Активность каталазы как показатель функционирования гетеротрофных звеньев искусственных экосистем различного типа

Биосфера — это среда нашей жизни, это та «природа», которая нас окружает, та «природа», о которой мы говорим в разговорном языке и человек — прежде всего — своим дыханием, проявлением всех своих функций неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или в уединенном домике." Вернадский В. Н., 1920 г.

В настоящее время интенсивное развитие техногенной цивилизации оказывает отрицательное влияние на биосферу. Это послужило поводом к заявлениям о наступлении экологического кризиса и вступлении мира в эпоху экологической катастрофы. В конце 60-х годов развитые страны пришли к выводу о необходимости принятия срочных мер для предотвращения ухудшения состояния, а в некоторых случаях и деградации окружающей среды. В на стоящее время для научного обоснования концепции устойчивого развития необходимо изучение законов организации и функционирования биосферы в целом. Для изучения фундаментальных основ функционирования экосистем различного типа необходимы новые, в том числе биофизические методы, позволяющие прогнозировать развитие систем на основе математического моделирования.

Актуальность проблемы.

Современный интерес исследователей к изучению процессов замыкания биотических циклов связан с противоречием между современной техносферой и биосферой. Уникальность биосферы не позволяет проводить над ней эксперименты, поэтому для изучения как частных, так и общих закономерностей функционирования экосистем различного типа необходимы новые, в том числе биофизические методы, позволяющие прогнозировать развитие систем на основе математического моделирования. Объектами такого рода исследований служат модельные экспериментальные экосистемы на основе микроорганизмов с пространственно разделенными звеньями, а также техногенные системы биологической деструкции загрязнений с участием сообщества микроорганизмов активного ила.

Такие системы поддаются управлению, однако для управления необходима информация о концентрации субстрата (потребленного, остаточного) в ней. В экспериментальных экосистемах и в экосистемах очистных сооружений, так же как и в природных экосистемах, формируется сложный по составу многокомпонентный субстрат, который в основном утилизируется бактериальным звеном и трудно поддается определению. Традиционно применяемые методы для контроля за концентрацией интегрального субстрата в системе БПК и ХПК (биологическая и химическая потребность в кислороде), к сожалению не являются экспрессными. Поэтому очевидна необходимость разработки экспресс-методов контроля за количеством потребленного субстрата микроорганизмами, одна из функций которых в экосистеме заключается в высвобождении простых неорганических соединений, что способствует замыканию биотического цикла.

Функционирование микроорганизмов зависит от состояния их ферментной системы. Поэтому представляется целесообразным разрабатывать ферментативные методы для определения количества потребленного микроорганизма* ми питательного субстрата. Для разработки быстрых методов на основе ферментативной активности микроорганизмов важны требования при выборе ключевого фермента-индикатора. Важно, чтобы фермент: 1) являлся конститутивным, 2) функционировал в ключевом звене клеточного метаболизма, 3) присутствовал во всех аэробных клетках, 4) допускал простое определение.

Фермент катал аза может служить таким индикатором по следующим причинам: 1) каталаза — конститутивный фермент, 2) ответственен за протекание единственной реакции разрушения перекиси водорода, образуется в одном из ключевых звеньев метаболизма — дыхательной цепи- 3) фермент присутствует во всех аэробных клетках, 4) измерение его активности достаточно просто.

Цель работы.

Исследовать зависимость между активностью каталазы количеством биомассы бактерий и количеством потребленного ими субстрата в условиях управляемого культивирования (периодического и непрерывного) для чистых и смешанных культур микроорганизмов. Разработать экспресс-метод контроля динамики концентрации субстрата и биомассы микроорганизмов на основе определения активности их каталазы.

Основные задачи исследования заключались в следующем:

1. Исследовать взаимосвязь активности каталазы с количеством биомассы бактериальной культуры и количеством потребленного микроорганизмами питательного субстрата.

2. Установить количественные закономерности связи между активностью каталазы бактерий и количеством потребленного ими питательного субстрата.

3. Показать возможность применения метода определения активности каталазы как для оценки функционирования гетеротрофного звена искусственных экосистем на примере малых лабораторных систем, так и экосистемы в целом на примере сложного сообщества микроорганизмов активного ила очистных сооружений.

4. Разработать метод контроля за развитием бактериального звена искусственных экосистем разного типа сложности: экспериментальные с разделенными звеньями, техногенные на основе функционирования сообщества микроорганизмов.

5. Применить активность каталазы для оценки эффективности процесса биологической очистки сточных вод микроорганизмами активного ила аэро-тенков в любой, интересующий исследователя, момент времени.

Научная новизна.

