Биобактерии: Купить бактерии для септиков и выгребных ям в Калининграде

Содержание

Биобактерии для септиков «Тамир»

(есть в наличии)

Биопрепарат «Тамир» чистит трубы и канализации  от органических заторов, уничтожает зловонные запахи в общественных и дачных туалетах. Бактерии препарата используют для ускоренной ферментации компоста, успешно применяют для очистки выгребных ям. Биопрепарат «Тамир»  ликвидирует органические отходы, успешно убирает загоны,  туалеты, скотоводческие фермы и подобные  агропромышленные помещения. Через неделю, эффективные микроорганизмы (ЭМ) в составе препарата активно действуют, устраняя запахи и растворяя отходы.

Стоимость:

400 руб

Описание Биобактерии для септиков «Тамир»

10 преимуществ препарата «Тамир»:

  • Позволяет получать  безопасные и экологически чистые высокоэффективные удобрения.
  • Понижение  подвижных форм тяж. металлов в OCB.
  • Позволяет снизить класс опасности помета, навоза.
  • Благоприятно действует на фиксацию атмосферного азота микроорганизмами, живущими в корневой системе (ризосфера).
  • Снижает нагрузку на системы навозоудаления, растворяя настоявшийся вязкий осадок.
  • Быстрая переработка осадков сточных вод в безопасные удобрения.Чистка сточных вод.
  • Положительно влияет на сроки компостирования и переработки навоза, помета в удобрение.
  • Помогает справится со специфическими запахами в дачных и уличных туалетах, (сероводорода,аммиака,)  разлагая органическую массу в нечистотах.
  • Ликвидирует специфические запахи, подавляет условно-патогенную и патогенную микрофлору в цехах, а также на оборудовании переработки цехов для убоя.
  • Облегчает уход за домашними питомцами в доме, справлаясь с источниками неприятных запахов.


Септик Термит (S) внутри:

  1. Входящий 110 патрубок
  2. Первая приемная камера
  3. Вторая камера
  4. Биозагрузка
  5. Последняя камера септика

    в серии PR (с принудительным выбросом) в последней камере размещается дренажный насос

  6. Отводящий 110 патрубок

    в серии PR выводящий патрубок диаметром 32 мм

  7. Отверстие для откачки
  8. Горловина
  9. Крышка на петлях

СХЕМА РАБОТЫ СЕПТИКА ТЕРМИТ

Септики "ТЕРМИТ" это автономные канализации для загородного дома, септик очищает все выходящие стоки из дома и делает их экологически безопасными. Стоки после септика не источают запаха и легко уходят в грунт.

1. Через входящую трубу сточные воды из дома попадают в первую секцию септика, где производится основная механическая и анаэробная биологическая очистка канализационных стоков.

2. Внутри септика работают анаэробные бактерии (без поступления воздуха), которые позволяют очищать стоки до 75%, но сбрасывать такие стоки на грунт ещё нельзя.

3. После септика следует почвенная доочистка, которая требуется для полной очистки стоков из септика Термит, она реализуется с помощью полей орошения или дренажного колодца, а после этого, очищенная вода уходит в грунт.


Преимущества септиков Термит

Корпус септика изготовлен методом ротационного формования из линейного полиэтилена без единого сварного шва. Благодаря чему септики герметичны на 100%

Уникальная форма с ярко выраженными ребрами жесткости обеспечивает повышенную прочность корпуса септика и делает возможным установку в любой грунт

В линейке Профи+ теперь есть две комплектации: S-самотечная (для низкого уровня грунтовых вод) и PR (для высокого уровня грунтовых вод) – принудительная

Комплектация PR (для высокого уровня грунтовых вод) уже включает в себя дренажный насос Karcher

Во всех септиках линейки Профи+ - одна универсальная горловина, благодаря чему септик занимает меньше места на участке

Все септики Профи+ имеют встроенные проушины, который используются как для фиксации септика при перевозке, так для удобного спуска корпуса на дно котлована

Крышка септика крепится с помощью петель и может закрываться на замок

Корпус септика изготовлен из прочного материала, который не ржавеет, не разрушается под действием температур и имеет большую химическую стойкость и поэтому служит более 50 лет

Все септики серии Профи+ безопасны для окружающей среды и имеюют соответствующие сертификаты

Биопрепараты и биобактерии

BIOZIM B110 специально подобранная смесь микроорганизмов, для деградации комплексов органической химии в сточных водах
BIOZIM B111 специально подобранная смесь микроорганизмов, для биологической очистки стоков химической промышленности
BIOZIM B120 специально подобранные штаммы микроорганизмов для очистки сточных вод в системе с анаэробным реактором, в метантенках
BIOZIM B220 порошок, содержащий специально подобранный диапазон микроорганизмов для использования в биологической очистке сточных вод в пищевой промышленности
BIOZIM B350  представляет собой порошок, который содержит специально подобранные штаммы микроорганизмов, перерабатывающие углеводороды в почве
BIOZIM B500  специально подобранные штаммы микроорганизмов для использования в БОС (хозяйственно-бытовые стоки).
BIOZIM B570  специально подобранные штаммы микроорганизмов для биологической очистки сточных вод ЦБК
BIOZIM B600  порошок содержащий специально подобранные штаммы микроорганизмов для контроля роста водорослей и ряски в водоемах
BIOZIM B850 представляет собой порошок, содержащий специально подобранные микроорганизмы, которые перерабатывают органические вещества в компостных кучах. BIOZIM B850 ускоряет разложение отходов, улучшает качество компоста и уменьшает неприятные запахи.
BIOZIM L1000  жидкий продукт, содержащий в себе специально подобранные микроорганизмы для разложения растительных и животных жиров. Используется для поддержания системы дренажа в жироуловителях в ресторанах, гостиницах и коммерческих зданиях
BIOZIM L1800  жидкость содержащая специально подобранные микроорганизмы для биодеградации углеводородов. Предназначен для твердых поверхностей (таких как бетон, асфальт, металл, пластик, гравий и железнодорожного балласта) контактирующих с нефтепродуктами
BIOZIM S220 Biocube  блок с микроорганизмами и вспомогательные ингредиенты, защищенные натуральным воском. Предназначен для борьбы в сточных водах с растительными и животными жирами
BIOZIM S350 Biocube  представляет собой блок из отрубей и бактерий (сохраняются в натуральной восковой оболочке), и других ингредиентов, предназначенных для очистки сточных вод, загрязненных углеводородами
BIOZIM SK1 специально разработан для поддержания системы дренажа в жироуловителях в ресторанах, гостиницах и коммерческих зданиях
BIOZIM SK3 порошок, специально разработанный для биологической очистки сточных вод, накапливающихся в септике
BI-CHEM 250 FE Solupack биопрепарат для разложения органических загрязнений из бытовых и промышленных коммуникаций и трапов пищевых предприятий
BI-CHEM CesClean биопрепарат для разложения трудноудаляемых органических отложений в ЛОС
BioEase 4210 биопрепарат для разложения масел и жиров животного и растительного происхождения в коллекторах промышленных и муниципальных предприятий
BI-CHEM GTX порошкообразная смесь на основе нескольких штаммов микроорганизмов, специально отобранных за их способность к разложению животного, растительного или минерального жира и масел
Deep Clean Multi F жидкая смесь напатогенных микроорганизмов, которые глубоко проникают в поры различных поверхностей, и расщепляют широкий спектр въевшихся органических загрязнений

Биобактерии для септиков в СПб недорого

Если вы установили у себя на участке септик, необходимо позаботиться и о том, чтобы сточные воды были очищены до того состояния, когда их можно будет выбросить в почву или в водоем, не нанося при этом вред окружающей среде. Для проведения очистки чаще всего предпочитают биологический способ очисти, то есть купить биобактерии для септика, канализации или туалета.

Эти бактерии зарождаются в отходах естественным путем, однако, чтобы скорость и эффективность очистки стала выше, требуются дополнительные «силы». Бактерии расщепляют органику до простых веществ: углекислого газа, воды, нитратов и т. д., то есть до веществ абсолютно безопасных.

  • Жироуловитель до

  • Жироуловитель после

  • Трубы до и после

  • Канализация до

  • Канализация после

 

Способ применения Ликвазим

 

Какие бывают биобактерии

Существует несколько основных типов бактерий:

  • Анаэробные — они могут «работать» даже без доступа кислорода. Твердые отходы будут опускаться вниз, медленно перегнивая, а воды, располагающиеся наверху, очистятся от примесей. Так как в процессе очистки возникает большое количество твердых отходов, необходимо регулярно производить изъятие этих отходов ассенизаторской машиной.
  • Аэробные — осуществляют свою деятельность только при наличии кислорода. При использовании таких средств возможно добиться минимизации примесей в воде. Аэробные биобактерии выделяют углекислый газ и тепло, но не образуют метан. Это значит, что возникновение неприятного запаха исключено. Использование аэробных биобактерий позволит вам еще реже очищать септик и реже прибегат к услугам ассенизатора.

Если вам необходимо купить биобактерии для выгребных ям, сделать это вы сможете в компании «Ставръ Спб». У нас вы сможете купить такие известные средства, как ликвазим, а также биобактерии для выгребной ямы от других производителей. Мы предлагаем нашим клиентам выгодные цены на продукцию высшего качества.

    Узнать все цены

Бактерии для септика – живые микроорганизмы на страже чистоты

Для того, чтобы автономная канализация функционировала эффективнее, просто установить септик недостаточно, так как его придется часто чистить. Да и разложение загрязнений (органических остатков) займет массу времени.

На помощь придёт химия, живые бактерии для септиков и выгребных ям – микроорганизмы, которым содержимое сточных вод придется очень по вкусу.

Бактерии – что это?

Биобактерии для септиков и выгребных ям – это натуральные, абсолютно безопасные, не токсичные живые микроорганизмы, которые участвуют в процессе разложения биологических загрязнений, содержащихся в сточных водах.

Чаще всего производители предлагают препараты с включением биобактерий в таблетированной форме, так как именно прессовка сохраняет их возможность жизнедеятельности наиболее лучшим образом.

Также можно встретить и растворы, но при их применении точную дозу рассчитать практически сложно, несмотря на то, что производитель и дает примерное содержание бактерий в каком-то объеме препарата.

Единственный минус, с которым вы столкнетесь при использовании в автономной канализации натуральных бактерий, это то, что придется существенно ограничить использование на кухне агрессивных химических веществ (например, чистящих средств).

Роль биобактерий в очистке бытовых стоков

После того как сточные воды попадают в отстойник, начинается процесс оседания тяжелых загрязнений. В дело включаются микроорганизмы, которые начинают их активно перерабатывать.

Этот процесс разложения вызывает появление большого количества метана (гремучего газа), поэтому необходимо предусмотреть наличие эффективной вентиляции.

Кроме разжижения загрязнений осадка сточных вод бактерии для канализации могут еще и очищать стенки отстойника и устранять возможные засоры.

Конечно, биопрепараты не могут существовать вечно, поэтому колонии периодически надо обновлять. Когда это делать – об этом должен написать производитель в своих рекомендациях. Очень важно придерживаться их, иначе колонии микроорганизмов со своей задачей справляться не будут.

Виды бактерий


Все подобные микроорганизмы,  в зависимости от отношения к кислороду, разделяются на два вида:

  1. Аэробные. Такой вид микроорганизмов не может существовать без чистого (молекулярного) кислорода. И поскольку в септике его изначально быть не может, то воздух необходимо подавать принудительно, лучше всего при помощи мембранного мини компрессора.
  2. Анаэробные биобактерии для септика – прекрасно обходятся без кислорода и могут активно функционировать на самом дне отстойника, еще больше разжижая органические взвеси.

В идеале необходимо применять бактерии для септиков обоих видов, так как они эффективно дополняют друг друга.

После прогонки стоков через септик с биобактериями вода становится настолько чистой, что ею можно поливать плодоовощные культуры. При этом никакого запаха, характерного для канализационных стоков, наблюдаться не будет.

Естественно, что пить такую воду не рекомендуется, так как она считается технической.

В городские парки запустят биобактерии | Статьи

Этой весной в рамках общегородских субботников в парках проведут не только генеральные уборки, но и лекции, мастер-классы, дискотеки и конкурсы, а убранные территории затем обработают биобактериями. Об этом «Известиям» рассказали в пресс-службе Мосгорпарка. Зеленые зоны готовят программы по привлечению волонтеров и компаний-партнеров, акции пройдут по всему городу 12 и 26 апреля. 

— В парке Горького пройдет музыкальный субботник совместно с фирмой «Мелодия», в парке Фили и детском парке в Бутово партнером на субботнике будет «Старбакс», парки стараются привлечь партнеров, — рассказали в Мосгорпарке. — К субботникам будут приурочены различные акции: экологические, образовательные, развлекательные. Как правило, в парках достаточно чисто, субботники, которые пройдут, — это скорее дань традиции и проявление интереса к паркам перед новым сезоном, который откроется в начале мая. 

Первый заместитель генерального директора фирмы «Мелодия» Карина Абрамян рассказала, что музыкальный субботник пройдет в парке Горького 26 апреля и будет приурочен ко  Дню рождения компании.

— 23 апреля нам исполнится 50 лет, и мы решили, что такая акция на свежем воздухе будет хорошим вариантом это отметить. В парке будет звучать советская музыка — в основном звонкие пионерские песни, также мы придумаем призы, которые люди будут находить в процессе уборки, — например, пластинки и диски, — говорит Абрамян. — А после уборки устроим дискотеку — диджейский микс от Дениса Бояринова, который будет состоять из советских хитов, песен из любимых советских мультфильмов. Также есть идея пригласить духовой оркестр в стилистике фильма «Покровские ворота». Придут все сотрудники вплоть до генерального директора «Мелодии», сделаем себе повязки, как у дружинников, будем убирать, общаться и отмечать день рождения. 

Партнер компании «Старбакс» по организации мероприятий в рамках Global Month of Service в России Ольга Борте рассказала, что в кофейнях стартует акция по привлечению посетителей на субботники, также в мероприятиях примут участие все сотрудники сети.

— Мы строим график так, чтобы часть людей попала на субботник 12-го числа, а часть — 26-го. В Филях пройдет благоустройство старинного яблоневого сада, будем выгребать весь сухостой, — пояснила Ольга Борте. — В детский парк в Бутово мы хотим перевезти городской огород из «Музеона», это ящики с  травами, которые выращивают сами посетители.

В пресс службе парка искусств «Музеон» рассказали, что в парке помоют все скульптуры, предварительно устроив экскурсионную программу.

— Мы сначала расскажем, кто и когда их создал, какова их история, а потом попросим помыть. Также мы будем развешивать скворечники, расписанные известными художниками и дизайнерами, — рассказала руководитель пресс-службы парка Марта Сахарова. 

Директор по маркетингу Altimus Development Ксения Юрьева считает, что тематические субботники — это не только способ привлечь максимальное количество людей к уборке зеленых территорий, но и популяризация парка в целом.

— В маркетинге это называется «лоббирование повода» — нужно объяснить людям, что они получат, если придут на субботник, — объяснила Юрьева. — В случае с музыкальным субботником парк привлекает молодежь сразу несколькими поводами: повод отдохнуть, провести время на свежем воздухе, пообщаться с другими участниками мероприятия и получить эмоции от музыки — так, по сути, помощь в уборке превращается в развлечение.

В пресс-службе компании «Биолэнд» рассказали, что биоуборка пройдет в парках «Красная Пресня», «Музеон», «Сокольники», «Бауманский», «Таганский» и парке Горького.

— Биопрепараты в виде суспензии будут добавляться в поливальные машины, которые поедут по территории и польют газоны и клумбы, то есть те участки, которые обрабатываются пестицидами. Почву необходимо освободить от тех вредных веществ, которые там уже накопились, — вернуть баланс, — отметили в компании. — Бактерии разлагают пестициды до воды и безопасных солей. 

В то же время руководитель Московского городского общества защиты природы Галина Морозова считает, что бактерии вносят в почвы потому, что в парках нарушен естественный биобаланс почвы.

— В естественной среде — в почвах лесов, полей — микроорганизмов более чем достаточно, но человеческое вмешательство в парках привело к тому, что естественные процессы были нарушены, — объяснила Морозова. — Так, в парках уже много лет убирают осеннюю листву, хотя она должна перегнивать, внося в почву необходимые микроорганизмы. Органики не хватает, приходится вносить бактерии искусственным путем, хотя можно было бы просто приостановить существующую практику ухода за почвами и, возможно, где-то экобаланс еще можно было бы восстановить.

НМК – молочные продукты высочайшего качества из натурального молока

Одно из лучших в Краснодарском крае молоко-сырьё (содержание белка доходит до 3,4 %) с термостатной технологией производства придаёт обычным молочным продуктам выдающиеся органолептические свойства. Сравнительная дегустация с любым конкурирующем производителем докажет преимущества нашего продукта. Сыропригодное молоко на ряду с высоким содержанием белка в купе с традиционной технологией производства, позволяет выпускать сыры — одни из лучших в России.

Производство. Одно из лучших в Краснодарском крае молоко-сырьё (содержание белка доходит до 3,4 %) с термостатной технологией производства придаёт обычным молочным продуктам выдающиеся органолептические свойства. Сравнительная дегустация с любым конкурирующем производителем докажет преимущества нашего продукта. Сыропригодное молоко на ряду с высоким содержанием белка в купе с традиционной технологией производства, позволяет выпускать сыры — одни из лучших в России.

Традиции. Одно из лучших в Краснодарском крае молоко-сырьё (содержание белка доходит до 3,4 %) с термостатной технологией производства придаёт обычным молочным продуктам выдающиеся органолептические свойства. Сравнительная дегустация с любым конкурирующем производителем докажет преимущества нашего продукта. Сыропригодное молоко на ряду с высоким содержанием белка в купе с традиционной технологией производства, позволяет выпускать сыры — одни из лучших в России.

Биобактерии для выгребных ям Kalius

Бактерии для выгребных ям Kalius
11.01.2021

Байкал для выгребных ям
11.01.2021

Биобактерии Kalius
Биобактерии для выгребных ям Kalius – это оптимальный состав бактерий, которые быстро и эффективно утилизируют естественные бытовые отходы жизнедеятельности человека, не нарушая при этом природную экосистему.
Бактерии-биодеструкторы перерабатывают жизненно «опасные свалки» и «завалы» в местах скопления отходов (выгребные ямы, компостные кучи и др.), обеспечивая природную чистоту и естественный ход круговорота веществ в природе.
Биопрепарат Kalius  получен путем выращивания специальных бактерий Bacillus subtilis и Bacillus licheniformis, затем высушивания в особых условиях с добавлением питательных веществ и материалов. Такая обработка позволяет долгое время сохранять колонии полезных бактерий в «спящем» состоянии и, по мере необходимости, использовать их с максимальным эффектом.
Продукт отвечает требованиям ТУ У 20.1-32336363-001:2013.

