Регистрация / Вход
Прислать материал

Биодеструкция фармполлютантов с использованием актинобактерий

Сведения об участнике
ФИО
Тюмина Елена Александровна
Вуз
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о Земле, экология и рациональное природопользование
Раздел области наук
Экология
Тема
Биодеструкция фармполлютантов с использованием актинобактерий
Резюме
Подтверждена способность актинобактерий рода Rhodococcus к биотрансформации фармполлютантов на примере дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата. Показано, что использование иммобилизованных и покоящихся клеток родококков повышает эффективность биодеградации фармполлютантов. Расшифрованы пути биодеструкции дротаверина и кодеина. Подобраны штаммы ̶ активные биодеструкторы, пригодные для получения устойчивых биокатализаторов разложения гетероциклических азотсодержащих соединений. Полученные данные расширяют представление о каталитической активности родококков и свидетельствуют об их ключевом вкладе в деконтаминацию природных экосистем от фармполлютантов.
Ключевые слова
актинобактерии, Rhodococcus, фармполлютанты, дротаверин, кодеин, биодеструкция, кометаболизм
Цели и задачи
Цель настоящей работы − исследование способности актинобактерий рода Rhodococcus к биотрансформации фармполлютантов на примере дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата.
Конкретные задачи исследования включали:
1. Изучить минимальные подавляющие концентрации дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата в отношении актинобактерий разных видов.
2. Подобрать оптимальные условия биодеструкции дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата.
3. Оценить возможность использования иммобилизованных родококков для биодеструкции дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата.
4. Оценить возможность использования покоящихся родококков для биодеструкции дротаверина гидрохлорида.
5. Обнаружить и идентифицировать возможные метаболиты процесса биодеструкции дротаверина гидрохлорида и кодеина фосфата, оценить степень их токсичности.
Введение

Сегодня остро стоит экологическая проблема присутствия и аккумуляции фармацевтических веществ в окружающей среде [1]. Известно, что в процессах самоочищения открытых экосистем доминирующую роль играют актинобактерии рода Rhodococcus [2, 3]. Экологическая пластичность, высокая катаболическая активность родококков определяют технологические преимущества использования их в качестве биокатализаторов процесса деструкции многих ксенобиотиков, в том числе фармполлютантов. Среди экофармполлютантов, детектируемых в окружающей среде, наиболее распространены гетероциклические азотсодержащие соединения, в частности дротаверина гидрохлорид и кодеина фосфат [4]. 

Методы и материалы

В работе использовали 148 штаммов актинобактерий из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов, действующей на базе Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и входящей в Перечень Уникальных научных установок РФ. В экспериментах по биодеструкции применяли минеральную среду RS и фосфатный буфер. Дротаверин и кодеин вносили в среду в виде фармацевтических субстанций, клетки родококков предварительно выращивали в течение трех сут в мясопептонном бульоне. В работе наряду с вегетативными использовали иммобилизованные и цистоподобные покоящиеся клетки; в качестве носителей – использовали адсорбент на основе древесных пород, доступного в регионе материала,  или криогель на основе поливинилового спирта. Покоящиеся формы родококков готовили по методике, разработанной в Институте микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН. Под термином “цистоподобные покоящиеся клетки” понимаем клетки, не обладающие метаболической активностью и характеризующиеся повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Убыль фармацевтических веществ в процессе биодеструкции регистрировали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Состав продуктов разложения исследовали методом газовой хроматографии с масс-селективным детектированием. Во всех экспериментах использовали контроли для оценки абиотической деструкции и степени адсорбции дротаверина и кодеина на бактериальных клетках. 

Описание и обсуждение результатов

В результате проведенных исследований установлено, что родококки экологически значимых видов R. erythropolisR. rhodochrous и R. ruber обладают выраженной толерантностью к дротаверина гидрохлориду и кодеина фосфату. Максимальная резистентность в отношении обоих фармполлютантов выявлена у R. rhodochrous ИЭГМ 647, который использовался нами в дальнейшем в экспериментах. 