Впервые установлены количественные закономерности связи между активностью конститутивного фермента каталазы бактерий и количеством потребленного ими питательного субстрата при помощи математической модели, разработанной на основе полученных экспериментальных результатов. На основании полученных закономерностей, метод активности каталазы бактерий может быть использован в качестве экспресс-метода оценки функционального состояния бактериального звена, искусственных экосистем различных типов.

Практическая ценность.

Разработан метод оценки количества потребленного субстрата бактериальной культурой на основе определения активности каталазы, который применен в практике контроля процесса биологической очистки сточных вод. Показана возможность применения данного метода для контроля функционирования гетеротрофного звена малых лабораторных экосистем, состоящего из микроорганизмов, с пространственно разделенными звеньями при исследовании законов устойчивого развития. т.

Положения, выносимые на защиту.

Установлена линейная связь активности конститутивного фермента каталазы бактерий с количеством их биомассы и количеством потребленного ими субстрата.

Разработан подход с использованием фермента каталазы для решения практических задач определения количества потребленного субстрата бактериями, развивающимися в монокультуре, в гетеротрофном звене (бактериальном), модельных экспериментальных экосистем (на основе микроорганизмов с пространственно разделенными звеньями) и сложном сообществе микроорганизмов активного ила.

Показано, что активность каталазы может служить интегральным показателем функционирования всей экосистемы, т.к. в сложном сообществе микроорганизмов данный показатель отражает состояние бактериальной компоненты.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на всесоюзной конференции «Биотехнология и биофизика микробных популяций» (г. Алма-Ата, 1991), международном конгрессе «Экология и бизнес» (г. Красноярск, 1993), на 31-й и 32-й международных научных Ассамблеях СС^РАЯ (г. Бирмингем, 1996; г. Нагоя, 1998).

Публикации. По полученным данным опубликовано 7 работ.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования и описания результатов экспериментов с их обсуждением, выводов и списка цитируемой литературы. В первой главе диссертации представлен обзор литературных данных, где обоснована необходимость разработки новых ферментативных экспресс-методов оценки состояния малых экосистем, состоящих из микроорганизмов, представлен обзор существующих методов определения остаточной концентрации органического субстрата в среде, сформулированы требования при выборе ключевого фермента-индикатора для разработки ферментативных методов контроля за динамикой концентрации субстрата в экосистеме. Там же сформулированы основные за.

основные результаты и выводы.

1 .Установлена линейная связь между активностью каталазы количеством бактериальной биомассы и количеством потребленного бактериями субстрата в условиях управляемого культивирования (периодического и непрерывного) как чистых культур, так и смешанных сообществ микроорганизмов. Активность каталазы не зависит от кинетических параметров: удельной скорости роста микроорганизмов и скорости протока, что обусловлено конститутивной природой фермента.

2.Разработана математическая модель, подтверждающая адекватность экспериментальных результатов теоретическим представлениям о конститутивной природе фермента каталазы и ее роли в клетке. Теоретические допущения позволили установить зависимости и связи между активностью каталазы бактерий количеством их биомассы и количеством потребленного ими субстрата, соответствующие экспериментально полученным данным.

3.Показано, что активность каталазы отражает процесс роста целлюлоли-тических бактерий В. acidocaldarius и Ps. sp. штамм № 1 сопутствующей микрофлоры хлореллы при периодическом культивировании на «мертвой» хлорелле, когда нефелометрическое определение биомассы бактерий невозможно, а определение численности бактерий и концентрации сложного субстрата трудоемко.

4.Исследование модельной экосистемы «продуцент-редуцент-консумент» замкнутой по газу и субстрату с пространственно разделенными звеньями и смешанного сообщества микроорганизмов активного ила показало, что активность каталазы характеризует потребление бактериями субстрата и это позволяет осуществлять контроль за состоянием звена редуцента МЭС.

5.На примерах альгобактериального ценоза Chlorella vulgaris, гетеротрофного звена, состоящего из целлюлолитических бактерий В. acidocaldarius и Ps. sp. штамм № 1 сопутствующей микрофлоры хлореллы, а также смешанного сообщества микроорганизмов активного ила показано, что измеряемая активность катал азы характеризует состояние только бактериальной компоненты сообщества.

6.Разработан экспресс-метод контроля эффективности функционирования техногенных экосистем биологической очистки сточных вод микроорганизмами активного ила в аэротенке в любой интересующий момент времени на основе измерения активности каталазы бактерий активного ила аэротенков.

7.Использование активности каталазы для контроля биологической очистки сточных вод в аэротенках, показало, что изученная технологическая схема биологической очистки сточных вод может быть упрощена исключением из традиционной схемы очистки регенератора. Это позволит увеличить пропускную способность аэротенков и окажет позитивное влияние на окружающую среду.