Действие биопрепарата
Очистка септиков и выгребных ям построена на использовании жизнедеятельности бактерий используемых при работе биопрепарата. То, что для людей является отходами, для некоторых бактерий оказывается пищей, из которой они получают всё необходимое для их жизни — энергию и продукты для размножения.
При попадании в выгребную яму, туалет или септик бактерии биопрепарата Kalius перерабатывают нечистоты в воду, углекислый газ и легкий осадок, который является удобрением, обогащенным органическим азотом. Для наибольшей эффективности работы бактерии для септиков и выгребных ям необходимо использовать при температуре от +4°С до +30°С с постоянным приливом воздуха.
Стоит помнить также, что не все отходы жизнедеятельности человека являются пищей для микроорганизмов. Бытовая химия губительно сказывается на таких бактериях, плюс часть бактерий будет постоянно вымываться вместе с водой — поэтому для постоянной переработки отходов и фекальных масс необходимо периодически добавлять биопрепарат в сточные воды.
Таким образом, при точном соблюдении инструкции, микроорганизмы, питающиеся органическими отходами, легко устраняют зловоние; удаляют органические наросты в канализационных трубах, не повреждая их; восстанавливают естественный дренаж воды в почву; уменьшают объем фекалийной массы, чем снижают частоту откачивания отходов в несколько раз. Помимо того, что бактерии для септиков и выгребных ям, содержащиеся в биопрепарате Kalius, предотвращают развитие различных болезнетворных микроорганизмов, они совершенно безвредны для человека.

Преимущества
Биобактерии для выгребных ям Kalius обладают рядом существенных преимуществ, что позволяет им занимать лидирующие позиции на рынке Украины:
содержит только природные селекционные штаммы микроорганизмов;
является более сильным «соперником» для гнилостных бактерий и болезнетворных микроорганизмов;
выведенные бактерии долгое время сохраняют работоспособность после «пробуждения»;
Kalius абсолютно безвреден не только для человека, но и для животных, насекомых, и всей окружающей среды;
данный биодеструктор имеет большую концентрацию полезных бактерий (в 1 г продукции не менее 1*10
9), что позволяет небольшим количеством препарата обработать наибольшее количество отходов;
в «спящем» состоянии данные бактерии сохраняют жизнестойкость при температуре хранении от -30°С до +30°С.

Использование и дозирование
Приготовление рабочего раствора: необходимое количество биопрепарата для выгребных ям Kalius растворить в 10 л теплой не хлорированной воды. Выдержать при комнатной температуре 60 минут, перемешать. Рабочий раствор биодеструктора добавляют в унитаз, после чего смывают достаточным количеством воды.
В дальнейшем необходимо 1 раз в месяц вносить необходимое количество бактерий.

бактерий | Что такое микробиология?

Бактерии - одноклеточные микробы. Структура клетки проще, чем у других организмов, поскольку в ней нет ядер или органелл, связанных с мембраной. Вместо этого их центр управления, содержащий генетическую информацию, находится в единой петле ДНК. У некоторых бактерий есть дополнительный круг генетического материала, называемый плазмидой. Плазмида часто содержит гены, которые дают бактерии некоторое преимущество перед другими бактериями. Например, он может содержать ген, который делает бактерии устойчивыми к определенному антибиотику.

Бактерии подразделяются на пять групп в соответствии с их основными формами: сферические (кокки), стержневые (бациллы), спиральные (спириллы), запятые (вибрионы) или штопоры (спирохеты). Они могут существовать как отдельные ячейки, в парах, цепочках или кластерах.

© ttsz / iStock Различные формы бактерий.

Бактерии встречаются во всех средах обитания на Земле: в почве, камнях, океанах и даже в арктическом снегу. Некоторые живут внутри или на других организмах, включая растения и животных, включая людей.В организме человека примерно в 10 раз больше бактериальных клеток, чем клеток человека. Многие из этих бактериальных клеток выстилают пищеварительную систему. Некоторые бактерии живут в почве или на мертвых растениях, где они играют важную роль в круговороте питательных веществ. Некоторые виды вызывают порчу продуктов питания и повреждение урожая, но другие невероятно полезны при производстве ферментированных продуктов, таких как йогурт и соевый соус. Относительно немного бактерий являются паразитами или патогенами, вызывающими болезни у животных и растений.

© Гаэтан Стоффель / iStock Трехмерная иллюстрация Escherichia coli

Как размножаются бактерии?

Бактерии размножаются двойным делением. В этом процессе бактерия, представляющая собой единственную клетку, делится на две идентичные дочерние клетки. Бинарное деление начинается, когда ДНК бактерии делится на две части (повторяется). Затем бактериальная клетка удлиняется и разделяется на две дочерние клетки, каждая из которых имеет ДНК, идентичную родительской клетке.Каждая дочерняя клетка является клоном родительской клетки.

При благоприятных условиях, например при правильной температуре и наличии питательных веществ, некоторые бактерии, такие как Escherichia coli , могут делиться каждые 20 минут. Это означает, что всего за семь часов одна бактерия может произвести 2 097 152 бактерии. Еще через час количество бактерий вырастет до колоссальных 16 777 216 человек. Вот почему мы можем быстро заболеть, когда в наш организм вторгаются патогенные микробы.

Механизм выживания

Некоторые бактерии могут образовывать эндоспоры.Это спящие конструкции, которые чрезвычайно устойчивы к агрессивным физическим и химическим условиям, таким как тепло, УФ-излучение и дезинфицирующие средства. Это очень затрудняет их уничтожение. Многие бактерии, продуцирующие эндоспоры, являются опасными патогенами, например Bacillus anthracis , вызывающая сибирскую язву.


  • Микробиология сегодня: микобактерии

    Организмы, вызывающие туберкулез у людей и животных, Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium bovis , представлены в этом издании Microbiology Today вместе с Mycobacterium leprae , вызывающей проказу, и Mycobacterium ulcerans, вызывающей Язва Бурули.

  • Строим бактериальные мостики

    Часто первое, что приходит на ум, когда мы думаем о микробах в искусственной среде, - это повреждение, разложение, изменение цвета и окрашивание строительных материалов и их поверхностей. То, что мы часто не принимаем во внимание, - это их способность действовать как «биоинженеры».

  • Объяснение туберкулеза

    Туберкулез (ТБ) - изнурительное полиорганное заболевание, вызываемое бактерией Mycobacterium tuberculosis.Самая серьезная форма заболевания - туберкулез легких, инфекция легких и дыхательных путей.

  • Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП)

    Угроза устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) теперь признана во всем мире, и, по оценкам, 10 миллионов человек в год будут умирать из-за устойчивости к противомикробным препаратам к 2050 году, если не будут приняты срочные меры.

  • Псевдомонады - друг и враг

    Виды рода Pseudomonas являются одними из наиболее изученных бактерий в научном сообществе.Бактерии этого рода широко используются в качестве модельных организмов в микробных исследованиях и включают ряд важных видов в таких областях, как патогенность растений, биоремедиация и микробиология окружающей среды.

  • Streptomyces - природное решение УПП

    Streptomyces не только играет огромную роль в медицинской и фармацевтической промышленности, но и играет важную экологическую роль; способствует разложению органических веществ и плодородию почвы.


Изображения

Микробиология сегодня : микобактерии. Библиотека научных фотографий.
Строим бактериальные мостики. Б. Реекстинг.
Объяснение туберкулеза. iStock / Dr_Microbe.
Устойчивость к противомикробным препаратам. digicomphoto / Thinkstock.
Псевдомонады - друг и враг. iStock / Dr_Microbe .
Streptomyces - Природное решение УПП. Thinkstock.
Подкасты. Роджер Харрис / Библиотека научных фотографий.

Бактериальные биополимеры: от патогенеза до передовых материалов

  • 1.

    Морадали, М. Ф., Годс, С. и Рем, Б. Х. А. Pseudomonas aeruginosa Образ жизни: парадигма адаптации, выживания и устойчивости. Фронт. Cell Infect. Microbiol. 7 , 39 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 2.

    Flemming, H.C. et al. Биопленки: зарождающаяся форма бактериальной жизни. Nat. Rev. Microbiol. 14 , 563–575 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 3.

    Флемминг, Х. К. ЭПС - тогда и сейчас. Микроорганизмы 4 , 41 (2016).

    PubMed Central Google Scholar

  • 4.

    Шмид, Дж., Зибер, В. и Рем, Б.Х. А. Бактериальные экзополисахариды: пути биосинтеза и инженерные стратегии. Фронт. Microbiol. 6 , 496 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 5.

    Choi, K. R. et al. Стратегии системной метаболической инженерии: интеграция систем и синтетической биологии с метаболической инженерией. Trends Biotechnol. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2019.01.003 (2019). В этом исследовании обсуждаются современные тенденции в системной метаболической инженерии, включая инструменты и стратегии, применяемые при выборе штаммов хозяев, реконструкции метаболических путей, повышении толерантности и оптимизации метаболического потока .

    Артикул PubMed Google Scholar

  • 6.

    Lv, L., Ren, Y.-L., Chen, J.-C., Wu, Q. & Chen, G.-Q. Применение CRISPRi для прокариотической метаболической инженерии с участием нескольких генов, тематическое исследование: контролируемый биосинтез P (3HB-co-4HB). Metab. Англ. 29 , 160–168 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 7.

    Рем, Б.Х.А. Бактериальные полимеры: биосинтез, модификации и применения. Nat. Rev. Microbiol. 8 , 578–592 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 8.

    Флемминг, Х. К. и Вюрц, С. Бактерии и археи на Земле и их изобилие в биопленках. Nat. Rev. Microbiol. 17 , 247–260 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 9.

    Bartell, J. A. et al. Эволюционные пути к стойкой бактериальной инфекции. Nat. Commun. 10 , 629 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 10.

    Gao, M. et al. Природный метод in situ производства функциональной бактериальной целлюлозы с использованием микроорганизма. Nat. Commun. 10 , 437 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 11.

    Ли, Л., Эйкманс, Дж. И Чен, С. С. Конструктор биоматериалов для механобиологии. Nat. Матер. 16 , 1164–1168 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 12.

    Mondal, S. et al. Жесткий спиральный пептидный мотив минимальной длины позволяет рационально создавать модульные поверхностно-активные вещества. Nat. Commun. 8 , 14018 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 13.

    Чжу, Ю., Ромен, К. и Уильямс, К. К. Устойчивые полимеры из возобновляемых источников. Природа 540 , 354–362 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 14.

    Время бума для биоматериалов. Nat. Матер. 8 , 439 (2009).

  • 15.

    Брюше М. и Мелман А. Изготовление структурированных пленок и покрытий сшитых кальцием пленок и покрытий из альгинатного гидрогеля посредством восстановительного катионообмена. Carbohydr. Polym. 131 , 57–64 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 16.

    Морадали М. Ф., Годс С. и Рем Б. А. в Альгинаты и их биомедицинское применение (ред. Рем, Б. Х. А. и Морадали М. Ф.) (Springer, 2018).

  • 17.

    Понтес, М. Х., Ли, Э. Дж., Чой, Дж. И Гройсман, Э. А. Salmonella способствует вирулентности, подавляя выработку целлюлозы. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 5183–5188 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 18.

    Ремлинг, У. и Гальперин, М. Ю. Биосинтез бактериальной целлюлозы: разнообразие оперонов, субъединиц, продуктов и функций. Trends Microbiol. 23 , 545–557 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 19.

    Thongsomboon, W. et al. Фосфоэтаноламинная целлюлоза: химически модифицированная целлюлоза природного происхождения. Наука 359 , 334–338 (2018). В этой статье показано, что E. coli производит фосфоэтаноламин целлюлозу и вдохновляет усилия на биосинтетические разработки альтернативно модифицированных целлюлозных материалов .

    CAS PubMed Google Scholar

  • 20.

    Hollenbeck, E.C. et al. Фосфоэтаноламиновая целлюлоза усиливает опосредованную завитками адгезию уропатогенов. Proc. Natl Acad. Sci. США 115 , 10106–10111 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 21.

    Oh, S. Y., Budzik, J. M., Garufi, G. & Schneewind, O. Два капсульных полисахарида позволяют Bacillus cereus G9241 вызывать сибирскую язву. Мол. Microbiol. 80 , 455–470 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 22.

    Вилкенинг Р. В. и Федерле М. Дж. Эволюционные ограничения, формирующие взаимодействия Streptococcus pyogenes с хозяином. Trends Microbiol. 25 , 562–572 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 23.

    Ценг, Ю.-Л., Томас, Дж. И Стивенс, Д.S. Регулирование капсулы в Neisseria meningitidis . Crit. Rev. Microbiol. 42 , 759–772 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 24.

    Geno, K. A. et al. Пневмококковые капсулы и их типы: прошлое, настоящее и будущее. Clin. Microbiol. Ред. 28 , 871–899 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 25.

    Рем, Б. Х. А. Биоинженерия для самостоятельной сборки вакцин в виде частиц. Curr. Opin. Biotechnol. 48 , 42–53 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 26.

    Ван, Л., Лю, З., Дай, С., Ян, Дж. И Уайз, М. Дж. Гипотеза «сидеть и ждать» в бактериальных патогенах: теоретическое исследование устойчивости и вирулентности. Фронт. Microbiol. 8 , 2167 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 27.

    Sambou, T. et al. Капсульный глюкан и внутриклеточный гликоген Mycobacterium tuberculosis : биосинтез и влияние на устойчивость у мышей. Мол. Microbiol. 70 , 762–774 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 28.

    Бест, А. и Абу Квайк, Ю. Питание и двусторонний метаболизм внутриклеточных патогенов. Trends Microbiol. 27 , 550–561 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 29.

    Ли, Дж. И Муни, Д. Дж. Разработка гидрогелей для контролируемой доставки лекарств. Nat. Rev. Mater. 1 , 16071 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 30.

    Мяо, Т., Ван, Дж., Цзэн, Ю., Лю, Г. и Чен, X. Системы с контролируемым высвобождением на основе полисахаридов для доставки терапевтических средств и тканевой инженерии: от стола до постели. Adv. Sci. 5 , 1700513 (2018).

    Google Scholar

  • 31.

    Mohan, T. et al. Создание гидрофобно модифицированных производных полисахаридов для высокоэффективной иммобилизации ферментов. Биомакромолекулы 16 , 2403–2411 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 32.

    Kim, H. et al. Гиалуронат и его производные для индивидуальных биомедицинских применений. Биоматериалы 123 , 155–171 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 33.

    Mitrousis, N., Fokina, A. & Shoichet, M. S. Биоматериалы для трансплантации клеток. Nat. Rev. Mater. 3 , 441–456 (2018). В этом обзоре обсуждается, как изменение механических свойств, архитектуры, химии и функционализации биоматериалов может увеличить выживаемость трансплантированных клеток, дифференцировку и приживление клеток .

    CAS Google Scholar

  • 34.

    Кан, Д.-Х., Ким, Д., Ван, С., Сон, Д. и Юн, М.-Х. Нерастворимые в воде нанокристаллические и фибриллярные гидрогелевые каркасы для биомедицинских приложений. Polym. J. 50 , 637–647 (2018).

    CAS Google Scholar

  • 35.

    Loh, E. Y. X. et al. Разработка гидрогелевого носителя клеток на основе бактериальной целлюлозы, содержащего кератиноциты и фибробласты, для полного заживления ран. Sci. Отчет 8 , 2875 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 36.

    Ли, К. Ю., Булдум, Г., Манталарис, А. и Бисмарк, А. Больше, чем кажется на первый взгляд, в бактериальной целлюлозе: биосинтез, биопроцессинг и применение в современных волокнистых композитах. Macromol. Biosci. 14 , 10–32 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 37.

    Bottan, S. et al. Бактериальная целлюлоза с поверхностной структурой и биолитографией на основе управляемой сборки (GAB). ACS Nano 9 , 206–219 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 38.

    Валера, М. Дж., Тория, М. Дж., Мас, А. и Матео, Е. Производство целлюлозы и определение гена синтазы целлюлозы в уксуснокислых бактериях. Прил. Microbiol. Biotechnol. 99 , 1349–1361 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 39.

    de Oliveira, J. D. et al. Генетическая основа гиперпродукции гиалуроновой кислоты в естественных и искусственно созданных микроорганизмах. Microb. Cell Fact. 15 , 119–119 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 40.

    Морадали, М. Ф., Донати, И., Симс, И. М., Годс, С. и Рем, Б.H.A. Полимеризация и модификация альгината связаны в Pseudomonas aeruginosa . MBio 6 , e00453 – e00515 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 41.

    Поли, М. и Рамирес, В. Новые взгляды на O-ацетилирование полисахаридов стенок. Фронт. Растение. Sci. 9 , 1210 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 42.

    Sychantha, D. et al. PatB1 - это O-ацетилтрансфераза, украшающая полисахариды вторичных клеточных стенок. Nat. Chem. Биол. 14 , 79–85 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 43.

    Рем Б. Х. и Морадали М. Ф. (ред.) Альгинаты и их биомедицинское применение (Springer, 2018).

  • 44.

    Guarino, V. et al. в Альгинаты и их биомедицинское применение (ред. Рем, Б.Х. А. и М. Ф. Морадали) (Springer, 2018).

  • 45.

    Jang, J. et al. Моноклональное антитело против капсулы поли-гамма-D-глутаминовой кислоты из Bacillus anthracis защищает мышей от повышенной активности летального токсина из-за заражения капсулой и спор сибирской язвы. Biochim. Биофиз. Acta 1830 , 2804–2812 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 46.

    Yu, Y. et al. Поли-γ-глутаминовые кислоты способствуют образованию биопленок и колонизации корней растений в выбранных экологических изолятах Bacillus subtilis . Фронт. Microbiol. 7 , 1811 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 47.

    Watzer, B. & Forchhammer, K. Синтез цианофицина оптимизирует использование азота в одноклеточных Cyanobacterium synechocystis sp. штамм PCC 6803. Прил. Environ. Microbiol. https://doi.org/10.1128/AEM.01298-18 (2018).

    Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 48.

    Чжан, Х. и Ян, К. Аргинин и мобилизация азота в цианобактериях. Мол. Microbiol. 111 , 863–867 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 49.

    Ду, Дж., Ли, Л. и Чжоу, С. Производство цианофицина микробами: от ферментов до биополимеров. Biotechnol. Adv . https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.05.006 (2019).

    Артикул PubMed Google Scholar

  • 50.

    Lee, S. Y. et al. Подробная метаболическая карта для производства химикатов на биологической основе. Nat. Катал. 2 , 18–33 (2019).

    CAS Google Scholar

  • 51.

    Luo, Z. et al. Микробный синтез поли-γ-глутаминовой кислоты: текущий прогресс, проблемы и перспективы на будущее. Biotechnol. Биотопливо 9 , 134 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 52.

    Hyldgaard, M. et al. Антимикробный механизм действия эпсилон-поли-L-лизина. Прил. Env. Microbiol. 80 , 7758 (2014).

    Google Scholar

  • 53.

    Ушимару К., Хамано Ю. и Катано Х. Антимикробная активность ε-поли-1-лизина после образования нерастворимого в воде комплекса с анионным поверхностно-активным веществом. Биомакромолекулы 18 , 1387–1392 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 54.

    Фам, Т. Х., Уэбб, Дж. С. и Рем, Б. Х. А. Роль биосинтеза полигидроксиалканоатов с помощью Pseudomonas aeruginosa в производстве рамнолипидов и альгинатов, а также в устойчивости к стрессу и образованию биопленок. Microbiology 150 , 3405–3413 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 55.