Процесс разложения дротаверина и кодеина с использованием вегетативных бактериальных клеток протекал крайне медленно (более 90 сут), что свидетельствовало о высокой химической устойчивости молекул данных фармполлютантов. С целью ускорения процесса биодеструкции были апробированы следующие приемы: (1) прединкубация клеток в присутствии низких концентраций фармаполлютантов, (2) введение в инкубационную среду энергетических косубстратов, (3) иммобилизация клеток, (4) использование покоящихся клеток в качестве инокулята.

Использование приема прединкубации родококков позволило сократить продолжительность процесса биотрансформации дротаверина со 103 до 60 сут, а кодеина– со 122 до 90 сут. Введение глюкозы в качестве косубстрата сокращало процесс биодеструкции дротаверина до 42 сут. Использование иммобилизованных на древесном носителе родококков существенно сокращало процесс биодеструкции дротаверина гидрохлорида – с 42 до 7 сут.

Использование покоящихся клеток R. rhodochrous ИЭГМ 647 в качестве инокулята способствовало увеличению их биодеградирующей активности в отношении дротаверина при неоптимальной (35±2оС) температуре.

В результате биодеструкции дротаверина клетками R. rhodochrous ИЭГМ 647 впервые достигнуто раскрытие изохинолинового кольца с образованием менее токсичных метаболитов – производных протокатеховой кислоты. Биотрансформация кодеина протекала с образованием продуктов (гидрокодон, кодеинон, 14-гидроксикодеинон) с более выраженной токсичностью, чем таковая исходного соединения. Полученные данные свидетельствуют о высокой химической устойчивости молекулы кодеина фосфата и потенциальной опасности данного фармполлютанта для экосистем.

Использованный в работе штамм R. rhodochrous ИЭГМ 647 пригоден для получения устойчивого биокатализатора процесса разложения гетероциклических азотсодержащих соединений. Использование данного биокатализатора обеспечивает максимальное разложение дротаверина с образованием простых соединений, не обладающих выраженной токсичностью, а также получение новых соединений с биологической активностью. Полученные данные расширяют представление о каталитической активности актинобактерий рода Rhodococcus и свидетельствуют об их ключевом вкладе в деконтаминацию природных экосистем от фармполлютантов.

Используемые источники
1. Pharmaceuticals in the environment-Global occurrences and perspectives [Текст] / T. Aus der Beek [et al.] // Environmental Toxicology and Chemistry. – 2016. – V. 35, № 4. – P. 823–835.
2. Larkin, M.J. Biodegradation by members of the genus Rhodococcus: biochemistry, physiology, and genetic adaptation [Текст] / M.J. Larkin, L.A. Kulakov, C.C.R. Allen // Advances in Applied Microbiology. – 2006. – V. 59. – Р. 1–29.
3. Kuyukina, M.S. Rhodococcus biosurfactants: biosynthesis, properties and potential application [Текст] / M.S. Kuyukina, I.B. Ivshina // Microbiology Monographs. Biology of Rhodococcus – 2010. – V. 16. – P. 292–313.
4. BASE project 2012-2014: Pilot activity to identify sources and flow patterns of pharmaceuticals in St. Petersburg to the Baltic Sea [Текст] / V. Nikiforov, Z. Zhakovskaya, Y. Russkikh, E. Chernova // Helcom. 2014. 53 p.
Information about the project
Surname Name
Tyumina Elena
Project title
Biodestruction of pharmaceutical pollutants using actinobacteria
Summary of the project
The studies provided new data on the ability of Rhodococcus actinobacteria to use drotaverine and codeine as the sole carbon and energy sources, the degree of biodegradability, the toxic effects of the studied pharmaceutical pollutants, and the parameters of the initial stages of bacterial decomposition and co-metabolism. In the biodegradation experiments using free, immobilized and cyst-like dormant cells of actinobacteria research active strains-biodestructors were defined; optimal conditions for biodegradation were determined; and biological degradation pathways of drotaverine and codeine were identified. The actinobacteria strains used could be recommended to obtain a stable biocatalyst for decomposition of nitrogen-containing heterocyclic compounds.
Keywords
actinobacteria, Rhodococcus, pharmaceutical pollutants, drotaverine, codeine, biodestruction, co-metabolism