Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
нелетальных для живых клеток.
После концентрирования металла в микроорганизме возникает проблема
извлечения из него металла. Для этого можно использовать либо
недеструктивный способ высвобождения металла из микроорганизма, либо
экстракцию путем разрушения. В последнем случае микроорганизмы подвергают
пирометал-лургической обработке либо разрушают их концентрированной
щелочью или кислотой. Выбор метода определяется тем, насколько легко
высвобождается металл из микроорганизма и насколько ценен сам
микроорганизм для того, чтобы имело смысл повторно его использовать.
Ясно, что, если стоимость получения микроорганизма высока, его повторное
использование весьма желательно. С другой стороны, если данный орга-
14*
212
Глава 5
низм представляет собой дешевый побочный продукт иных производств
(например, дрожжи) и/или извлекаемые металлы являются крайне ценными
(например, металлы платиновой группы), то экономически предпочтителен
деструктивный процесс. В любом варианте выбор организма и процесса
экстракции должен определяться основными свойствами аккумулирующих металл
микробных систем; самое главное - четкое понимание биохимических
процессов, характерных для данного микроорганизма.
Микроорганизмы способны концентрировать металлы одним из следующих
способов: 1) внеклеточное накопление участвующих или не участвующих в
метаболизме металлов путем связывания или осаждения их на клеточной
стенке или мембранах; 2) внутриклеточное накопление нужных для
метаболизма металлов (например, К, Fe, Mg, Мо, следы Си, Ni); 3)
внутриклеточное накопление относительно больших количеств несущественных
для метаболизма металлов (например, Со, Ni, Си, Cd, Ag) в основном с
помощью механизмов, служащих для накопления существенных для метаболизма
металлов.
Поглощение некоторых металлов дрожжами и бактериями осуществляется почти
исключительно за счет поверхностного связывания; примером служит
накопление урана дрожжами или свинца у Micrococcus. Внутриклеточное
накопление может сопровождаться незначительным поверхностным связыванием;
пример тому - накопление калия. Процесс накопления металлов нередко
характеризуется двухфазной кинетикой (рис. 5.7).
Стадия 1:
быстрое энергонезависимое поверхностное связывание (часто специфичное для
металла и микроорганизмов и легко обратимое)
Стадия 2:
энергозависимое накопление металла внутри клетки (высвобождение металла
затруднено)
Время
Рис. 5.7. Обычно наблюдаемая кинетика накопления металлов бактериями:
стадия 1 -энергонезависимая, стадия 2-энергозависимая.
Материалы и биотехнология
213
Сразу после введения металла в среду последний быстро связывается с
клеточной поверхностью за счет независимого от энергии процесса, а затем
происходит медленный перенос металла в цитоплазму клетки. Последний
процесс часто является энергозависимым и протекает лишь при активном
дыхании. Он может блокироваться дыхательными ядами и анаэробиозом,
ингибирующими аэробное дыхание или запасание энергии. У бактерий
связывание металлов с клеточной поверхностью происходит интенсивнее, чем
у большинства дрожжей; так, скорость связывания металлов у Saccharomyces
cerevisiae намного ниже, чем у Escherichia coli или Bacillus (рис. 5.8).
Связанные с клеточной поверхностью металлы легко отделяются от нее
хелатирующими агентами или разбавленными кислотами; например, кобальт,
связанный с поверхностью Bacillus, легко удаляется при помощи ЭДТА (рис.
5.8). На внутриклеточное накопление металла ЭДТА не влияет. Бактериальные
системы представляются предпочтительными для удаления металлов с
последующим быстрым связыванием; однако энергозависимое поглощение
металлов в случае дрожжей часто оказывается более эффективным, чем для
бактерий. У различных штаммов родственных бактерий уровень поверхностного
связывания существенно различается. Например, Bacillus megate-rium КМ
(при концентрации 1 г сухой массы на литр) при 20 °С связывает 43 мг
кадмия на 1 г сухой массы из раствора, содержащего Cd в концентрации 112
мг/л (в то время, как В. polymyxa - всего 10 мг Cd на 1 г сухой массы).
Сильно связывающий штамм В. megaterium (при концентрации 1 г сухой массы
клеток на литр) извлекает 38 и 68% кадмия из растворов, содержащих
соответственно 112 и 11 мг Cd в 1 л.
Последующее накопление металлов внутри клетки, как правило, требует
специфических транспортных систем. Четко установлено, что поглощение
никеля или кобальта происходит при участии системы транспорта магния, а
поглощение рубидия, вероятно, при участии системы транспорта калия.
Различные металлы могут конкурировать за карбоксилы, гидроксилы и другие
участки связывания на поверхности клетки или за транспортные системы. При
поступлении в клетку иона какого-либо металла из цитоплазмы выходят
одноименно заряженные ионы. В зависимости от организма это могут быть
протоны, ионы магния или калия (рис. 5.9).
Над применением микроорганизмов в биотехнологии в качестве биосорбентов