    Long, J. Y. et al. Мутагенез PhaR , гена-регулятора биосинтеза полигидроксиалканоата Xanthomonas oryzae pv. oryzae вызвали изменения плейотропного фенотипа. Фронт. Microbiol. 9 , 3046 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 56.

    Campisano, A., Overhage, J. & Rehm, B.H.A. Гены биосинтеза полигидроксиалканоатов по-разному регулируются в выращенных на планктоне и биопленках Pseudomonas aeruginosa . J. Biotechnol. 133 , 442–452 (2008).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 57.

    Коутс, Э. Р., Уотсон, Б. С. и Бринкман, К. К. Синтез полигидроксиалканоата смешанными микробными консорциумами, культивируемыми на ферментированном молочном навозе: влияние аэрации на скорость / урожайность процесса и связанную с этим микробную экологию. Water Res. 106 , 26–40 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 58.

    Draper, J. et al. в Бионанотехнология: биологическая самосборка и ее приложения (ред. Рем, Б. Х. А.) (Caister Academic Press, 2013).

  • 59.

    Кай, Д. и Ло, X. Дж. Полигидроксиалканоаты: химические модификации для биомедицинских приложений. ACS Sustain. Chem. Англ. 2 , 106–119 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 60.

    Parlane, N.A. et al. Самособирающиеся шарики из полигидроксиалканоата, покрытые белком: свойства и биомедицинские применения. ACS Biomater. Sci. Англ. 3 , 3043–3057 (2017).

    CAS Google Scholar

  • 61.

    Gonzalez-Miro, M. et al. Полиэстер в качестве носителя антигена для вакцин в виде частиц. Биомакромолекулы 20 , 3211–3212 (2019).

    Google Scholar

  • 62.

    Огура, К. и Рем, Б. Х. А. Альгинатная инкапсуляция биоинженерных покрытых белком частиц полигидроксибутирата: новая платформа для многофункциональных композитных материалов. Adv. Функц. Матер. 29 , 1

    3 (2019). В этом исследовании сообщается об использовании покрытых белком полиэфирных сфер, собранных в инженерной E. coli , встроенных в пористые альгинатные капсулы, чтобы обеспечить проточное биоразделение и применение биокатализа, обеспечивая при этом полезную нагрузку для липофильных веществ .

    Google Scholar

  • 63.

    Кулаев И.С., Вагабов В.М., Кулаковская Т.V. в Биохимия неорганических полифосфатов Wiley Online Books (ред. Кулаев И.С., Вагабов В.М. и Кулаковская Т.В.) (John Wiley & Sons, Ltd., 2004).

  • 64.

    Морено, С. Н. и Докампо, Р. Полифосфат и его разнообразные функции в клетках-хозяевах и патогенах. PLoS Pathog. 9 , e1003230 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 65.

    Yoo, N.G. et al. Полифосфат стабилизирует промежуточные соединения разворачивания белка в виде растворимых амилоидоподобных олигомеров. J. Mol. Биол. 430 , 4195–4208 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 66.

    Рао, Н. Н., Гомес-Гарсия, М. Р. и Корнберг, А. Неорганический полифосфат: необходим для роста и выживания. Annu. Rev. Biochem. 78 , 605–647 (2009).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 67.

    Wang, L. et al. Паттерны распределения пути метаболизма полифосфатов и его взаимосвязь с жизнеспособностью и вирулентностью бактерий. Фронт. Microbiol. 9 , 782 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 68.

    Varas, M. A. et al. Неорганический полифосфат необходим для Salmonella Typhimurium вирулентности и выживания в Dictyostelium discoideum . Фронт. Cell Infect. Microbiol. 8 , 8 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 69.

    Wang, X. et al. Полифосфат как биоактивный и биоразлагаемый материал имплантата: индукция регенерации костей у крыс. Adv. Англ. Матер. 18 , 1406–1417 (2016).

    CAS Google Scholar

  • 70.

    Müller, W.E. G. et al. Изготовление аморфных микрочастиц полифосфата стронция, которые вызывают минерализацию костных клеток in vitro и in vivo . Acta Biomater. 50 , 89–101 (2017).

    PubMed Google Scholar

  • 71.

    Ван, X., Шредер, Х. К. и Мюллер, В. Э. Г. Аморфный полифосфат, интеллектуальный биоинспирированный нано- / биоматериал для регенерации костей и хрящей: к новой парадигме в тканевой инженерии. J. Mater. Chem. В 6 , 2385–2412 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 72.

    Ackermann, M. et al. Коллаген-индуцирующая биологизация протезного материала для герниопластики: полипропиленовые сетки, покрытые полипропиленом / коллагеном. J. Biomed. Матер. Res. B Прил. Биоматер. 106 , 2109–2121 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 73.

    Müller, W. E. G. et al. Трансформация аморфных полифосфатных наночастиц в коацерватные комплексы: подход к инкапсуляции мезенхимальных стволовых клеток. Малый 14 , 1801170 (2018).

    Google Scholar

  • 74.

    Линднер, С. Н., Кнебель, С., Паллерла, С. Р., Шоберт, С. М. и Вендиш, В. Ф. Cg2091 кодирует полифосфат / АТФ-зависимую глюкокиназу Corynebacterium glutamicum . Прил. Microbiol. Biotechnol. 87 , 703–713 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 75.

    Jennings, L. K. et al. Пел представляет собой катионный экзополисахарид, который сшивает внеклеточную ДНК в матрице биопленки Pseudomonas aeruginosa . Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 11353–11358 (2015).

    CAS Google Scholar

  • 76.

    Имада, К. Осевое строение жгутика бактерий и его конструкция. Biophys. Ред. 10 , 559–570 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 77.

    Цао, Б., Сюй, Х. и Мао, К. Контролируемая самосборка стержневидных частиц бактериальных пилей в упорядоченные решетки. Angew. Chem. Int. Эд. 50 , 6264–6268 (2011).

    CAS Google Scholar

  • 78.

    Bera, S. et al. Жесткие спиралевидные сборки из самоагрегированного трипептида. Nat. Матер. 18 , 503–509 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 79.

    Нгуен, П.К., Куршен, Н.Д., Дурадж-Татте, А., Правешотинунт, П. и Джоши, Н.С. Инженерные живые материалы: перспективы и проблемы использования биологических систем для управления сборкой интеллектуальных материалов. Adv. Матер. 30 , e1704847 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 80.

    Гилберт, К. и Эллис, Т. Биологические инженерные живые материалы: выращивание функциональных материалов с генетически программируемыми свойствами. ACS Synth. Биол. 8 , 1–15 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 81.

    Nguyen, P.Q.Синтетическая биология, инженерия биопленок как фабрик наноматериалов. Biochem. Soc. Пер. 45 , 585–597 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 82.

    Нгуен П.К., Ботянски З., Тай П.К. и Джоши Н.С. Программируемые материалы на основе биопленок из искусственных нановолокон curli. Nat. Commun. 5 , 4945 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 83.

    Chen, A. Y. et al. Синтез и формирование настраиваемых многомасштабных материалов с использованием сконструированных ячеек. Nat. Матер. 13 , 515–523 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 84.

    Рем, Б. Х. А. Синтетическая биология на пути к синтезу полисахаридов, изготовленных на заказ. Microb. Biotechnol. 8 , 19–20 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 85.

    Хэй, И. Д., Ван, Ю., Морадали, М. Ф., Рехман, З. У. и Рем, Б. Х. А. Генетика и регулирование бактериального производства альгината. Env. Microbiol. 16 , 2997–3011 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 86.

    Mathee, K. et al. Мукоидная конверсия Pseudomonas aeruginosa перекисью водорода: механизм активации вирулентности в муковисцидозе легких. Microbiology 145 , 1349–1357 (1999).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 87.

    Мартинес, Л. С. и Вадивало, В. Механизмы посттранскрипционной регуляции генов в бактериальных биопленках. Фронт. Cell Infect. Microbiol. 4 , 38–38 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 88.

    Tsouko, E. et al. Производство бактериальной целлюлозы из промышленных отходов и побочных продуктов. Int. J. Mol. Sci. 16 , 14832–14849 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 89.

    Дуан, X. Дж., Ян, Л., Чжан, X. и Тан, У. С. Влияние кислорода и напряжения сдвига на молекулярную массу гиалуроновой кислоты. J. Microbiol. Biotechnol. 18 , 718–724 (2008).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 90.

    Цзэн, К., Тул, Б. П., Кинни, С. Д., Куо, Ж.-в. & Стаменкович, I. Ингибирование роста опухоли in vivo олигомерами гиалуронана. Int. J. Cancer 77 , 396–401 (1998).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 91.

    Стерн, Р., Асари, А. А. и Сугахара, К. Н. Фрагменты гиалуронана: богатая информацией система. Eur. J. Cell Biol. 85 , 699–715 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 92.

    Park, D. et al. Гиалуроновая кислота способствует ангиогенезу, индуцируя взаимодействие рецептора RHAMM-TGFβ через CD44-PKCδ. Мол. Ячейка 33 , 563–574 (2012).

    CAS Google Scholar

  • 93.

    Сзе, Дж. Х., Броунли, Дж. К. и Лав, К. А. Биотехнологическое производство гиалуроновой кислоты: мини-обзор. 3 Biotech. 6 , 67–67 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 94.

    Сафранкова Б., Гайдова С. и Кубала Л. Эффективность гиалуронана разной молекулярной массы в стимуляции фагоцитов крови. Медиаторы воспаления. 2010 , 380948 (2010).

    PubMed Google Scholar

  • 95.

    Crupi, R. & Cuzzocrea, S. в Альгинаты и их биомедицинское применение (ред. Рем Б. Х. А. и Морадали М. Ф.) (Springer, 2018).

  • 96.

    Рожь, П.D. et al. в Альгинаты и их биомедицинское применение (ред. Рем, Б. Х. А. и Морадали М. Ф.) (Springer, 2018).

  • 97.

    Годс С., Симс И. М., Морадали М. Ф. и Рем Б. Х. А. Бактерицидные соединения, контролирующие рост патогена растений Pseudomonas syringae pv. actinidiae , который образует биопленки, состоящие из нового экзополисахарида. Прил. Env. Microbiol. 81 , 4026–4036 (2015).

    CAS Google Scholar

  • 98.

    Ruth, K. et al. Эффективное производство (R) -3-гидроксикарбоновых кислот путем биотехнологической конверсии полигидроксиалканоатов и их очистки. Биомакромолекулы 8 , 279–286 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 99.

    Мэй, Дж. Ф., Сплейн, Р. А., Бротчи, К. и Кисслинг, Л. Л. Механизм привязки для контроля длины в процессной полимеризации углеводов. Proc.Natl Acad. Sci. США 106 , 11851–11856 (2009).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 100.

    Рехман, З. У., Ван, Й., Морадали, М. Ф., Хей, И. Д. и Рем, Б. Х. А. Понимание сборки механизма биосинтеза альгината в Pseudomonas aeruginosa . Прил. Env. Microbiol. 79 , 3264–3272 (2013).

    CAS Google Scholar

  • 101.

    Moradali, M. F., Ghods, S. & Rehm, B. H. A. Механизм активации и клеточная локализация заякоренной в мембране альгинат-полимеразы в Pseudomonas aeruginosa . Прил. Env. Microbiol. 83 , e03499 – e03516 (2017).

    CAS Google Scholar

  • 102.

    Мюррей, Г. Л., Аттридж, С. Р. и Морона, Р. Регулирование липополисахарида Salmonella typhimurium Длина цепи O-антигена необходима для вирулентности; идентификация FepE как второго Wzz. Мол. Microbiol. 47 , 1395–1406 (2003).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 103.

    Бастин, Д.А., Стивенсон, Г., Браун, П.К., Хааз, А. и Ривз, П.Р. Полисахариды бактерий с повторяющимися единицами: модель полимеризации, напоминающая модель рибосом и синтетазы жирных кислот, с новым механизмом для определения длины цепи. Мол. Microbiol. 7 , 725–734 (1993).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 104.

    Chen, W. Y., Marcellin, E., Hung, J. & Nielsen, L. K. Молекулярная масса гиалуронана контролируется концентрацией UDP-N-ацетилглюкозамина в Streptococcus zooepidemicus . J. Biol. Chem. 284 , 18007–18014 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 105.

    Sim, S.J. et al. Активность ФГА-синтазы контролирует молекулярную массу и полидисперсность полигидроксибутирата in vivo . Nat. Biotechnol. 15 , 63–67 (1997).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 106.

    Столлерман, Г. Х. и Дейл, Дж. Б. Важность капсулы Streptococcus в патогенезе инфекций человека: историческая перспектива. Clin. Заразить. Дис. 46 , 1038–1045 (2008).

    PubMed Google Scholar

  • 107.

    Tonello, F. & Zornetta, I. Bacillus anthracis факторов фагосомного побега. Токсины 4, 536–553 (2012).

    Google Scholar

  • 108.

    Симпсон, Б. В. и Трент, М. С. Расширяя границы: модификации LPS и их последствия. Nat. Rev. Microbiol. 17 , 403–416 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 109.

    Balaban, N.Q. et al. Определения и рекомендации по исследованиям устойчивости антибиотиков. Nat. Rev. Microbiol. 17 , 441–448 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 110.

    Андерссон, Д. И., Николофф, Х. и Хьорт, К. Механизмы и клиническое значение бактериальной гетерорезистентности. Nat. Rev. Microbiol. 17 , 479–496 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 111.

    Ван, Т. З., Кодиянплаккал, Р. П. Л. и Калфи, Д. П. Устойчивость к противомикробным препаратам в нефрологии. Nat. Преподобный Нефрол. 15 , 463–481 (2019).

    PubMed Google Scholar

  • 112.

    Zhou, E. et al. Тиол-бензотриазоло-хиназолинон ингибирует связывание Alg44 с c-ди-GMP и снижает продукцию альгината Pseudomonas aeruginosa . ACS Chem. Биол. 12 , 3076–3085 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 113.

    Hengzhuang, W. et al. OligoG CF-5/20 разрушение слизистой биопленки Pseudomonas aeruginosa в модели инфекции легких у мышей. Антимикробный. Агенты Chemother. 60 , 2620 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 114.

    Пауэлл, Л.C. et al. Целенаправленное разрушение внеклеточной полимерной сети биопленок Pseudomonas aeruginosa альгинатными олигосахаридами. Биопленки NPJ. Microbi. 4 , 13 (2018).

    Google Scholar

  • 115.

    Ван, Ю., Морадали, М. Ф., Гоударцталейерди, А., Симс, И. М. и Рем, Б. Х. А. Биологическая функция фермента, разлагающего полисахариды, в периплазме. Sci. Отчет 6 , 31249 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 116.

    Дабур, С. М., Раудонис, Р., Коэн, А., Роде, Дж. Р. и Ченг, З. Морские бактерии, источник разрушающих альгинолитических ферментов. Март Наркотики 17 , 307 (2019).

    CAS PubMed Central Google Scholar

  • 117.

    Уоттерс, К. М., Бертон, Т., Кируи, Д. К. и Милленбо, Н.J. Ферментативная деградация биопленок Staphylococcus aureus in vitro, дополненных человеческой плазмой. Заражение. Лекарство. Сопротивляться. 9 , 71–78 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 118.

    Гопу В., Мина, К. К. и Шетти, П. Х. Кверцетин влияет на восприятие кворума у ​​пищевых бактерий: данные in vitro, и in-silico, . PLoS One 10 , e0134684 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 119.

    Кали, А., Бхуванешвар, Д., Чарльз, П. М. В. и Сита, К. С. Антибактериальная синергия куркумина с антибиотиками против биопленок, производящих клинические бактериальные изоляты. J. Basic. Clin. Pharm. 7 , 93–96 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 120.

    Quecan, B. X. V. et al. Влияние экстрактов лука, богатых кверцетином, на определение кворума бактерий. Фронт. Microbiol. 10 , 867 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 121.

    Кар С. и Эллингтон А. Д. Конструирование систем экспрессии синтетической РНК-полимеразы Т7. Методы 143 , 110–120 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 122.

    Hussey, B. J. & McMillen, D. R. Программируемые синтетические факторы транскрипции на основе T7. Nucleic Acids Res. 46 , 9842–9854 (2018). В этом исследовании сообщается о создании первой экзогенной, модульной и программируемой системы РНК-полимеразы Т7 в бактериях для сильной транскрипционной активации множественных ортогональных вариантов синтетических факторов транскрипции в E. coli .

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 123.

    Horga, L.G. et al. Настройка экспрессии рекомбинантного белка для соответствия секреторной способности. Microb. Cell Fact. 17 , 199 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 124.

    Nora, L.C. et al. Искусство векторной инженерии: к созданию генетических инструментов следующего поколения. Microb. Biotechnol. 12 , 125–147 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 125.

    Chen, G.-Q. И Цзян, X.-R. Инженерные микроорганизмы для улучшения биосинтеза полигидроксиалканоатов. Curr. Opin. Biotechnol. 53 , 20–25 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 126.

    Florea, M. et al. Инженерный контроль производства бактериальной целлюлозы с использованием генетического инструментария и нового штамма-продуцента целлюлозы. Proc. Natl Acad. Sci. США 113 , E3431 – E3440 (2016). Это исследование представляет K. rhaeticus iGEM, производящую целлюлозу с высоким выходом, который оптимизирован за счет разработки модульного генетического инструментария для рационального перепрограммирования клетки .

    CAS PubMed Google Scholar

  • 127.

    Taton, A. et al. Векторная система с широким кругом хозяев для синтетической биологии и биотехнологии цианобактерий. Nucleic Acids Res. 42 , e136 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 128.

    Gallo, N. et al. Гиалуроновая кислота для передовых методов лечения: перспективы и проблемы. Eur. Polym. J. 117 , 134–147 (2019).

    CAS Google Scholar

  • 129.

    Smanski, M. J. et al. Синтетическая биология для доступа и расширения химического разнообразия природы. Nat. Rev. Microbiol. 14 , 135–149 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 130.

    Majerle, A., Schmieden, D. T., Jerala, R. & Meyer, A. S. Синтетическая биология для многомасштабных биомиметических сборок: от разработанных самособирающихся биополимеров до бактериальной биопечати. Биохимия 58 , 2095–2104 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 131.

    Jin, X. & Riedel-Kruse, I.H. Литография биопленок позволяет формировать клеточный паттерн с высоким разрешением посредством оптогенетической экспрессии адгезина. Proc. Natl Acad. Sci. США 115 , 3698 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 132.

    Пу, Л., Ян, С., Ся, А. и Джин, Ф. Оптогенетические манипуляции позволяют предотвратить образование биопленок из искусственно созданных Pseudomonas aeruginosa на поверхностях. ACS Synth.Биол. 7 , 200–208 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 133.

    Дандекар Т., Физельманн А., Маджид С. и Ахмед З. Программные приложения для количественного анализа и моделирования метаболических потоков. Краткая биография. 15 , 91–107 (2012).

    PubMed Google Scholar

  • 134.

    Cai, D. et al. Повышенное производство поли-γ-глутаминовой кислоты за счет улучшения снабжения АТФ в метаболически сконструированном Bacillus licheniformis . Biotechnol. Bioeng. 115 , 2541–2553 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 135.

    Dumon, C. et al. Фукозилирование лакто-N-неотетраозы и лакто-N-неогексаозы in vivo путем гетерологичной экспрессии альфа-1,3-фукозилтрансферазы Helicobacter pylori в сконструированной Escherichia coli . Glycoconj. J. 18 , 465–474 (2001).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 136.

    Линтон, Дж. Д. Производство метаболитов и эффективность роста. Антони Ван Левенгук 60 , 293–311 (1991).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 137.

    Атес О. Системная биология микробного образования экзополисахаридов. Фронт. Bioeng. Biotechnol. 3 , 200–200 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 138.

    Cardoso, J. G. R. et al. Cameo: библиотека Python для компьютерной метаболической инженерии и оптимизации клеточных фабрик. ACS Synth. Биол. 7 , 1163–1166 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 139.

    Heirendt, L. et al. Создание и анализ моделей на основе биохимических ограничений с использованием COBRA Toolbox v.3.0. Nat. Protoc. 14 , 639–702 (2019). Этот протокол является обновлением COBRA Toolbox для создания и анализа моделей на основе ограничений в широком спектре сценариев, прогрессом в интегративном анализе данных экспериментальной молекулярной системной биологии и количественном прогнозировании физико-химических и биохимически возможных фенотипических состояний .

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 140.

    Lloyd, C.J. et al. COBRAme: вычислительная структура для моделей метаболизма и экспрессии генов в масштабе генома. PLoS Comput. Биол. 14 , e1006302 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 141.

    Юнг, Ю. К., Ким, Т. Ю., Пак, С. Дж. И Ли, С.Ю. Метаболическая инженерия Escherichia coli для производства полимолочной кислоты и ее сополимеров. Biotechnol. Bioeng. 105 , 161–171 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 142.

    Choi, S. Y. et al. Одностадийное ферментативное производство сополимера лактата с гликолятом из углеводов в Escherichia coli . Nat. Biotechnol. 34 , 435 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 143.

    Diken, E. et al. Геномный анализ показывает биотехнологический и промышленный потенциал левана, продуцирующего галофильный экстремофил, Halomonas smyrnensis AAD6T. Springerplus 4 , 393–393 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 144.

    Li, Z., Yang, J. & Loh, X.J. Полигидроксиалканоаты: двери в устойчивое будущее. NPG Asia Mater. 8 , e265 (2016).

    CAS Google Scholar

  • 145.

    Чен, Г. К. и Цзян, X. Р. Разработка бактерий для усиленного биосинтеза полигидроксиалканоатов (РНА). Synth. Syst. Biotechnol. 2 , 192–197 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 146.

    Менг, Д. К. и Чен, Г. К. Синтетическая биология полигидроксиалканоатов (PHA). Adv. Biochem. Англ. Biotechnol. 162 , 147–174 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 147.

    Yang, J. E. et al. Одностадийное ферментативное производство ароматических полиэфиров из глюкозы с помощью метаболически модифицированных штаммов Escherichia coli . Nat. Commun. 9 , 79 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 148.

    Кобо, И., Ли, М., Сумерлин, Б. С. и Перье, С. Интеллектуальные гибридные материалы путем конъюгации реагирующих полимеров с биомакромолекулами. Nat. Матер. 14 , 143 (2014).

    PubMed Google Scholar

  • 149.

    Шрайбер, К. Л. и Смит, Б. Д. Молекулярная конъюгация с использованием нековалентной щелочной химии. Nat. Rev. Chem. 3 , 393–400 (2019).

    CAS Google Scholar

  • 150.

    Mamat, U. et al. Производство белка без эндотоксинов - технология ClearColi ™. Nat. Методы 10 , 916 (2013). В этой работе описана разработка E. coli ClearColi BL21 (DE3) для получения усеченных липополисахаридных молекул, подходящих для экспрессии белка без эндотоксина .

    Google Scholar

  • 151.

    Schwarz, H. et al. Биологическая активность замаскированного эндотоксина. Sci. Отчет 7 , 44750 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 152.

    Valentine, M. E. et al. Получение сильно аттенуированного штамма Pseudomonas aeruginosa для коммерческого производства альгината. Microb. Biotechnol. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13411 (2019). Это исследование демонстрирует подходы генной инженерии для создания безопасного и сильно аттенуированного штамма P.aeruginosa для промышленного производства бактериального альгината .

    Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 153.

    Choi, S. et al. Очистка и биосовместимость ферментированной гиалуроновой кислоты для применения в биоматериалах. Biomater. Res. 18 , 6 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 154.

    Ko, S.H. et al. Нанофлюидное устройство для непрерывного многопараметрического контроля качества биопрепаратов. Nat. Nanotechnol. 12 , 804 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 155.

    Вонг, Б. Г., Манкузо, К. П., Кириаков, С., Башор, С. Дж. И Халил, А. С. Точный автоматический контроль условий для высокопроизводительного роста дрожжей и бактерий с помощью eVOLVER. Nat. Biotechnol. 36 , 614 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 156.

    Basu, A., Kunduru, K. R., Abtew, E. & Domb, A. J. Конъюгаты на основе полисахаридов для биомедицинских приложений. Биоконъюг. Chem. 26 , 1396–1412 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 157.

    Güngör, G. et al. Производство бактериальной гиалуроновой кислоты с помощью альтернативного метода экстракции и его характеристики. J. Chem. Technol. Biotechnol. 94 , 1843–1852 (2019).

    Google Scholar

  • 158.

    Фаваро, Л., Басаглия, М. и Казелла, С. Улучшение производства полигидроксиалканоатов из недорогих источников углерода с помощью генетических подходов: обзор. Биотопливо Биопрод. Биорефин. 13 , 208–227 (2019).

    CAS Google Scholar

  • 159.

    Wang, X. et al. Высокоэффективный синтез полифосфатов, удаление и концентрирование фосфатов с использованием искусственно созданных экологических бактерий на основе простой стратегии соло-плазмид со средней копией. Environ. Sci. Technol. 52 , 214–222 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 160.

    Smith, W. D. et al. Текущие и будущие методы лечения инфекции Pseudomonas aeruginosa у пациентов с муковисцидозом. FEMS Microbiol. Lett. 364 , fnx121 (2017).

    Google Scholar

  • 161.

    Ислан, Г. А., Босио, В. Э. и Кастро, Г. Р. Совместная иммобилизация альгинатлиазы и ципрофлоксацина на биополимерных микросферах для лечения муковисцидоза. Macromol. Biosci. 13 , 1238–1248 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 162.

    Baker, P. et al. Экзополисахаридные биосинтетические гликозидгидролазы могут быть использованы для разрушения и предотвращения биопленок Pseudomonas aeruginosa . Sci. Adv. 2 , e1501632 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 163.

    Kong, L. et al. Исследование бактериального переносчика сахара с помощью одной молекулы позволяет обнаружить внеклеточный ингибитор. Nat. Chem. 5 , 651–659 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 164.

    Kong, L. et al. Стратегия антибактериальной вакцинации, основанная на гликоконъюгате, содержащем основной липополисахаридный тетрасахарид Hep2Kdo2. Nat. Chem. 8 , 242 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 165.

    Миддлтон Д. Р. и др. Идентификация и характеристика капсулоспецифичной гликозидгидролазы Streptococcus pneumoniae типа 3 Paenibacillus видов 32352. Гликобиология 28 , 90–99 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 166.

    Миколи, Ф., Костантино, П. и Адамо, Р. Потенциальные цели для противомикробных гликоконъюгатных вакцин нового поколения. FEMS Microbiol. Ред. 42 , 388–423 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • Как запустить биофильтр

    Биологический фильтр, или биофильтр, является ключевым компонентом фильтрующей части системы рециркуляции аквакультуры (УЗВ).Биофильтр содержит нитрифицирующие бактерии и является основным местом, где происходит биологическая нитрификация. Нитрифицирующие бактерии перерабатывают растворенные азотсодержащие отходы, выделяемые культивируемыми водными организмами.

    Все культивируемые организмы, позвоночные или беспозвоночные, рыбы или моллюски производят отходы в результате получаемого ими питания. Морские рыбы выделяют аммиак (Nh4), в основном, своими жабрами, и он растворяется в воде, в которой должна жить рыба. Эти отходы токсичны для рыб и представляют собой фактор стресса окружающей среды, вызывающий снижение аппетита, замедление темпов роста и смерть при высоких концентрациях.

    К счастью, встречающиеся в природе бактерии окисляют аммиак, используют его для роста и превращают в нитрит (NO 2 -). Это аэробный процесс, для которого необходим кислород. Бактерии, которые превращают аммиак в нитрит, известны под общим названием Nitrosomonas . Как и аммиак, нитрит, продуцируемый бактериями Nitrosomonas , токсичен для водных организмов и должен подвергаться дальнейшему окислению до менее токсичной формы азота. Это достигается с помощью другого встречающегося в природе рода бактерий, называемого Nitrobacter .Эти бактерии метаболизируют и окисляют нитрит (NO 2 -), продуцируемый Nitrosomonas , и превращают его в нитрат (NO 3 ). Кислород также расходуется на образование нитратов. Нитрат является конечным продуктом превращения аммиака и нитрита и не токсичен на уровнях, обычно обнаруживаемых в УЗВ (> 200 мг / л). Дополнительную информацию можно найти в публикации SRAC № 451, Системы производства рециркуляционных резервуаров для аквакультуры: обзор критических соображений .

    Последовательность реакций, осуществляемых нитрифицирующими бактериями, можно упростить следующим образом:

    Превосходное подробное обсуждение нитрифицирующих бактерий и процесса нитрификации можно найти в Hagopian and Riley (1998).

    Биофильтры являются важным средством поддержания качества воды в системе рециркуляции аквакультуры (УЗВ).

    Что включает в себя запуск биофильтра?

    Запуск биофильтра включает управление и контроль за высевом клеток нитрифицирующих бактерий в биологическом фильтре.Биологический фильтр состоит из некорродирующего материала, такого как пластик, стекловолокно, керамика или камень, который имеет большую площадь поверхности, на которой могут колонизировать клетки нитрифицирующих бактерий. Чтобы сделать биофильтры более компактными, обычно выбирают материал, который имеет большую площадь поверхности на единицу объема. Эту единицу измерения обычно называют удельной поверхностью (SSA) среды биофильтра. Проще говоря, чем больше доступная площадь поверхности, тем больше клеток бактерий может быть выращено и тем выше способность к нитрификации, а это означает, что можно достичь более высоких скоростей подачи.Биофильтр с более высоким SSA будет более компактным, чем биофильтр с более низким SSA.

    Однако имейте в виду, что некоторые среды биофильтров с более высоким содержанием SSA могут забиваться бактериями. Таким образом, должен быть баланс между высоким SSA и надежной в эксплуатации биофильтрующей средой. Клетки нитрифицирующих бактерий растут на всех поверхностях биологических фильтрующих материалов и, фактически, на всех влажных поверхностях системы, таких как внутренние поверхности труб, стенки резервуаров и т. Д.

    Бактерии следуют непрерывному циклу роста и размножения, созревания и умирания, отслаивания среды и замены новыми клетками.Биофильтр запускается путем добавления бактерий в систему, что можно сделать несколькими способами. Нитрифицирующие бактерии могут быть занесены с водой или кусочками биофильтрационной среды из уже работающей системы, с отложениями пруда или скотным двором или с небольшим количеством животных-«стартеров». Этим животным придется пережить суровые условия повышенных концентраций аммиака и нитрита, пока клетки бактерий воспроизводятся и колонизируют среду биофильтра.

    Какой бы метод ни использовался для добавления бактерий в систему, существует опасность занесения патогенов.Выбор метода следует оценивать как часть общего плана управления предприятием и биобезопасности.

    Одна из стратегий запуска биофильтра, иногда называемая методом холодного старта, включает в себя зарыбление культивируемых видов без активированного биофильтра. Операторы должны быть готовы справиться с возникающим в результате резким увеличением концентраций аммиака и нитритов и снизить их до допустимого уровня за счет замены воды. Нормы подачи должны быть уменьшены или кормление должно быть приостановлено, пока не произойдет активация биофильтра.Преимущество метода холодного старта заключается в использовании бактерий, которые вошли в систему с первыми введенными животными, бактерий, которые должны были хорошо подходить к условиям, из которых эти животные пришли.

    Однако активация пассивного биофильтра может быть медленным и стрессовым процессом для животных и оператора системы. Более желательным методом является развитие нитрифицирующих бактерий в биофильтре перед заселением культивируемых видов.Преимущества «посевных» нитрифицирующих бактерий:

    1. Снижение стресса для вновь введенного поголовья
    2. Сокращение цикла выращивания с более высокой скоростью подачи с первого дня зарыбления (что важно для экономики УЗВ)
    3. Повышение качества воды, что улучшает здоровье, темпы роста , и выживание.

    Этапы запуска биофильтра

    Для запуска биофильтра у вас должен быть источник нитрифицирующих бактерий и созданы условия, которые будут способствовать их росту.Следующая процедура предполагает, что животные еще не включены в систему. Добавление питательных веществ для поддержки роста бактериальных клеток может создать концентрацию аммиака и нитрита, которая может быть смертельной для выращиваемых вами видов.

    1. Подготовьте химический состав воды системы перед внесением нитрифицирующих бактерий или животных

    Система должна работать и пропускать воду через биофильтр. Если культуральный резервуар еще не готов к использованию, рециркуляцию воды можно осуществить только через блок биофильтра.Такая ситуация может возникнуть при запуске нового объекта. В системной воде не должно быть остаточного хлора, который мог использоваться для дезинфекции или борьбы с патогенами. Системная вода должна быть подогрета или охлаждена до температуры, близкой к температуре, при которой система будет работать на складе; pH, соленость, щелочность и жесткость должны соответствовать требованиям поступающего сырья.

    2. Обеспечивает щелочность, источник углерода

    Диоксид углерода, растворенный в воде системы, является источником углерода для развивающихся клеток бактерий, но карбонатные (CO3 -2 ) и бикарбонатные (HCO 3 -) ионы являются также источники углерода, и их легче добавлять и контролировать.

    Добавьте бикарбонат натрия (NaHCO3) или обычную пищевую соду для повышения щелочности. Пищевая сода недорогая и безопасная в использовании. Изначально увеличьте щелочность системы примерно до 150 мг / л. Щелочность на этом уровне будет поддерживать рост бактерий Nitrosomonas , но авторы добились большего успеха в установлении бактерий Nitrobacter с более высокой щелочностью примерно от 200 до 250 мг / л. Когда Nitrobacter действительно установится, щелочность может снизиться до рабочего уровня.Щелочность вашего источника воды будет влиять на количество бикарбоната натрия, необходимое для повышения щелочности системы до подходящего уровня. Как правило, чтобы повысить щелочность на 10 мг / л, добавляйте 53 грамма бикарбоната натрия на каждые 3785 литров (0,117 фунта или 1,86 унции на 1000 галлонов) водной емкости системы. См. Рисунок 2 в публикации SRAC № 452, Системы производства рециркуляционных резервуаров для аквакультуры: Управление рециркуляционными системами , где представлена ​​полная графическая сводка управления pH и щелочностью.

    Аквакультура становится все более важным источником безопасных, питательных и экологически чистых морепродуктов для людей во всем мире. В глобальном масштабе производство аквакультуры должно удвоиться к 2030 году, чтобы соответствовать спросу. Это увеличение спроса на продукцию аквакультуры, соображения продовольственной безопасности и создание рабочих мест вызвали повышенную потребность в квалифицированных рабочих.

    Узнайте, как стать частью этой быстро развивающейся отрасли.

    3. При необходимости отрегулируйте pH.

    При указанном выше уровне щелочности pH обычно не является проблемой. Лучше всего диапазон от 6,8 до 7,2. Нижний здоровый предел pH для нитрифицирующих бактерий, около 6,8, обычно не достигается, если не присутствует высокая концентрация углекислого газа. Во время запуска новой системы это маловероятно, если только в исходной воде не будет высокого содержания диоксида углерода. Циркуляция и аэрация или дегазация воды в системе снизят концентрацию CO 2 .

    Температуру можно немного повысить, чтобы увеличить скорость реакции биологических и биохимических процессов, тем самым ускоряя развитие популяции нитрифицирующих бактерий.

    4. Добавьте аммиак и нитрит

    Добавьте гидроксид аммония или домашний аммиак без запаха, используемый для очистки, который представляет собой водный раствор аммиака.Также обычно используются хлорид аммония и нитрит аммония. Добавьте гидроксид аммония в количестве, достаточном для повышения общего уровня аммиака до 3–5 мг / л. Это должно обеспечить хорошее обнаружение большинством методов тестирования. Обычно 60 мл чистого бытового аммиака (10% -ный водный раствор аммиака) повышают концентрацию аммиака в 3785 литров (стакана на 1000 галлонов) воды в системе примерно на 1,6 мг / л. Если вы используете водный раствор аммиака другой концентрации, потребуется корректировка. Начните с минимального количества, дайте достаточно времени для тщательного перемешивания через систему, а затем проверьте концентрацию аммиака.Если требуется больше для увеличения концентрации в системе до 3–5 мг / л, добавляйте больше постепенно.

    5. Введение нитрифицирующих бактерий

    Введение бактерий может ускорить процесс акклиматизации. При использовании коммерческих препаратов бактерий следуйте рекомендациям производителя на предыдущих этапах и при добавлении бактерий.

    Применяйте рекомендованные питательные вещества в соответствии с нормативами и графиками, указанными производителем. В инструкции может быть указано, что бактерии следует добавлять несколькими порциями.Самый эффективный способ введения бактерий - это перемещение элементов биомедиа из акклиматизированной системы, работающей в аналогичных условиях культивирования. Если вы вносите уже колонизированные элементы биомедиа или другие формы бактерий, добавьте их в это время.

    6. Начните мониторинг параметров качества воды.

    Параметры качества воды следует регулярно контролировать во время запуска биофильтра. Аммиак, нитрит, pH, температура и щелочность являются основными параметрами качества воды, которые необходимо проверить.Следует разработать надежные, точные и воспроизводимые методы измерения концентраций аммиака и нитритов в системе.

    Тестирование можно проводить с помощью наборов для тестирования и компараторов цвета, колориметров или спектрофотометров. Операторы должны иметь возможность сравнивать изменения качества воды от одного дня к другому с уверенностью, что результаты испытаний репрезентативны для изменения условий качества воды, вызванных биофильтром.

    Пробы воды следует отбирать из культурального резервуара, так как именно там будут находиться животные.Образцы следует собирать из одного и того же места в резервуаре и незамедлительно анализировать. Их следует проводить каждый день в одно и то же время, и лица, проводящие тесты, должны следовать одним и тем же процедурам, используя одно и то же точное измерительное оборудование.

    Стандартизация, рутина и внимание к деталям гарантируют, что у вас будет точная информация для принятия оперативных решений. Полезно построить график концентраций аммиака и нитрита, добавляя значения за каждый день с течением времени. Это дает вам визуальную концепцию развития биофильтра. На рисунке 1 показаны характеристические кривые, связанные с запуском биофильтра.

