Свойства метанотрофов в свете практического применения

Метанотрофные бактерии представляют значительный интерес как потенциальные объекты биотехнологии: для производства белка, ферментов, липидов, стеринов, антиоксидантов, пигмен­тов, полисахаридов, факторов транспорта железа, первичных и вторичных метаболитов (аминокислоты, органические кисло­ты, растворители, витамины, алкалоиды, антибиотики), био­трансформации органических соединений, снижения содержа­ния метана в угольных шахтах, создания биосенсоров и энерге­тических биоэлементов.

Исследования в области микробиологического синтеза белка на метане были начаты почти одновременно с разработкой процессов культивирования микроорганизмов на жидких углеводородах. Одна­ко из-за низких выходов биомассы и трудностей конструктивного оформления технологического процесса разработка методов микро­биологического получения белка на природном газе долго время на­ходилась на стадии лабораторных исследований.

В результате выделения активных культур метанотрофов, а также достижения определенных успехов в разработке технологии непре­рывного культивирования, стало возможным получать сравнительно высокие урожаи бактерий при таких скоростях протока, которые обеспечивают экономически приемлемую продуктивность процесса (1 г биомассы/л.час). В дальнейшем был осуществлен процесс непрерывного культивирования метанотрофов с высокими показателями по продуктивности (1,5-2 г/л.час). Сооб­щалось, что в хемостатном режиме в условиях диализного удаления внеклеточных метаболитов концентрация клеток метанотрофов может составлять 30 г/л.

Эти результаты, в основном, получены на смешанных культурах, которые, как считалось, способны достигать значительно больших, по сравнению с чистыми культурами метанотрофов, концентраций биомассы при меньшем времени генерации.

Мшенский (1979) первым экспериментально доказал возможность высокоэффективного процесса получения бактериальной биомассы чистых культур метанотрофов. Им была разработана минеральная среда с высоким содержанием ионов меди и определе­ны условия культивирования чистой культуры Methylomonas methanica 12, позволившие на природном газе достичь производи­тельности процесса 3,25 г/л-час.

Бактериальная биомасса, полученная на метане, представляет со­бой продукт с высоким содержанием витаминов и белка, в который входят все незаменимые аминокислоты. По составу аминокислот и витаминов биомассу метанотрофов можно сравнить с дрожжами, рыбной и соевой мукой, сухим молоком. В то же время метанотрофы превосходят дрожжи по содержанию рибофлавина, холина и витами­нов В₆ и В₁₂. Содержание В₁₂ в клетках метано­трофов составляло 8,9 мкг/г биомассы, а в смешанной культуре - до 42 мкг/г.

Использование метана для получения белка одноклеточных имеет ряд преимуществ по сравнению с жидкими углеводородами: боль­шие запасы природного газа, хорошая его транспортабельность, воз­можность получения готового продукта без дополнительной очистки от субстрата.

Учитывая способность метанотрофных бактерий осуществлять трансформацию широкого спектра органических соединений, пред­лагается использовать эти организмы для очистки сточных вод от различных детергентов, пестицидов и других ксенобиотиков. В связи с актуальностью проблемы охраны окружающей среды от загрязне­ний практическая значимость исследований в этой области очевидна.

Помимо биомассы с помощью метанотрофов предлагается также получать и внеклеточные полисахариды. Methylocystis parvus OBBP при росте на средах с метанолом достигал концен­трации биомассы 14,5 г/л, в которой содержалось 22% белка и 62% полисахарида, состоящего из глюкозы (82%) и рамнозы (14%). При этом скорость роста составляла 0,65 час^-1. Термофильный метанотроф Н-2, продуцировал внеклеточные кислые по­лисахариды, содержащие глюкозу, маннозу, галактозамин и глюкуроновую кислоту, а также аминокислоты. На 3,6 г клеток синтезиро­валось 1,8 г олигосахаридов. О накоплении и экскреции полисахаридов культурами метанотрофов сообщалось и в других.

Довольно интересными представляются разработки биосенсоров метана и энергетических биоэлементов на основе метанотрофов. В одном из таких биоэлементов использованы клетки Methylomonas methanica. Элемент состоял из двухсекционной ячейки, в которой одна секция представляла собой катод; другая (анод) содержала клетки метанотрофа (0,5 х 10⁹ кл/мл). Секции раз­делены двумя мембранами, между которыми вводили очищенный от кислорода азот для исключения переноса кислорода от катода к ано­ду. Элемент мог вырабатывать электроэнергию мощностью 2,8 мик­роватт/см² при напряжении 0,35 вольта.

Японские исследователи для детекции метана создали сенсор на основе иммобилизованных кле­ток Methylomonas flagellata, совмещенный с кислородным электро­дом. Добавление метана в смеси с кислородом вызывало снижение концентрации кислорода по сравнению с контрольной ячейкой, что фиксировалось по разности потенциалов. В течение 3 минут выявля­лась концентрация метана 6,6 мМ. Сенсор функционировал стабиль­но в течение 20 суток (500 определений).

Представляется перспективным использование метанотрофов для снижения концентрации метана в атмосфере угольных шахт. Осо­бенностью метода является: (1) пневматическая обработка угольного пласта воздухом после нагнетания суспензии метанотрофов и (2) орошение суспензией метанотрофов сопутствующих пород вырабо­танного пространства. При этом происходит интенсивное потребле­ние метана бактериями, что приводит к снижению на 30-70% содер­жания метана в угольном пласте или атмосфере шахты.

СПЕЦКУРС «ЧАСТНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ. СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ»