют этилендиаминотетрауксусную кислоту (ЭДТА, трилон Б). Клеточные стенки дрожжей гидролизуют с помощью одного или нескольких ферментов – β-1,3-глюканазы, β-1,6-глюканазы, манназы и хитиназы. Ферментативная обработка высокоспецифична, а лизис проходит в мягких условиях, но сдерживает их применение высокая стоимость. Дешевле клетки разрушать с помощью физических методов – осмотический шок, замораживание-оттаивание, ультразвуковая обработка. Для разрушения большого количества клеток используют шаровые мельницы. При гомогенизации под высоким давлением концентрированную клеточную суспензию продавливают через небольшое отверстие под высоким давлением, а затем давление резко сбрасывают, что вызывает лизис. В методе соударения клеточную суспензию большой вязкости направляют под давлением на неподвижную поверхность или навстречу потоку другой суспензии. В месте соприкосновения выделяется большое количество энергии, разрушающей клетки. Эффективно сочетание метода обработки лизоцимом с соударением (с уменьшением дозы и скорости струйного выброса) для сохранения нативности целевого продукта.

4. Затем следуют этапы очистки белка, а если получен нерастворимый продукт, то его солюбилизации обычными приемами препаративной биохимии.

Оценка процесса ферментации осуществляется путем анализа ряда кинетических показателей. Практически в ферментационной среде контролируют содержание основных субстратов (обычно источник углеводов), биомассы и целевого продукта. По этим показателям вычисляют удельную скорость роста, продуктивность системы по биомассе и продукту, а также экономические коэффициенты (таблица 6).

Биотехнологические штаммы микроорганизмов.Микроорганизмы, способные синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности (сверхсинтез), часто встречаются в природе. Некоторые из них при выделении в окружающую среду оказываются токсичными для других видов (органические кислоты, спирты, антибактериальные вещества) и служат средством защиты. Микроорганизмы с такими свойствами были первыми привлечены к хозяйственной деятельности человека. В настоящее время природные штаммы микроорганизмов используют для производства микробной биомассы (микробного белка), бактериальных азотистых удобрений, биопестицидов, пищевых продуктов. Однако большинство промышленных микроорганизмов представлено искусственно селектированными штаммами.

Таким образом, в промышленности применяют три вида штаммов: природные штаммы, улучшенные естественным или искусственным отбором; штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций, и штаммы культур, полученные методами генной или клеточной инженерии. В таблице 7 представлены некоторые группы микроорганизмов, используемые для промышленного синтеза веществ.

Экологически чистая энергия. Биогаз. В настоящее время очевидно, что окружающая среда – воздух, земля вода – уже не могут эффективно «перерабатывать» бытовые, промышленные и сельскохозяйственные отходы. Поэтому создан ряд технологических, включая биотехнологические, подходов, с помощью которых планируется перерабатывать большие количества отходов (например, лигноцеллюлозы) и токсических веществ.

Таблица 6 – Количественные характеристики процесса ферментации

Заимствовано из монографии: В.Н.Голубев, И.Н.Жиганов Пищевая биотехнология, 2001.

Определим основные термины:

- биодеградация разрушение отходов, попавших в окружающую среду, с помощью живых микроорганизмов;

- биомасса – совокупность веществ и материалов – побочных продуктов пищевой и перерабатывающей промышленности, - которые раньше считались отходами, а теперь могут служить сырьем для производства многих важных для народного хозяйства продуктов.

Таблица 7 – Продуценты и продукты промышленного биосинтеза

(Таблица заимствована из монографии Голубева В.Н. и Жиганова И.Н., 2001).

Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, использования энергии ветра, приливов, а также из биогаза и микробного этанола. По Т.А.Егоровой и соавт. (2003) биогаз – это смесь из 65% метана, 30% СО₂ , 1% сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 28 м³ биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м³ природного газа; 20,8 л нефти: 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового «брожения». Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в анаэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения – белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы-бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты. На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетогенные. Ацетогенные Н₂-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н₂, СО₂, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н₂-продуцирующих и Н₂-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н₂ и СО₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты (в основном, в ацетат). На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂ молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО₂, метанол, метиламин и ароматические соединения:

4Н₂ + СО₂ → СН₄ + 2Н₂О

3Н₂ +СО → СН₄+ Н₂О

2Н₂О + 4СО → СН₄ + 3СО₂

4НСООН → СН₄ + 3СО₂ + 2Н₂О

4СН₃ОН → 3СН₄ + СО₂ + 2Н₂О

СН₃СООН → СН₄ + СО₂

Метанобразующие бактерии 90-95% углерода субстратов превращают в метан. На рисунке 14 представлена схема устройства реактора (метантенка) для обработки сельскохозяйственных отходов (навоз, остатки растениеводства).

Рис. 14. Схема устройства реактора для обработки сельскохозяйственных отходов (Егорова Т.А. и соавт., 2003).

Процесс метанообразования ведется при 30-60 ºС и рН 6-8. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, пищевой, микробиологической, лесной промышленности). Использование термофильных метанобразующих бактерий позволяет вести процесс при 50-60 ºС, что обеззараживает субстрат метанообразования от патогенной микрофлоры и гельминтов. В целом анаэробная конверсия органических отходов в метан – наиболее конкурентноспособная область биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии, связанным с существованием жизни на земле.

Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов. На протяжении 20 века нарастало загрязнение окружающей среды ксенобиотиками (неприродные, синтетические химические вещества; от греч. Xenos, чужой) – гербицидами, пестицидами, хладоагентами, растворителями и т.д. Традиционные методы разрушения, сжигания или химической модификации ксенобиотиков приводили к дальнейшему загрязнению окружающей среды. Определенный позитивный сдвиг в технологиях борьбы с химическим загрязнением окружающей среды проявился в середине 60-х годов прошлого века, когда были обнаружены почвенные микроорганизмы, способные к деградации ксенобиотиков.

Основную группу почвенных микроорганизмов, разрушающих ксенобиотики, составляют бактерии рода Pseudomonas, разные штаммы которых способны расщеплять более 100 органических соединений. Нередко один штамм использует в качестве источника углерода несколько родственных соединений.

В биодеградации сложной органической молекулы обычно участвуют несколько ферментов. Кодирующие их гены входят в состав крупных (50-2000 т.п.н.) плазмид, а иногда обнаруживаются как в хромосомной, так и в плазмидной ДНК.

Бактерии, разрушающие негалогенированные ароматические соединения, как правило, превращают их в катехол или протокатехоат, а затем в ходе нескольких реакций окислительного расщепления, - в ацетил-КоА и сукцинат или в пируват и ацетальдегид. Полученные вещества легко метаболизируются всеми микроорганизмами. Галогенированные ароматические соединения (пестициды, гербициды) деградируются теми же ферментами, но скорость их превращений зависит от числа атомов галогена в исходном ксенобиотике. Дегалогенирование происходит с помощью неспецифической диоксигеназной системы микроорганизмов.

Некоторые микроорганизмы обладают природной способностью к деградации различных ксенобиотиков; следует иметь в виду, что:

- ни один из микроорганизмов не может разрушать все органические соединения;

- некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют рост деградирующих их микроорганизмов;

- обычное загрязнение окружающей среды многокомпонентное, когда один из компонентов может подавлять жизнедеятельность деградирующих другие соединения микроорганизмов.

Заманчиво создать штамм микроорганизмов, способный утилизировать несколько органических веществ-ксенобиотиков. Для этого используют два подхода.