    Хотя числа могут варьироваться в зависимости от цикла, системы и биофильтра, форма и соотношение кривых должны быть примерно одинаковыми. Вначале концентрация аммиака увеличивается до высокой точки, а затем снижается. После периода задержки концентрация нитрита начинает увеличиваться до определенного предела, а затем снижается. Также важно отметить, что запуск этого примера произошел в течение короткого периода времени из-за высокой температуры, при которой проводилось это конкретное испытание, - 28 ° C (около 83 ° F).Сравните этот график с Рисунок 3 в публикации SRAC № 452, Системы производства рециркуляционных резервуаров для аквакультуры: Управление рециркуляционными системами .

    7. Будьте внимательны к снижению концентрации нитрита.

    В Рисунок 1 обратите внимание на тенденцию к снижению концентрации нитрита. Вершина нитритной кривой представляет собой точку, в которой бактерии n itrobacter развились в количестве, достаточном для потребления большего количества нитрита, чем производится или добавляется в систему; таким образом, концентрация нитрита снижается.Эта тенденция будет продолжаться до тех пор, пока концентрация нитрита не стабилизируется. В этот момент, если уровни нитрита и аммиака приемлемы для выращиваемого вида, может произойти зарыбление. Если в системе присутствует запас, можно начинать кормление с низкого уровня и можно начинать нормальные производственные операции.

    Данные о качестве воды для запуска биофильтра

    © DeLong, неопубликованные данные, Fish Barn Северной Каролины, июль 1998 г.

    При некоторых циклах выращивания в RAS иногда нет необходимости перезапускать биофильтр.Если система переводится от одного производственного цикла к другому, система может продолжать работать, а биофильтр оставаться активным между циклами, заполняя следующую когорту сразу после сбора урожая или перенося предыдущую.

    В интересах борьбы с болезнями, что имеет решающее значение для промышленного производства аквакультуры, часто необходимо дезинфицировать систему после завершения цикла выращивания. Дезинфекция обычно выполняется путем заполнения резервуаров, компонентов фильтрации и труб всей системы раствором воды и отбеливателя (хлора) или другого подходящего дезинфицирующего средства и обеспечения его циркуляции с последующим сливом и сушкой системы.

    Этот процесс уничтожает не только патогены в системе, но и нитрифицирующие бактерии в биофильтре, которые затем необходимо запустить заново для следующего цикла роста. Если биофильтр остается живым и функционирует между производственными циклами, некоторые бактериальные клетки будут потеряны, потому что количество аммиака и нитрита, доступных для поддержания популяции бактерий, уменьшилось. Некоторые клетки могут замедлить свои процессы, и общая нитрификационная способность биофильтра будет медленно снижаться.

    Активность нитрифицирующих бактерий снова возрастет, как только животные будут накормлены и количество отходов увеличится.Тем не менее, скорость подачи следует увеличивать медленно, так как потребуется некоторое время, чтобы бактериальная биомасса вернулась к уровню, предшествующему уборке урожая. Если между циклами будет несколько дней или недель, в систему могут быть добавлены дозы аммиака, чтобы поддерживать жизнь и функционирование бактерий.

    Преимущества посева нитрифицирующих бактерий: 1) снижение нагрузки на вновь представленные акции 2) сокращение цикла выращивания с более высокими дозами корма с первого дня зарыбления (что важно для экономики УЗВ). 3) улучшение качества воды, что улучшает здоровье, скорость роста и выживаемость

    Использование бактериальных препаратов

    Ряд приготовленных смесей культивируемых нитрифицирующих бактерий доступен от поставщиков как для пресноводных, так и для морских применений.Они доступны в виде сухих порошков или концентрированных жидких суспензий. Они могут прибыть в виде охлажденной культуры вместе с неорганическими химическими веществами, необходимыми для их первоначального питания по мере их укоренения. Хотя они и не являются необходимыми, эти бактериальные препараты могут сократить время, необходимое для создания биофильтра.

    При использовании этих препаратов следуйте рекомендациям производителя. Некоторые операторы сообщают, и авторы имеют опыт, что бактериальные культуры необходимы для запуска биофильтров в условиях солоноватой воды или морских культур (соленость> 15 ppt).В природе есть виды нитрифицирующих бактерий, которые адаптировались к любой солености, с которой можно столкнуться, а некоторые виды имеют более широкие или более узкие ареалы, в которых они процветают.

    Советы и хитрости

    Температуру можно немного поднять, чтобы увеличить скорость реакции биологических и биохимических процессов, тем самым ускоряя развитие популяции нитрифицирующих бактерий. Увеличивайте температуру не более чем на 2–3 ° C (от 3,6 до 5,4 ° F) выше ожидаемой температуры культивирования, чтобы избежать значительного отмирания бактерий при снижении температуры до рабочего уровня.Общий объем системы может быть уменьшен за счет эксплуатации культуральных резервуаров с более низким уровнем воды во время запуска биофильтра. При меньшем объеме воды температуру можно изменить быстрее и количество питательных веществ, необходимых для дозирования биофильтра, будет уменьшено, что сделает процесс более рентабельным.

    Может быть трудно запустить биофильтр, содержащий новую среду, возможно, потому, что среда может все еще иметь гладкую блестящую поверхность, к которой клеткам бактерий труднее прикрепляться.Однако после установления первого роста бактерий последующие циклы обычно начинаются быстрее.

    Некоторые шарики из полистирола показали первоначальную устойчивость к бактериальной колонизации. Было высказано предположение, что добавки, такие как антипирены на поверхности гранул, могут подавлять первоначальный рост бактерий. Однако устойчивость материала гранул к колонизации нитрифицирующими бактериями оказывается непродолжительной, и большинство операторов справляются с этой проблемой относительно быстро.

    При использовании биофильтров с подвижным или смешанным слоем бактерии могут медленно размножаться из-за чрезмерного перемешивания или аэрации слоя среды. По сути, это механическая проблема, вызванная истиранием поверхности элементов биофильтра, постоянным соскабливанием бактериальных клеток, которые пытаются прижиться. Может помочь уменьшение физического перемешивания слоя среды за счет уменьшения аэрации и / или потока воды через слой.

    По мере того, как на поверхности среды закрепляется больше бактериальных клеток, о чем свидетельствует ежедневное снижение концентрации аммиака и нитрита, аэрацию и перемешивание можно постепенно увеличивать.

    Используйте метод, который лучше всего подходит для вашей работы и ваших систем. Если вы учитесь запускать системы и управлять ими, ведите записи и заметки о своем опыте, чтобы вы могли определить, что работает, а что не работает в вашей ситуации.

    Биологическая фильтрация | бактерии водоросли | обработать аквариум пресноводный морской

    Биологическая фильтрация | бактерии водоросли | обработать аквариум пресной водой с соленой водой | prodibio.ком

    Вы здесь

    Домой

    BioDigest эффективен как в резервуарах с пресной, так и в морской воде и представляет собой концентрированный бактериальный раствор, который биологически фильтрует и удаляет аквариумные отходы.

    Информация BioDigest

    • Состоит из живых бактериальных штаммов
    • Очистке аквариума путем переваривания отходов способствует присутствие множества различных штаммов гетеротрофных бактерий
    • Снижение содержания нитратов и фосфатов
    • Обеспечивает эффективную очистку воды
    • Предотвращает распространение нитчатых водорослей
    • Лучший способ начать биологическую фильтрацию в вашем пресноводном или морском аквариуме
    • Превращает аммиак в нитриты - нитриты в нитраты - и - нитраты в азот

    Когда следует использовать BioDigest?
    • Если запустить резервуар для пресной воды или резервуар для морской воды
    • Флакон каждые 15 дней поддерживает оптимальную очистку аквариума
    • Чтобы ускорить процесс очистки, не увеличивайте дозу, а используйте продукт чаще

    Как пользоваться BioDigest?

    Какой объем? Какой диапазон? Какая дозировка?
    От 120 до 1000 литров Стандарт 1 флакон / 15 дней
    От 1000 до 10 000 литров Pro 1 флакон / 15 дней

    Полезные ссылки

    • Chloral_Reset для кондиционирования водопроводной воды в резервуаре для пресной или морской воды
    • BioTrace, для пресной воды, для активации бактерий BioDigest
    • Биоптим, для морской воды, обеспечивает питательными веществами бактерии BioDigest

    границ | Биологические и биоэлектрохимические системы для производства водорода и фиксации углерода с использованием пурпурных фототрофных бактерий

    Введение

    Типичные системы очистки сточных вод предусматривают рассеивание загрязнения.Однако высокое содержание органических и питательных веществ в промышленных и бытовых сточных водах является ценным ресурсом для восстановления энергии и продуктов (Puyol et al., 2017a). Следовательно, модернизация существующих очистных сооружений в качестве систем восстановления ресурсов путем внедрения новых технологий является обязательным шагом с учетом экономических и экологических выгод и недавней политики в рамках циркулярной экономики.

    Среди конкурирующих технологий биологическое накопление питательных веществ и их последующее восстановление привлекло большое внимание как экологически безопасный и, безусловно, рентабельный процесс (Batstone et al., 2015). Пурпурные фототрофные бактерии (ПФБ) продемонстрировали значительное накопление органических и питательных веществ из сточных вод в процессе ассимиляции (Batstone et al., 2015). PPB - это группа анаэробных факультативных микроорганизмов, которые могут использовать инфракрасный свет (IR) в качестве основного источника энергии. Использование PPB в концепции разделения-высвобождения-восстановления оказалось намного лучше других фототрофных организмов (таких как водоросли или цианобактерии), поскольку они достигают высоких темпов роста и не ингибируются O 2 (Muñoz and Guieysse, 2006). .

    PPB - чрезвычайно универсальные организмы из-за их сложной метаболической системы, включающей основные пути C, N, S, P и Fe, которые поглощают инфракрасную энергию через свою фотосистему, состоящую из каротиноидов и бактериохлорофилов (Hunter, 2008). Аноксигенный фотосинтез генерирует практически всю энергию, необходимую для роста, посредством так называемого циклического электронного потока (Klamt et al., 2008). При очистке бытовых сточных вод основной метаболизм следует за фотогетеротрофным ростом летучих жирных кислот и сахаров, хотя хемогетеротрофия (например, хемогетеротрофия).g., ферментация и анаэробное окисление) могут обеспечить необходимые электроны для фотоавтотрофного роста (через водород; Hülsen et al., 2014, 2016; Puyol et al., 2017a, b). Однако внутренний рецикл электронов можно использовать для получения аммония путем фиксации газообразного азота или прямого рассеивания электронов в комплексе нитрогеназы, который генерирует биоводород в качестве акцептора электронов (Koku et al., 2002), или для прямого внутреннего накопления органические кислоты, такие как поли-гидроксиалканоаты (РНА) (Fulop et al., 2012). Более того, ассимиляционное разделение макроэлементов и органических веществ сточных вод через PPB приводит к образованию одного твердого бактериального потока, богатого белками.

    В этом смысле PPB можно использовать для извлечения продуктов с высокой добавленной стоимостью из источников отходов, таких как биотопливо, такое как био-водород, биопластики, такие как PHA, и одноклеточные белки. Метаболические пути получения ценных биопродуктов катализируются различными ферментами (McKinlay and Harwood, 2010). Мониторинг функциональности задействованных бактерий и отслеживание их активности может иметь дополнительную ценность для максимального увеличения образования биопродуктов.Чтобы усложнить описанную выше систему, конечный продукт сильно зависит от условий окружающей среды (интенсивность инфракрасного излучения, температура, концентрация питательных веществ и т. Д.). Таким образом, отходы, богатые азотом, являются хорошими источниками для роста ППБ биомассы с высоким содержанием белка (Verstraete et al., 2009), которую впоследствии можно использовать в качестве добавочного корма для животных. В органических средах, в которых отсутствуют питательные вещества, PPB может накапливать большие количества PHA, достигая 70–90% по весу (Mas and Van Gemerden, 1995).Таким образом, они представляют собой интересную альтернативу ископаемому топливу для производства пластмасс. Когда состав органического вещества достаточно высок и его более восстановлено, чем биомасса (то есть бутират), избыток электронов (в отсутствие аммония) направляется на производство водорода, который можно использовать в качестве чистого и возобновляемого биотоплива. Понимание важных факторов и выяснение их взаимосвязи с желаемым конечным биопродуктом остается одной из самых важных задач в текущих исследованиях.

    Наконец, внутренняя рециркуляция электронов PPB является ключевой проблемой, и активная модификация электронных потоков путем искусственного добавления электронов может привести к различным целевым биопродуктам (Варфоломеев, 1992). Таким образом, концепции, поддерживающие микробные электрохимические технологии (МЭТ), могут быть использованы для усиления биохимических реакций PPB путем подачи электрического тока на микроорганизмы с использованием электродов в качестве доноров электронов. В этом контексте МЭТ привлекли к себе большое внимание в связи с их потенциальным применением в восстановлении нитратов (Pous et al., 2013; Tejedor et al., 2016), метаногенез (Cheng et al., 2009) и микробный электросинтез (Logan, Rabaey, 2012). Точно так же разумное использование электричества для повышения активности PPB по отношению к соединениям с высокой добавленной стоимостью (например, биогидрогену) с помощью биоэлектрохимической системы, несомненно, является привлекательной задачей. PPB - это высокоактивные организмы с высокой способностью генерировать биоэлектричество с помощью MFC (Xing et al., 2008; Park et al., 2014). Однако использование электричества для повышения метаболической активности PPB с целью производства биопродуктов с высокой добавленной стоимостью является неизведанной областью с высоким потенциалом роста в краткосрочной перспективе.

    Основываясь на вышеупомянутых основаниях, целью настоящей работы была оценка PPB для усиления образования ценных биопродуктов, таких как биоводород, с использованием электрической и световой энергии в качестве движущих сил. Это было достигнуто путем определения биологических и электрохимических условий, которые влияют на процесс производства био-водорода из PPB. Разумное использование электроэнергии для обеззараживания сточных вод и производства био-водорода, несомненно, является привлекательной и новой задачей, приносящей существенные экологические и экономические выгоды.

    Материалы и методы

    Химические соединения и питательные среды

    Все используемые химические соединения были закуплены у Sigma-Aldrich. Были использованы следующие органические соединения: L-яблочная кислота (C 4 H 6 O 5 ), масляная кислота (C 4 H 8 O 2 ), уксусная кислота (C 2 H 4 O 2 ), пропионовая кислота (C 3 H 6 O 2 ) и этанол (C 2 H 6 O).Исходные растворы индивидуальных органических соединений (20 гХОД / л) готовили в сверхчистой воде и хранили при 4 ° C. В качестве источников азота использовали: хлорид аммония (NH 4 Cl) в качестве неорганического источника азота, моногидрат мононатриевой соли L-глутаминовой кислоты (Na-глутамат, C 5 H 8 NNaO 4 · H 2 O) в качестве источника органического азота и газообразного азота (N 2 ) в качестве внешнего источника газа. Исходные растворы как органических, так и неорганических источников азота (5 гН / л) готовили в сверхчистой воде и хранили при 4 ° C.

    Наконец, растворы макро- и микроэлементов были приготовлены по рецепту, предложенному Ormerod et al. (1961). Макроэлементный раствор содержал 10,86 г K 2 HPO 4 · 3H 2 O; 6,66 г KH 2 PO 4 ; 2 г MgSO 4 · 7H 2 O, 0,75 г CaCl 2 · 2H 2 O; 69 мг FeCl 2 · 4H 2 O и 0,2 г ЭДТА в 1 л сверхчистой воды. Раствор питательных микроэлементов содержал 1,4 г H 3 BO 3 ; 1.013 г MnCl 2 · 4H 2 O; 274 мг (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O; 57 мг ZnCl 2 ; 14 мг CuCl 2 · 2H 2 O; 7,5 мг биотина и 1 г ЭДТА в 0,5 л сверхчистой воды. PH во всех растворах был доведен до 7.

    Обогащение пурпурных фототрофных бактерий (PPB)

    Все экспериментальные тесты были засеяны смешанной культурой PPB. Эти бактерии были обогащены стоком сточных вод, взятых с пилотной станции очистки сточных вод, расположенной в Университете Рей Хуана Карлоса (Мостолес, Мадрид, Испания).Обогащение осуществляли путем инокуляции суспендированного ростового реактора (SGR) объемом 1 л жидким илом и последующей инкубации при освещении ближним инфракрасным (NIR) светом и анаэробных условиях с использованием синтетических сточных вод (SW) в качестве питательной среды. SW (приготовленный с водопроводной водой) содержал 5 различных источников органического углерода (уксусная кислота, яблочная кислота, пропионовая кислота, масляная кислота и этанол) с общей концентрацией ХПК 2 гХПК / л, 0,26 гН / л по NH 4 Cl и 1 и 100 мл / л растворов питательных микро- и макроэлементов соответственно.После добавления SW жидкость биореактора промывали газообразным аргоном, чтобы удалить любое присутствие кислорода. Биореактор освещали светодиодными лампами (850 нм) в качестве источника инфракрасного света. Поверхность реактора была покрыта фольгой, поглощающей УФ-видимое излучение (ND 1.2 299, Transformation Tubes, Банстед, Великобритания). Фольга поглощала около 90% длины волны ниже 750 нм. Средняя интенсивность света, измеренная на внешней поверхности реактора, составила 13 Вт / м 2 . Смешанную культуру PPB непрерывно перемешивали и инкубировали при комнатной температуре (25 ± 1 ° C).Щелок реактора обновляли каждую неделю свежим SW (объемный обмен 99%) для достижения конечных концентраций 2 г ХПК / л и 0,26 г NH 4 -N / л. PH еженедельно доводили до 6,8 ± 0,1. Обогащение PPB оценивали путем обнаружения бактериохлорофиллов ( BChl ) и накопления каротиноидов с помощью анализа спектров VIS-NIR культуры.

    Биологические эксперименты

    Способность обогащенной PPB культуры производить био-водород с использованием различных источников углерода и азота оценивалась в периодических анализах.Первоначально была исследована способность культуры PPB производить водород с использованием различных источников органического и неорганического азота. Первая серия экспериментов была проведена с использованием 2 гCOD / л L-яблочной кислоты в качестве источника углерода. Яблочная кислота была выбрана в качестве подходящего источника углерода, который может способствовать производству водорода PPB (Assawamongkholsiri and Reungsang, 2015). Периодические эксперименты были выполнены с использованием: неорганического (NH 4 Cl) и органического (Na-глутамат) азота, оба с концентрациями 75, 150 и 300 мгN / л, и, наконец, газообразного азота (60 мл N 2 в свободное пространство).После этого были проведены два дополнительных эксперимента с использованием различных источников углерода (масляной и уксусной кислоты) с концентрацией 2 г ХПК / л каждый с 300 мгН / л Na-глутамата в качестве источника органического азота. Краткое описание экспериментальных условий серийных анализов показано в таблице 1.

    Таблица 1 . Экспериментальные серии биологических экспериментов с PPB при различных источниках азота и углерода.

    Все эксперименты проводились во флаконах для сыворотки объемом 160 мл с рабочим объемом 100 мл.Реакторы содержали 99 мл среды SW (приготовленной, как описано выше) с соответствующими содержаниями COD и N, и были засеяны культурой, обогащенной PPB (посевной материал 1% об. / Об.). Начальный pH среды доводили до 6,8 ± 0,1 с помощью NaOH или H 2 SO 4 . Жидкую среду каждого реактора продували аргоном в течение 10 мин. После этого бутылки закрывали резиновыми пробками и закрывали алюминиевыми пробками. Затем свободное пространство реакторов снова продували аргоном в течение 2 мин, за исключением реакторов, в которых в качестве источника азота использовался газообразный азот, которые были заполнены газом N 2 .Бутылки непрерывно встряхивали в горизонтальном направлении со скоростью 120 об / мин при 25 ± 1 ° C (орбитальный шейкер, система оптического плюща) и освещали со средней интенсивностью света 20 Вт / м 2 с использованием светодиодных ламп в течение 7 дней. Эффективность продуцирования H 2 с использованием идентичных условий, но без культуры, обогащенной PPB, изучали путем проведения контрольных экспериментов в стерилизованных условиях (всю используемую стеклянную посуду и среды автоклавировали). Во время этих контрольных экспериментов не было обнаружено роста биомассы, а также продукции H 2 или ассимиляции кислоты.Периодически отбирались пробы как из жидкой, так и из газовой среды для оценки ассимиляции углерода и азота, роста PPB и производства водорода. Все эксперименты проводились в двух экземплярах.

    Биоэлектрохимические эксперименты

    Биоэлектрохимические эксперименты были выполнены в устройстве с Н-ячейками, как показано на рисунке 1. Устройство состояло из двух стеклянных бутылок Duran (диаметр 8,6 см × высота 18,1 см), служащих двумя камерами. Каждая ячейка (катод и анод) имела рабочий объем 500 мл.Катодная камера была снабжена рабочим электродом из графита 10 × 100 мм и электродом сравнения RE-5B Ag / AgCl. Все потенциалы указаны относительно Ag / AgCl. Анодная камера была оборудована противоэлектродом из Ti / Pt (2,5 мкм) 100 × 20 мм с размером ячеек 10 × 5. Катодная и анодная камеры были разделены катионной мембраной (RALEX, MEGA a.s., Straz pod Ralskem, Чехия). Рабочий электрод, электрод сравнения и электрод сравнения были подключены к потенциостату NEV4-V2 (Nanoelectra S.L., Алькала-де-Энарес, Испания) с максимальным током ± 100 мА и податливым напряжением ± 10 В.Для автоматической записи данных использовался компьютер, обработанный специализированным программным обеспечением (программное обеспечение Potentiostat NEV4, Alcala de Henares, Испания).

    Рисунок 1 . Экспериментальная установка фото-био-электрохимического устройства на Н-ячейках.

    Как показано на рисунке 1, катодная камера из H-ячейки использовалась в качестве биокатода, содержащего SW (495 мл). Биокатод инокулировали культурой, обогащенной PPB (5 мл, 1% об. / Об. Посевной материал). В качестве источников углерода и азота использовали яблочную кислоту (2 гХПК / л) и Na-глутамат при соотношении ХПК: N 100: 15 соответственно.Анодная камера была заполнена 495 мл водопроводной воды и 5 мл раствора макроэлементов. Исходный pH в обеих камерах был доведен до 6,8 ± 0,1. Биокатод освещали светодиодными лампами в качестве источника света в ближней инфракрасной области со средней интенсивностью света 20 Вт / м 2 . Биоэлектрохимические эксперименты проводили при 25 ± 1 ° C, и ячейку биокатода непрерывно перемешивали со скоростью 200 об / мин. Среду в обеих ячейках промывали аргоном в течение 20 мин. Впоследствии ячейки закрывали бутиловыми перегородками и закрывали колпачками GL45 Duran.Свободное пространство ячеек снова продували аргоном в течение 3 мин.

    Эксперименты проводились путем установки потенциала биокатода на -0,5 В, чтобы заставить культуру PPB адаптироваться к электрохимическим условиям. Период реакции между культурой PPB и биокатодом был выбран равным 1 неделе, как и в биологических экспериментах. Контрольные электрохимические (абиотические) эксперименты проводили в тех же экспериментальных условиях без биомассы PPB. Чтобы определить, взаимодействовала ли культура PPB с катодом или нет, посредством акцепта электронов от PPB, циклическая вольтаметрия (CV) в диапазоне -0.От 8 до 0,8 В во время еженедельного процесса реакции.

    Аналитические методы

    Все параметры, кроме общей химической потребности в кислороде (COD) и общего азота по Кьельдалю (TKN), определяли после фильтрации с помощью нейлонового фильтра 0,45 мкм (фильтр / шприц Chrodisc, CHMLab, Барселона, Испания). Общий и растворимый ХПК определяли с помощью колориметрического метода дихроматной дефлегмации (APHA, 2005). Содержание азота в отфильтрованных и нефильтрованных образцах определяли по стандартной методике Кьельдаля (Gerhardt TNK, Vapodest 450, Königswinter, Германия) с использованием 20 мл концентрированного H 2 SO 4 и K 2 SO 4 -CuSO 4 в качестве катализатора.Содержание органического азота в культуре PPB определяли как разницу между азотом Кьельдаля отфильтрованного и нефильтрованного образца. Содержание одноклеточного белка (SCP) в сухой массе клетки (CDW) было получено путем умножения полученного значения азота на коэффициент преобразования 5,33 (Salo-Vaananen and Koivistoinen, 1996). Неорганический азот анализировали как NH 4 Cl, используя Spectroquant Ammonium Test (Merck, Дармштадт, Германия). Оптическую плотность биомассы PPB измеряли при 590 нм спектрофотометром UV-VIS (V-630, Jasco, Мадрид, Испания), а концентрацию биомассы калибровали с использованием стандартной кривой оптической плотности PPB на основе летучих взвешенных твердых частиц ( gVSS / L) (Vasiliadou et al., 2008). Концентрацию VSS (gVSS / л) измеряли стандартными методами (APHA, 2005). Обнаружение BChl и каротиноидов PPB было выполнено путем определения спектров VIS-NIR (400–950 нм) с использованием спектрофотометра UV-vis (V-630, Jasco, Мадрид, Испания). PH измеряли с помощью pH-метра (Crison GLP22, Hach Lange, Loveland, CO, США). Освещенность измеряли с помощью спектрорадиометра VIS-NIR (STN-Bluewave-V, MTB, Мадрид, Испания). Концентрации ЛЖК (яблочной, уксусной и масляной кислот) в жидких образцах анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) (Varian 356-LC, Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США) с использованием детектора показателя преломления (RI). с MetaCarb 67H 300 × 6.Колонка 5 мм (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США). Температура печи составляла 65 ° C. Подвижная фаза представляла собой 0,25 мМ H 2 SO 4 при скорости потока 0,8 мл / мин. Объем газа определяли путем сброса давления из свободного пространства реактора с помощью прибора Бойля-Мариотта (3B Scientific S.L., Гамбург, Германия). Состав каждого реактора в свободном пространстве был проанализирован с использованием системы ГХ 7820A, оснащенной колонкой Poropak Q 80/100 SS 3Ft 1/8 2 мм, колонкой Poropak Q 80/100 SS 6Ft 1/8 2 мм и колонкой 6Ft 1 / 8 Колонка MolSieve 5A 60/80 SS, 2 мм, фитинг с внешним замком Люэра и детектор теплопроводности (TCD) (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США).Подвижной фазой был аргон при скорости потока 5 мл / мин. Температура печи и детектора составляла 45 и 220 ° C соответственно.

    Результаты и обсуждение

    Следующий раздел включает все результаты, полученные после изучения физиологии PPB для выбора тех условий культивирования, включая источники азота и углерода, для достижения оптимального преобразования внеклеточного источника электронов в продукцию водорода и фиксацию CO 2 .

    Обогащение смешанной культуры PPB из бытовых сточных вод

    Процесс обогащения был проведен с целью усиления роста и акклиматизации смешанной культуры PPB из бытовых сточных вод с использованием специфической среды NIR-излучения.Органическая смесь, используемая для обогащения, была выбрана на том основании, что PPB может эффективно производить водород из отходов, содержащих смешанные ЛЖК (Wu et al., 2012). Следует отметить, что оптимальное соотношение ХПК: N для эффективной ассимиляции C и N из бытовых сточных вод с помощью PPB составляет 100: 7,1 (Puyol et al., 2017b). Однако во время обычной обработки DWW питательные вещества, такие как N и P, обычно находятся в избытке (Puyol et al., 2017b). Поэтому для процесса обогащения и акклиматизации было выбрано соотношение ХПК: N 100: 13,1.После 2-недельного периода обогащения рост биомассы PPB был подтвержден посредством BChl - накопление , как обнаружено по пикам с максимальной абсорбцией при 590, 805 и 860 нм. Это ясно указывает на то, что обогащение в анаэробных условиях и источник света NIR может избирательно обогащать PPB из сточных вод и выражать свой фотосинтетический аппарат через бактериохлорофиллы (Melnicki et al., 2008).

    На рис. 2 показан пример производительности культивирования PPB в течение недельного рабочего цикла после 2-месячного периода акклиматизации.На рисунке 2А показаны спектры поглощения аликвот культур PPB, которые были взяты в различные интервалы времени в течение недельного цикла (дни 0-7). Культура PPB продуцировала и накапливала со временем BChl a , а также каротиноиды, которые естественным образом синтезируются фотосинтезирующими организмами. Спектр поглощения BChl a проявлялся в спектральном диапазоне от 560 до 930 нм с максимальными пиками при 590, 805 и 860 нм, соответственно, тогда как спектр каротиноидов проявлялся в диапазоне между 400 и 550 нм.Ранее сообщалось, что PPB продуцирует молекулы, называемые каротиноидами с открытой цепью, и включает их в свою фотосинтетическую систему, такую ​​как светособирающие комплексы и реакционный центр бактериофеофитин-хинонового типа (Niedzwiedzki et al., 2017).

    Рисунок 2 . Показатели культуры PPB в течение недельного рабочего цикла: (A) BChl a и спектры поглощения каротиноидов из-за роста PPB, (B) COD и ассимиляция NH 4 -N и концентрация PPB как VSS.

    Как показано на рисунке 2B, концентрация PPB достигла 750 мг / л в конце недельного цикла, что дает урожайность 0,75 ± 0,05 гCOD PPB / гCOD VFA . Более того, удаление COD и N культурой PPB в течение всего периода акклиматизации привело к среднему значению COD: N 100: 10, что было выше, чем оптимальное соотношение (100: 7,1), ранее сообщавшееся для бытовых сточных вод. Это высокое соотношение свидетельствует о том, что культура, обогащенная PPB, может иметь потенциал для улучшения удаления азота для достижения пределов сброса общего азота (Hülsen et al., 2014).

    Обогащенная биомасса PPB была использована в качестве инокулята для изучения образования водорода из сточных вод в присутствии и в отсутствие электрода в качестве донора электронов.

    Влияние источника азота на производство биологического водорода PPB

    Производство водорода в условиях азотфиксации описывается уравнением (1), где молекулярный азот (N 2 ) превращается в аммиак (NH 3 ), а протоны (H + ) в водород (H 2 ) ( Rey et al., 2007).

    N2 + 8e- + H ++ 16ATP → 2Nh4 + h3 + 16ADP + 16Pi (1)

    Биологические эксперименты были проведены с целью получения оптимальных биологических условий для максимального увеличения производства водорода при минимизации выбросов CO. 2 . Наш первый подход заключался в анализе зависимости производства биогидрогена от азотного субстрата при различных концентрациях с использованием трех разных источников азота (аммоний, глутамат и газообразный азот) и яблочной кислоты в качестве модельного субстрата органического углерода. Интересно, что глутамат увеличивал скорость роста PPB в 2 раза по сравнению с газообразным аммонием или азотом (см. Рисунок S1 в дополнительной информации).Это также показано в Таблице 2, где включены кинетические параметры метаболизма PPB.

    Таблица 2 . Сравнение производства H 2 при различных источниках азота и углерода.

    Анализ биоводорода выявил интересную корреляцию водорода с соотношением ХПК: N. Таким образом, производство водорода увеличилось (451 ± 2,1 мл H 2 / л), когда NH 4 Cl использовался в качестве неорганического азота при соотношении ХПК: N 100: 3,75. Напротив, очень небольшое количество водорода было произведено при более высоких концентрациях NH 4 Cl (COD: N 100: 7.5 и 100: 15) были протестированы (рис. 3A; таблица 2) с 95% доверительной вероятностью, совпадающей с нулевым значением. Фактически это указывает на то, что в этих условиях нельзя статистически отбросить нулевое производство водорода. Это согласуется с результатами, о которых сообщалось ранее, о том, что высокая концентрация NH 4 Cl ингибирует функцию фермента нитрогеназы PPB, что приводит к снижению производства водорода (Kim et al., 2012a). Альтернативно, газ N 2 в качестве источника азота использовали для увеличения продукции водорода в условиях фиксации азота без подавления экспрессии генов нитрогеназ.

    Рисунок 3 . Производство водорода (A) и CO 2 (B) за счет биологической активности PPB после 1 недели реакции с различными азотными субстратами и яблочной кислотой в качестве источника органического углерода. Планки погрешностей представляют собой стандартные отклонения от трех экспериментов.

    Однако было замечено, что использование газа N 2 в качестве источника азота не дает эффективного производства H 2 (Рисунок 3A; Таблица 2). Низкая производительность H 2 (0.12 ± 0,05 млH 2 / л · ч), наблюдаемые в этом эксперименте, вероятно, были связаны с более высокой потребляемой энергией для процесса (16 АТФ на моль водорода, произведенного в случае фиксации азота, по сравнению с 4 АТФ на моль водорода, произведенного в случае образования водорода без фиксации азота в нитрогеназе; McKinlay and Harwood, 2010). Кроме того, дополнительному расходу восстановителей для проведения азотфиксации для гетеротрофного роста можно противодействовать увеличением потребления произведенного H 2 в режиме автотрофного роста.Отсутствие эволюции CO 2 в экспериментах N 2 подтвердило такую ​​гипотезу. Культура PPB может использовать H 2 , полученный во время фиксации N 2 , для повторной фиксации в цикле Кальвина-Бенсона-Бассема (цикл Кальвина, CBB) CO 2 , образующегося во время ассимиляции яблочной кислоты. Анализ влияния внешнего источника электронов (например, от катода) пролил бы свет на этот нерешенный вопрос и открыл бы возможности для дальнейших исследований.

    Наконец, результаты показали, что культура PPB продуцирует большое количество водорода при использовании глутамата натрия в качестве источника органического азота (300–423 мл вод. Ст. 2 / л, таблица 2). Na-глутамат усиливает рост PPB и скорость образования водорода (2,1–2,7 млH 2 / лч). Результаты этого исследования согласуются с данными других исследователей, которые показали, что глутамат натрия увеличивает выработку водорода без ингибирования фермента нитрогеназы (Melnicki et al., 2008; Assawamongkholsiri and Reungsang, 2015).Это связано с тем, что органический азот может непосредственно ассимилироваться в белки, и для производства аминокислот требуется менее сложная метаболическая активность по сравнению с неорганическими источниками (Merugu et al., 2010).

    Учитывая концентрацию глутамата натрия, результаты показали, что продукция H 2 (млH 2 / л), а также скорость его производства увеличивались по мере увеличения концентрации органического азота, достигая максимального образования H 2 при ХПК: Соотношение N 100: 15 (Рисунок 3A; Таблица 2).Более того, стоит отметить, что производство CO 2 снижалось по мере увеличения концентрации Na-глутамата (Рисунок 3B). Таким образом, использование глутамата натрия при соотношениях ХПК: N 100: 3,75, 100: 7,5 и 100: 15 привело к продукции 74,2 ± 11,6, 35,7 ± 30,7 и 11,8 ± 16,0 мLCO 2 / л. соответственно. PPB, которые растут на окисленных органических субстратах (в виде яблочной кислоты), производят CO 2 из-за окисления этих субстратов. Высвободившийся CO 2 затем может быть закреплен через цикл Кальвина-Бенсона-Бассема (цикл Кальвина) в клеточном материале в качестве процесса акцептирования электронов (McKinlay and Harwood, 2010).Эта фиксация CO 2 через цикл Кальвина позволила PPB принимать избыток электронов и поддерживать окислительно-восстановительный баланс и избавляться от лишних электронов, которые генерируются при использовании дополнительного углерода, включенного в Na-глутамат. Следовательно, более высокая концентрация Na-глутамата в среде может привести к большей фиксации CO 2 и более низкой эмиссии.

    Следует подчеркнуть, что снижение уровней NH 4 Cl, (соотношение 100: 3,75) привело к высокому образованию водорода (рис. 3A) за счет минимизации ингибирующего действия этого соединения на активность нитрогеназы.Напротив, такие же условия привели к значительному выбросу CO 2 (56,7 ± 1,9 мLCO 2 / л). Кроме того, глутамат натрия в соотношении 100: 15 может способствовать активности PPB в отношении ассимиляции азота. В заключение, на основании вышеизложенного, Na-глутамат при соотношении ХПК: N 100: 15 был выбран в качестве оптимальных условий культивирования для максимального производства H 2 с минимальным выбросом CO 2 .

    PPB можно культивировать в биоэлектрохимических условиях

    Учитывая важность внутренней рециркуляции электронов, активная модификация потоков электронов путем искусственного добавления электронов с применением электрохимической технологии может потенциально повысить активность PPB и привести к оптимальному производственному процессу H 2 .В этом смысле была исследована биоэлектрохимическая способность взаимодействия между PPB и графитовым электродом, при этом особо подчеркивалась ситуация, когда графитовый электрод ведет себя как донор электронов для PPB (установка потенциала графитового электрода на -0,5 В) с целью увеличения PPB. активность метаболических путей за счет подачи электрического тока. Таким образом, это исследование было сосредоточено на анализе биоэлектрохимического устройства на основе PPB, использующего яблочную кислоту в качестве органического источника и глутамат натрия в качестве источника азота, по сравнению с безэлектродными биологическими системами.

    На рис. 4 представлены циклические вольтамперограммы (ЦВА) биоэлектрохимической системы, а также графитового электрода без покрытия в качестве контрольного электрохимического процесса в различные интервалы времени в течение еженедельной работы. Электрохимическое поведение голого графитового электрода в культуральной среде не проявляет электрокаталитического поведения во всем исследуемом диапазоне потенциалов (от -0,8 до 0,8 В). Как видно на рисунке 4, циклические вольтамперограммы для чистого графитового электрода (электрохимический абиотический контроль) не имеют восстановительных токов, которые можно отнести к предварительному выделению водорода или восстановлению яблочной кислоты.Как и ожидалось, в отсутствие PPB были обнаружены только емкостные токи, типичные для неизолированного графитового электрода (идеально поляризуемый электрод, Bard and Faulkner, 2001). Только небольшие положительные токи наблюдались при более изученных положительных потенциалах, 0,8 В (по сравнению с Ag / AgCl), вероятно, из-за небольшого окисления водой и окисления поверхности графита. На рис. 4 показаны циклические вольтамперограммы для биоэлектрохимической системы в течение первых 24 часов, которые очень похожи на графитовый электрод без покрытия. Наблюдались только изменения емкостных токов, демонстрируя более высокое значение межфазной псевдоемкости в биоэлектрохимических условиях, что позволяет предположить модификацию поверхности электрода за счет прикрепления бактерий.Сразу после инокуляции не образуется значительной электроактивной биопленки, но присутствие бактерий на границе раздела увеличивает межфазную псевдоемкость. Вероятно, это было связано с очень низким количеством биомассы PPB, существовавшей в начале (время 0 ч) эксперимента (0,01 гVSS / л).

    Рисунок 4 . Циклические вольтамперограммы в различные интервалы времени во время биоэлектрохимической (красная линия) и контрольной электрохимической операции (синяя линия).

    После 48 ч поляризации электрода при -0.При напряжении 5 В (относительно Ag / AgCl) циклические вольтамперограммы выявили электроактивность биопленки PPB, взаимодействующей с поверхностью графитового электрода. Эти результаты свидетельствуют о том, что PPB начал взаимодействовать с рабочим электродом, когда в катодной камере присутствовало достаточное количество биомассы (0,1 гСС / л) и яблочной кислоты в качестве источника углерода (рис. 5A). На рисунке 4C можно наблюдать, как ток увеличивался в корреляции с увеличением потенциала выше 0,4 В. Этот результат указывает на то, что биопленка PPB использовала электрод в качестве акцептора электронов, вероятно, для окисления яблочной кислоты.Этот замечательный результат указывает на использование PPB для анодного окисления в применениях MET. Менее заметное изменение тока в области отрицательного потенциала (от -0,2 до -0,8 В) начинает развиваться через 48 часов. На рисунке 4D отрицательные токи в области потенциала от -0,2 до -0,8 В приводят к явному отрицательному признаку, указывающему на процессы, связанные с взаимодействием PPB с графитовым электродом в качестве донора электронов. Детальный анализ циклических вольтамперограмм через 72 и 96 часов позволяет предположить наличие двух процессов, ответственных за отрицательную характеристику между -0.2 и -0,8 В. Можно выделить два процесса: (а) между -0,2 и -0,4 В наблюдается устойчивое увеличение отрицательного тока (по абсолютной величине), и (б) около -0,6 В наблюдается резкое изменение наклона отрицательного тока, указывающее на возникновение второго процесса. В наших экспериментах электрод был поляризован при -0,5 В, потенциал, позволяющий исследовать первый восстановительный процесс из электроактивного PPB. Наконец, стоит отметить, что после истощения яблочной кислоты в среде через 170 часов (рис. 5A) величина окислительно-восстановительных реакций изменилась (рис. 4F), демонстрируя электрохимическое поведение, аналогичное поведению времени 0 часов, и предполагая низкая электроактивность культуры БПБ.

    Рисунок 5 . Культивирование PPB в биоэлектрохимических условиях при -0,5 В (по сравнению с Ag / AgCl) (A) Удаление яблочной кислоты и рост PPB и (B) производство H 2 , N 2 и CO 2 .

    Влияние источника углерода на биологическое производство водорода с помощью PPB

    Биологическое производство водорода PPB было изучено путем тестирования различных источников органического углерода, таких как яблочная кислота, масляная кислота и уксусная кислота, с использованием глутамата натрия в качестве оптимального источника азота при соотношении ХПК: N 100: 15.Результаты показали, что культура PPB была способна ассимилировать все органические кислоты, испытанные в отношении роста биомассы, а также производства водорода. Максимальная скорость роста PPB (7,56 мгVSS / лч) была получена при использовании яблочной кислоты по сравнению с масляной (3,23 мгVSS / лч) и уксусной кислотой (3,96 мгVSS / лч; таблица 2). Вследствие более высокой ассимиляции C, ассимиляция N бактериями (в виде белков) также была усилена при использовании яблочной кислоты, давая продукцию SCP 874 мг / л по сравнению с 621 и 346 мг / л, полученными с уксусной и масляной кислотой. кислоты соответственно.Было замечено, что при использовании яблочной кислоты в качестве источника углерода достигается наивысшее образование водорода (H 2_max , млH 2 / л) и самая высокая производительность H 2 (H 2_rate , млH 2 / л). Lh; таблица 2). Яблочная кислота широко используется в качестве оптимального источника углерода для производства H 2 , вероятно, из-за ее способности напрямую вступать в цикл трикарбоновых кислот (Melnicki et al., 2008; Kim et al., 2012b; Assawamongkholsiri and Reungsang, 2015). Другие доказательства, подтверждающие, что яблочная кислота является оптимальным органическим веществом для производства водорода, приведены во вспомогательной информации.

    Экспериментальные результаты, полученные в результате биологического исследования (безэлектродного) производства водорода, показали, что комбинация яблочной кислоты и Na-глутамата была оптимальной для максимизации производства водорода PPB. Эффективность продукции H 2 из смешанной культуры PPB, обогащенной в этом исследовании, сравнима с эффективностью предыдущих исследований, в которых использовались чистые или смешанные культуры PPB (Таблица 3). В заключение следует отметить, что высокие показатели продуцирования H 2 , достигнутые в этом исследовании, показали, что смешанная культура PPB потенциально может быть использована для практического применения в производстве H 2 во время процессов очистки сточных вод.Это поддерживает использование яблочной кислоты и глутамата натрия в качестве источников углерода и азота для биоэлектрохимического производства H 2 .

    Таблица 3 . Сравнение скорости производства водорода разными культурами и системами с исследованной в настоящей работе.

    Влияние биоэлектрохимического донора электронов на PPB для производства водорода и фиксации CO

    2

    Результаты показали, что биоэлектрохимический процесс PPB привел к аналогичной производительности H 2 и выходу водорода (Таблица 2) по сравнению с биологическим процессом PPB в тех же условиях.Однако было замечено, что после 1 недели биоэлектрохимической реакции PPB зафиксировал все количество CO 2 , которое было произведено в течение первых 50 часов (Рисунок 5B). Это привело к нулевому выбросу CO 2 по сравнению с биологическим процессом PPB (см. Вспомогательную информацию, рисунок S2), который произвел в среднем 11,8 ± 16,0 mLCO 2 / л после 1 недели биологического процесса (рисунок 3B). Впоследствии результаты показали, что фиксация CO 2 была основным механизмом метаболизма PPB, который принимал электроны от биокатода.Это согласуется с отрицательными значениями тока, наблюдаемыми во время биоэлектрохимического процесса, предполагая, что может происходить потребление электронов из-за активности PPB (Рисунок 6).

    Рисунок 6 . Текущая эволюция в ходе биоэлектрохимических и абиотических электрохимических реакций.

    На рисунке 5 показаны ассимиляция яблочной кислоты, рост PPB и эволюция производства газа во время биоэлектрохимического процесса. Биоэлектрохимическая установка показала, что PPB может эффективно использовать графитовый электрод в качестве донора электронов (Рисунки 4C-48 h, D -72 h и E -96 h) и, следовательно, снижать уровни CO 2 .Фиксация углекислого газа не обнаруживается при таком большом расширении, когда система работала без электрода (см. Вспомогательную информацию, рисунок S2). Фиксация углекислого газа, по-видимому, происходит в основе первого восстановительного процесса года , обнаруженного между -0,2 и -0,6 В. Дополнительный источник электронов, обеспечиваемый электродом, способствовал фиксации диоксида углерода PPB сверх стандартной активности этого рода бактерий в отсутствие электроды при ограниченной доступности электронов.

    Хорошо известно, что графитовые электроды и, как правило, углеродные электроды, демонстрируют высокий перенапряжение для выделения водорода и восстановления двуокиси углерода (Sullivan et al., 1993; Дюбуа, 2006; Yang et al., 2016) и, следовательно, плохие электрокаталитические свойства. Стандартный электродный потенциал для восстановления диоксида углерода до муравьиной и щавелевой кислот составляет -0,199 и -0,590 В (Sullivan et al., 1993; Eggins et al., 1998; DuBois, 2006; Yang et al., 2016), соответственно. Эти значения указаны в шкале SHE, и, учитывая, что мы работаем в растворах с pH = 7 и эталонной шкале Ag / AgCl (примерно 0,2 В относительно SHE), стандартный электродный потенциал необходимо пересчитать в соответствии с уравнением Нернста. .Уравнение Нернста дает равновесный потенциал -0,716 В для формиата и -0,790 В в случае оксалата по сравнению с Ag / AgCl. В любом случае, эти электродные потенциалы более отрицательны, чем -0,5 В по сравнению с Ag / AgCl, значением потенциала, используемым в этом исследовании. Кроме того, это значения термодинамического потенциала. Сообщалось о восстановлении диоксида углерода на графитовых электродах при потенциалах более отрицательных, чем -0,9 В, по сравнению с Ag / AgCl (Eggins et al., 1998). Собственно, этот факт четко прослеживается на контрольных электрохимических вольтамперограммах, представленных на рисунке 4.Циклическая вольтамперограмма, соответствующая голому графитовому электроду в том же растворе, но в отсутствие PPB, отображает классическую вольтамперограмму идеально поляризованного электрода, где нет значительных фарадеевских токов во всем исследованном диапазоне потенциалов (от 0,8 до -0,8 В), как и следовало ожидать. В отсутствие PPB на границе раздела электродов обнаруживается только псевдоемкостное электрохимическое поведение. Что касается предыдущих аргументов, от электрохимического восстановления диоксида углерода на голом графитовом электроде можно отказаться, и единственный вклад метаболизма PPB может объяснить потребление диоксида углерода.

    Напротив, при -0,5 В способность производства водорода биоэлектрохимической системой была сравнима с показателем PPB в отсутствие электрода, и в этом процессе электродный потенциал не наблюдался. Происхождение второго биоэлектрохимического процесса, развивающегося ниже -0,6 В, который можно условно отнести к производству водорода, потребует дальнейшего исследования, выходящего за рамки данной работы. Продемонстрирована возможность использования ППБ в качестве донора электронов графитового электрода.Дополнительный источник донора электронов может использоваться более чем в одном метаболическом пути. Поляризация электрода при -0,5 В позволяет PPB использовать электрод для фиксации углерода, почти не накапливая углекислый газ, в отличие от безэлектродной биологической системы. Это первое исследование, показывающее, что электроактивный захват CO 2 PPB возможен.

    Наконец, производство SCP, достигаемое PPB во время биоэлектрохимического процесса (81% mgSCP / mgVSS), было аналогично тому, которое наблюдалось при росте PPB в отсутствие электродов.Следовательно, биоэлектрохимический процесс, по-видимому, не влиял на выход белков в испытанных экспериментальных условиях.

    Выводы

    В этой работе проанализированы оптимальные условия культивирования для максимального увеличения производства водорода смешанной культурой пурпурных фототрофных бактерий. Кроме того, было исследовано влияние отрицательно поляризованного биоэлектрохимического устройства на изменение поведения культуры с точки зрения метаболических сдвигов и потребления тока.Основные выводы, извлеченные из этой работы, представлены ниже:

    - Среди всех условий, испытанных при отсутствии электродов, наилучшие результаты по производству водорода были достигнуты при использовании яблочной кислоты в качестве источника углерода (вместо уксусной и масляной) и глутамата натрия в качестве источника азота (вместо аммония и диазота). газ) при соотношении ХПК / Н 100/15. В этих условиях производство CO 2 также было минимизировано.

    - Циклические вольтамперограммы биоэлектрохимической системы показали появление по крайней мере трех потенциалов (два отрицательных и один положительный) с четким взаимодействием между культурой PPB и электродом.Это делает очевидным высокую электроактивность культур PPB и их потенциал в качестве кандидата на микробиологический МЕТ.

    - Отрицательная поляризация электрода при -0,5 В вызвала обнаруживаемое потребление электронов, связанное с истощением произведенного диоксида углерода, что указывает на то, что культура PPB была способна использовать электроны с катода для захвата избытка C, высвобожденного в виде CO. 2 во время цикла CBB. Такое поведение ранее не наблюдалось в местной (не генетически модифицированной) культуре PPB.

    - Представленные здесь результаты показали, что дальнейшие углубленные исследования с использованием других условий (другая поляризация катода) будут чрезвычайно полезны и могут повысить производительность H 2 .

    Авторские взносы

    IV разработал и провел эксперименты и написал рукопись, AB критически рассмотрел рукопись, CM помог на экспериментальной стадии, JM критически рассмотрел рукопись, FM критически рассмотрел рукопись и руководил работой, AE-N и DP разработали эксперименты, руководил работой и исправлял рукопись.И DP, и AE-N являются авторами-корреспондентами.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    IV благодарит программу International Excellence Campus Smart Energy Program (CEISEP) за постдокторскую стипендию. Выражается признательность за финансовую поддержку регионального правительства Мадрида в рамках проекта REMTAVARES S2013 / MAE-2716 и Европейского социального фонда, а также Министерства экономики Испании.

    Дополнительные материалы

    Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2018.00107/full#supplementary-material

    Список литературы

    Аккосе, С., Гундуз, У., Юджел, М., и Эроглу, И. (2009). Влияние ионов аммония, ацетата и аэробных условий на продукцию водорода и уровни экспрессии генов нитрогеназ в Rhodobacter sphaeroides O.U.00. Int. J. Hydrog.Energy 34, 8818–8827. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2009.08.040

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    APHA (2005). Стандартные методы исследования воды и сточных вод . Вашингтон, округ Колумбия: Американская ассоциация общественного здравоохранения.

    Assawamongkholsiri, T., and Reungsang, A. (2015). Фотоферментационное производство водорода Rhodobacter sp. ККУ-ПС1 изолирован от реактора УАСБ. Elec. J. Biotechnol . 18, 221–230. DOI: 10.1016 / j.ejbt.2015.03.011

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Бард А. Дж. И Фолкнер Л. Р. (2001). Электрохимические методы. Основы и приложения . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons Inc.,

    Google Scholar

    Батстон, Д. Дж., Хюльсен, Т., Мехта, К. М., и Келлер, Дж. (2015). Платформы для восстановления энергии и питательных веществ из бытовых сточных вод: обзор. Химия 140, 2–11. DOI: 10.1016 / j.chemosphere.2014.10.021

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ченг, С., Xing, D., Call, D.F., и Logan, B.E. (2009). Прямое биологическое преобразование электрического тока в метан посредством электрометаногенеза. Environ. Sci. Технол . 43, 3953–3958. DOI: 10.1021 / es803531g

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дюбуа, Д. Л. (2006). «Электрохимические реакции диоксида углерода», в Encyclopaedia of Electrochemistry , eds A. J. Bard и M. Stratmann (Weinheim: Wiley-VCH), 202–225.

    Google Scholar

    Яйца, Б.Р., Браун, Э. М., О'Нил, Э. А., и Гриншоу, Дж. (1998). Фиксация углекислого газа путем электрохимического восстановления в воде до оксалата и глиоксилата. Tetrahedron Lett. 29, 945–948.

    Google Scholar

    Фулоп А., Берес Р., Тенголич Р., Рахели Г. и Ковач К. Л. (2012). Связь между PHA и водородным метаболизмом в пурпурной серной фототрофной бактерии Thiocapsa roseopersicina BBS. Int. J. Hydrog. Энергия 37, 4915–4924.DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2011.12.019

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ху, К., Чой, С. Ю., Яннис, А. (2017). Оценка систем освещения, источников углерода и бактериальных культур по фотоферментативному производству водорода. Прил. Biochem. Биотехнология . 185, 257–269. DOI: 10.1007 / s12010-017-2655-5

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хюльсен, Т., Барри, Э. М., Лу, К., Пуйоль, Д., Келлер, Дж., И Батстон, Д.J. (2016). Очистка бытовых сточных вод от пурпурных фототрофных бактерий с использованием нового фотоанаэробного мембранного биореактора непрерывного действия. Водостойкость . 100, 486–495. DOI: 10.1016 / j.watres.2016.04.061

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хантер, К. Н. (2008). Фиолетовые фототрофные бактерии . Берлин: Springer.

    Google Scholar

    Ким, М. С., Ким, Д. Х., Ча, Дж. (2012b). Условия культивирования, влияющие на продукцию h3 фототрофной бактерией Rhodobacter sphaeroides KD131. Int. J. Hydrog. Energy 37, 14055–14061. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2012.06.085

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким, М. С., Ким, Д. Х., Ча, Дж. И Ли, Дж. К. (2012a). Влияние источников углерода и азота на продукцию фотоферментативного h3, связанную с нитрогеназой, активность поглощения гидрогеназы и накопление ПОБ в Rhodobacter sphaeroides KD131. Биоресурсы. Технол . 116, 179–183. DOI: 10.1016 / j.biortech.2012.04.011

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кламт, С., Граммель, Х., Штраубе, Р., Гош, Р., и Жиль, Э. Д. (2008). Моделирование цепи переноса электронов пурпурных несерных бактерий. Мол. Syst. Биол. 4: 156. DOI: 10.1038 / msb4100191

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Коку, Х., Эроглу, И., Гундуз, У., Юджел, М., и Тюркер, Л. (2002). Аспекты метаболизма производства водорода Rhodobacter sphaeroides . Int. J. Hydrogen Energ. 27, 1315–1329. DOI: 10.1016 / S0360-3199 (02) 00127-1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Логан, Б.Э., Рабай К. (2012). Преобразование отходов в биоэлектричество и химические вещества с использованием микробных электрохимических технологий. Наука 337, 686–690. DOI: 10.1126 / science.1217412

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мас, Дж., И Ван Гемерден, Х. (1995). «Продукты хранения в пурпурных и зеленых серных бактериях», в Anoxygenic Photosynthetic Bacteria (Берлин: Springer), 973–990.

    Google Scholar

    МакКинли, Дж.Б. и Харвуд К. С. (2010). Фиксация углекислого газа как центральный механизм рециклинга редокс-кофактора в бактериях. Proc. Natl. Акад. Sci. США 107, 11669–11675. DOI: 10.1073 / pnas.1006175107

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мельницки М. Р., Бьянки Л., Де Филиппис Р. и Мелис А. (2008). Производство водорода во время стационарной фазы у пурпурных фотосинтезирующих бактерий. Int. Дж. Гидрог . Energy 33, 6525–6534.DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2008.08.041

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Меругу Р., Гиришам С. и Редди С. М. (2010). Биопроизводство водорода с помощью Rhodobacter capsulatus KU002, выделенного из сточных вод кожевенной промышленности. Int. J. Hydrog. Энергия 35, 9591–9597. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2010.06.057

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Меругу Р., Рудра М. П., Бадгу Н., Гиришам С. и Редди С. М. (2012). Факторы, влияющие на продукцию водорода пурпурной несерной фототрофной бактерией Rhodopseudomonas acidophila KU001. Microb. Biotechnol. 5, 674–678. DOI: 10.1111 / j.1751-7915.2012.00346.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Niedzwiedzki, D. M., Dilbeck, P. L., Tang, Q., Martin, E. C., Bocian, D. F., Hunter, C. N., et al. (2017). Новые сведения о фотохимии каротиноидного сфероиденона в светособирающем комплексе 2 пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides . Photosyn. Res. 131, 291–304. DOI: 10.1007 / s11120-016-0322-2

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ормерод, Дж.Г., Ормерод К. С. и Гест Х. (1961). Светозависимое использование органических соединений и фотопроизводство молекулярного водорода фотосинтезирующими бактериями; отношения с азотистым обменом. Arch. Biochem. Биофиз. 94, 449–463. DOI: 10.1016 / 0003-9861 (61)

    -X

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Озмихчи С. и Карги Ф. (2010). Производство био-водорода путем фото-ферментации сточных вод темного брожения с периодической подачей и удалением сточных вод. Int. J. Hydrog. Энергия 35, 6674–6680. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2010.04.090

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Park, T. J., Ding, W., Cheng, S., Brar, M. S., Ma, A. P. Y., Tun, H. M., et al. (2014). Микробное сообщество в среде микробных топливных элементов (MFC) и сточных водах, обогащенных пурпурной фотосинтезирующей бактерией ( Rhodopseudomonas sp.). AMB Express 4:22. DOI: 10.1186 / s13568-014-0022-2

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Поус, Н., Пуч, С., Кома, М., Балагер, М. Д., и Колприм, Дж. (2013). Биовосстановление загрязненных нитратами грунтовых вод в микробном топливном элементе. J. Chem. Technol. Biotechnol. 88, 1690–1696. DOI: 10.1002 / jctb.4020

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Пуйоль, Д., Барри, Э. М., Хюльсен, Т., и Батстон, Д. Дж. (2017b). Механистическая модель анаэробных фототрофов в бытовых сточных водах: фото-анаэробная модель (PAnM). Water Res. 116, 241–253.DOI: 10.1016 / j.watres.2017.03.022

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Пуйоль, Д., Батстон, Д. Дж., Хюльсен, Т., Асталс, С., Печес, М., и Кремер, Дж. О. (2017a). Восстановление ресурсов из сточных вод с помощью биологических технологий: возможности, проблемы и перспективы. Фронт. Microbiol. 7: 2106. DOI: 10.3389 / fmicb.2016.02106

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рей Ф. Э., Хейнигер Э. К. и Харвуд К.С. (2007). Перенаправление метаболизма на производство биологического водорода. Прил. Environ. Microbiol. 73, 1665–1671. DOI: 10.1128 / AEM.02565-06

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рю, М. Х., Халл, Н. К., Гомельский, М. (2014). Метаболическая инженерия Rhodobacter sphaeroides для улучшения производства водорода. Int. J. Hydrog. Энергия 39, 6384–6390. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2014.02.021

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сало-Ваананен, П.П. и Койвистойнен П. Е. (1996). Определение протеина в пищевых продуктах: сравнение значений чистого протеина и сырого протеина (N X 6,25). Food Chem. 51, 21–31.

    Салливан Б. П., Крист К. и Гард Х. Э. (ред.) (1993). Электрохимические и электрокаталитические реакции диоксида углерода. Амстердам: Эльзевир.

    Google Scholar

    Тауфик А., Эль-Бери Х., Кумари С. и Букс Ф. (2014). Использование смешанных культур бактерий для фотоферментации водородных стоков темного брожения. Биоресурсы. Technol. 168, 119–126. DOI: 10.1016 / j.biortech.2014.03.065

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Техедор, С., Баччетти де Грегорис, Т., Салас, Дж. Дж., Пастор, Л., и Эстев-Ню-эз, А. (2016). Интеграция микробной электрохимической системы в классическую конфигурацию очистки сточных вод для удаления азота из сточных вод с низким ХПК. Environ. Sci. Water Res. Technol. 2, 884–896. DOI: 10.1039 / C6EW00100A

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Варфоломеев, С.Д. (1992). Биоэлектросинтез как альтернатива фотосинтезу. Прил. Biochem. Biotechnol. Энц. Engin. Biotechnol. 33, 145–155. DOI: 10.1007 / BF02950783

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Василиаду И. А., Циоциос Г. и Вайенас Д. В. (2008). Кинетическое исследование комбинированного аэробного биологического удаления фенола и нитратов в периодических суспендированных культурах. Int. Биодетериор. Биодеград. 61, 261–271. DOI: 10.1016 / j.ibiod.2007.09.002

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Verstraete, W., Ван де Кавай, П., и Диамантис, В. (2009). Максимальное использование ресурсов, имеющихся в бытовой «использованной воде». Биоресурсы. Technol. 100, 5537–5545. DOI: 10.1016 / j.biortech.2009.05.047

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ву, Т. Ю., Хэй, Дж. Х. У., Конг, Л. Б., Хуан, Дж. К., и Джахим, Дж. М. Д. (2012). Последние достижения в повторном использовании отходов в качестве субстрата для производства биогидрогена пурпурными несерными бактериями. Renew Sustain Energy Rev. 16, 3117–3122. DOI: 10.1016 / j.rser.2012.02.002

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Xing, D., Zuo, Y., Cheng, S., Regan, J.M, and Logan, B.E. (2008). Производство электроэнергии Rhodopseudomonas palustris DX-1. Environ. Sci. Technol. 42, 4146–4151. DOI: 10.1021 / es800312v

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    19.2A: Бактерии - Биология LibreTexts

    1. Последнее обновление
    2. Сохранить как PDF
    1. Свойства бактерий
    2. Классификация бактерий
    3. Грамположительные бактерии
      1. Firmicutes
        1. Грамположительные палочки
        2. Микоплазмы
        3. Сколько генов нужно для создания организма?
      2. Актинобактерии
      3. Микобактерии и коринебактерии
    4. Грамотрицательные бактерии
      1. Протеобактерии
        1. Альфа (α) Протеобактерии.
        2. Бета (β) Протеобактерии
        3. Гамма (γ) Протеобактерии
        4. Дельта (δ) Протеобактерии
        5. Эпсилон (ε) Протеобактерии
      2. Bacteroidetes
      3. Chlamydiae
      4. Цианобактерии
      5. (сине-зеленые водоросли) и Атрибуция

      Бактерии - это микроскопические организмы, отдельные клетки которых не имеют ни ядра, заключенного в мембрану, ни других органелл, заключенных в мембрану, таких как митохондрии и хлоропласты.Другая группа микробов, архей, соответствует этим критериям, но настолько отличается от бактерий в других отношениях, что у них, должно быть, была долгая независимая эволюционная история с самого начала жизни. Фактически, существует множество доказательств того, что вы более тесно связаны с археями, чем они с бактериями!

      Свойства бактерий

      • прокариот (без мембранных ядер)
      • без митохондрий или хлоропластов
      • одиночная хромосома
        • замкнутый круг двухцепочечной ДНК
        • без ассоциированных гистонов
      • Если жгутики присутствуют, они состоят из единой нити белка флагеллина ; нет ни одной из «9 + 2» тубулинсодержащих микротрубочек эукариот.
      • Рибосомы отличаются по своей структуре от структур эукариот.
      • Имеют жесткую клеточную стенку из пептидогликана .
      • Плазматическая мембрана (у грамположительных бактерий) и обе мембраны у грамотрицательных бактерий представляют собой бислои фосфолипидов, но не содержат холестерина или других стероидов.
      • Без митоза
      • В основном бесполое размножение
      • Любое половое размножение сильно отличается от такового у эукариот; нет мейоза
      • Многие бактерии образуют одну спору , когда их пищевые запасы истощаются.Большая часть воды удаляется из спор, и метаболизм прекращается. Споры настолько устойчивы к неблагоприятным условиям сухости и температуры, что могут оставаться жизнеспособными даже после 50 лет покоя.

      Классификация бактерий

      До недавнего времени классификация производилась на основе таких признаков, как:

      • форма
        • бациллы : палочковидные
        • кокки : сферические
        • спирилла : изогнутые стенки
      • способность образовывать споры
      • способ производства энергии (гликолиз для анаэробов, клеточное дыхание для аэробов)
      • потребности в питании
      • реакция на окрашивание по Граму

      Рисунок 19.2.1.1 Грамположительные и отрицательные бактерии

      Грамположительные бактерии заключены в плазматическую мембрану, покрытую толстой стенкой из пептидогликана. Грамотрицательные бактерии заключены в тройной слой. Самый внешний слой содержит липополисахарид (ЛПС).

      • Бактериальные клетки сначала окрашиваются пурпурным красителем, называемым кристаллическим фиолетовым.
      • Затем препарат обрабатывают спиртом или ацетоном.
      • Смывает краситель с грамотрицательных клеток .
      • Чтобы увидеть их сейчас, необходимо использовать контрастное пятно другого цвета (например, розовый сафранин).
      • Бактерии, которые не обесцвечиваются при промывании спиртом / ацетоном, являются грамположительными .

      Хотя окраска по Граму может показаться произвольным критерием для использования в бактериальной таксономии, на самом деле она действительно различает два принципиально разных типа стенок бактериальных клеток и отражает естественное разделение бактерий. Совсем недавно секвенирование генома, особенно их 16S рибосомной РНК (рРНК), дало дополнительные сведения об эволюционных взаимоотношениях между бактериями.

      грамположительные бактерии

      Firmicutes

      Сравнение их секвенированных геномов показывает, что все грамположительные палочки и кокки, а также микоплазмы принадлежат к одной кладе, получившей название Firmicutes.

      грамположительные палочки

      аэробные грамположительные палочки

      • Bacillus anthracis / cereus / thuringiensis . Эти организмы различаются в основном содержащимися в них плазмидами.
      • Б.anthracis вызывает сибирскую язву . В настоящее время биологический агент одобрен террористами. Две его плазмиды содержат гены, необходимые для синтеза
        • капсулы, которая (как и у пневмококков) делает ее устойчивой к фагоцитозу
        • трем компонентам токсина , который вызывает симптомы заболевания
      • B. thuringiensis - организм, его токсин и даже ген (также кодируемый плазмидой) токсина используются в качестве средств биоконтроля против множества насекомых-вредителей.
      • Bacillus subtilis . Обычная почвенная бактерия. Его хромосома содержит 4 214 814 п.н. ДНК, кодирующих 4 100 генов.
      • Lactobacillus . Несколько видов используются для превращения молока в сыр, масло и йогурт.

      Анаэробные грамположительные палочки

      • Clostridium tetani . Клостридии - облигатные анаэробы, образующие споры. Споры C. tetani широко распространены в почве и часто попадают в организм через раны.Колотые раны (например, осколками или гвоздями) особенно опасны, поскольку они создают анаэробные условия, необходимые для прорастания спор и роста бактерий.

        C. tetani высвобождает токсин , который блокирует высвобождение передатчика (путем разрушения необходимых SNARE) в тормозных синапсах в спинном и головном мозге. Это препятствует взаимному подавлению антагонистических пар скелетных мышц, поэтому жертва страдает сильными мышечными спазмами. К счастью, болезнь, называемая столбняком - , сейчас редко встречается в развитых странах благодаря почти всеобщей иммунизации против токсина.Химическое изменение токсина приводит к образованию токсоида , который все еще сохраняет эпитопы токсина. Включенный в вакцину, анатоксин обеспечивает относительно длительный (~ 10 лет) иммунитет против столбняка.

      Рисунок 19.2.1.2 Strep

      Бактерии этой группы растут характерными колониями.

      Микоплазмы

      Микоплазмы отличаются тем, что они являются самыми маленькими живыми организмами. Они настолько малы (0,1 мкм), что их можно увидеть только в электронный микроскоп.Микоплазмы - облигатные паразиты; то есть они могут жить только в клетках других организмов. Вероятно, они являются потомками грамположительных бактерий, которые потеряли свою пептидогликановую стенку, а также большую часть своего генома - теперь это зависит от генных продуктов их хозяина.

      Определены последовательности ДНК полных геномов семи микоплазм, в том числе

      • Mycoplasma genitalium имеет 580 073 пары оснований ДНК, кодирующих 525 генов (485 для белков; остальные для РНК).
      • Mycoplasma urealyticum содержит 751 719 пар оснований ДНК, кодирующих 651 ген (613 для белков; 39 для РНК).
      • Mycoplasma pneumoniae имеет 816 394 пары оснований ДНК, кодирующих 679 генов.
      Сколько генов нужно, чтобы создать организм?

      Ученые из Института геномных исследований (теперь известного как Институт Дж. Крейга Вентера - JCVI), которые определили последовательность Mycoplasma genitalium , последовали этой работе, систематически уничтожая ее гены (путем их мутации с помощью вставок), чтобы увидеть какие из них необходимы для жизни, а какие нет.Они пришли к выводу, что из 485 генов, кодирующих белок, только 381 из них необходимы для жизни.

      Сотрудникам JCVI также удалось синтезировать полный геном одного вида микоплазмы, вставить его во второй вид, который превратил второй вид в первый.

      Актинобактерии

      Большинство из этих грамположительных организмов растут в виде тонких нитей - как плесень - а не в виде отдельных клеток. На самом деле, они долгое время считались грибами и назывались актиномицетами.Но грибы - это эукариоты, а актинобактерии - нет.

      Актинобактерии доминируют в микробной жизни почвы, где они играют важную роль в разложении мертвого органического вещества. Многие из них оказались источником ценных антибиотиков, включая стрептомицин, эритромицин и тетрациклины.

      Микобактерии и коринебактерии

      Эти грамположительные организмы тесно связаны с актинобактериями и часто классифицируются вместе с ними. Они включают три важных патогена человека:

      • Mycobacterium tuberculosis является возбудителем туберкулеза (ТБ).По оценкам, в 2007 году туберкулез унес жизни 2 миллионов человек. В идеальных условиях одна бактерия может вызвать инфекцию. Больные СПИДом особенно подвержены риску.

        Его геном содержит 4 411 532 п.н. ДНК, кодирующих около 3 959 генов.

      • Mycobacterium leprae вызывает проказу. Его геном содержит 3268203 п.н. ДНК, кодирующих только 1604 гена.

        Хотя он является близким родственником M. tuberculosis (у них 1 439 генов), большая часть его ДНК кодирует псевдогены, гены, которые больше не производят функциональный продукт. M. leprae - облигатный внутриклеточный паразит; его никогда не культивировали in vitro. Вероятно, это связано с тем, что он отказался от многих генов, необходимых для независимого существования, предпочтя вместо этого зависеть от генов своей клетки-хозяина.

      • Corynebacterium diphtheriae вызывает дифтерию. Как и при столбняке, опасен не рост организма (в горле), а выделяемый им токсин. Токсин является продуктом латентного бактериофага в бактерии.Он катализирует инактивацию фактора, необходимого для добавления аминокислот к полипептидной цепи, синтезируемой на рибосоме. Совершенно очевидно, что токсин не оказывает такого воздействия на механизм трансляции бактерий (или хлоропластов и митохондрий).

        Обработка токсина формальдегидом превращает его в безвредный анатоксин . Иммунизация этим анатоксином - обычно включаемым вместе со столбнячным анатоксином и антигенами коклюша в «тройную вакцину» (АКДС) - защищает от болезни.

      Грамотрицательные бактерии

      Протеобактерии

      Эта большая группа бактерий образует кладу, имеющую родственные последовательности рРНК. Все они грамотрицательные , но бывают любой формы (палочки, кокки, спириллы). Далее они подразделяются на 5 клад: альфа-, бета-, гамма-, дельта- и эпсилон-протеобактерии.

      Альфа (α) протеобактерии.

      Некоторые примеры:

      • Rickettsias . Эти бактерии слишком малы, чтобы их можно было хорошо рассмотреть под световым микроскопом.Почти все являются облигатными внутриклеточными паразитами. Это означает, что они могут расти и воспроизводиться только в живых клетках своего хозяина - определенных членистоногих (клещей, клещей, вшей, блох) и млекопитающих.
        • Rickettsia prowazekii вызывает тиф , когда передается человеку от вшей.
        • Пятнистая лихорадка Скалистых гор - это риккетсиоз, передающийся клещами.
        Митохондрии эукариот, вероятно, произошли от эндосимбиотических бактерий.Из-за сходства геномов риккетсии могут быть ближайшими родственниками предков митохондрий.
      • Ризобия . Эти бактерии живут в мутуалистических отношениях с корнями бобовых, где они способны «фиксировать» азот (N 2 ) в воздухе в соединения, которые могут использоваться живыми существами.
      • Magnetospirillum magnetotacticum
      • Agrobacterium tumefaciens
      Бета (β) протеобактерии
      • Серные бактерии .

        Некоторые бесцветные бактерии обладают способностью хлорофилл-содержащих организмов производить углеводы из неорганического сырья, но они не используют для этого световую энергию. Эти так называемые хемоавтотрофные бактерии обеспечивают необходимую энергию, окисляя некоторые восстановленные вещества, присутствующие в их окружающей среде. Свободная энергия, выделяемая при окислении, используется для производства продуктов питания.

        Например, некоторые хемоавтотрофные серные бактерии окисляют H 2 S в своем окружении (например,g., вода серных источников) для производства энергии:

        2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O; ΔG = -100 ккал

        Затем они используют эту энергию для восстановления углекислого газа до углеводов (как фотосинтезирующие пурпурные серные бактерии)

      2H 2 S + CO 2 → (CH 2 O) + H 2 O + 2S

      • Железобактерии .

        Эти хемоавтотрофы ответственны за образование коричневатого налета внутри баков туалетов со смывом.Они завершают окисление частично окисленных соединений железа и способны связывать произведенную энергию с синтезом углеводов.

      • Nitrosomonas

        Этот хемоавтотроф окисляет NH 3 (продуцируемый из белков бактериями гниения) до нитритов (NO 2 - ). Это дает энергию для запуска их анаболических реакций. Затем нитриты превращаются (другими нитрифицирующими бактериями) в нитраты (NO 3 - ), которые обеспечивают потребности растений в азоте.

      • Три важных патогена человека среди β-протеобактерий.
        • Neisseria meningitidis .

          Вызывает менингококковый менингит, чрезвычайно серьезную инфекцию мозговых оболочек, которая иногда встречается у очень маленьких детей и в военных лагерях. Есть вакцина, которая эффективна против нескольких штаммов, но, к сожалению, не от самого опасного.

        • Neisseria gonorrhoeae .Вызывает гонорею , одно из наиболее распространенных заболеваний, передающихся половым путем ( ЗППП, ): в 2009 году в США было зарегистрировано более 300000 случаев. У мужчин бактерия проникает в уретру, вызывая выделение гноя и часто оседает в предстательная железа и придаток яичка. У женщин он распространяется от влагалища к шейке матки и маточным трубам. Если инфекцию не лечить (обычно эффективен пенициллин, хотя сейчас встречаются штаммы, устойчивые к нему), возникающее в результате повреждение маточных труб может затруднить прохождение яиц и, таким образом, вызвать бесплодие.
        • Bordetella pertussis ; причина «коклюша».
      Гамма (γ) Proteobacteria

      Самая большая и самая разнообразная подгруппа протеобактерий.

      Некоторые примеры

      • Escherichia coli . Наиболее тщательно изученное из всех существ (возможно, кроме нас самих). Его геном был определен до последнего нуклеотида: 4639221 пара оснований ДНК, кодирующая 4377 генов.Живет в толстой кишке человека, как правило, безвредно. Однако вода или недоваренная пища, загрязненная штаммом O157: H7 , вызвала тяжелые, а иногда и смертельные, инфекции.
      • Salmonella enterica . Два основных патогена человека:
        • Salmonella enterica var Typhi . Вызывает брюшной тиф - серьезную системную инфекцию, встречающуюся только у людей. Этот микроб также известен как Salmonella typhi .
        • Salmonella enterica var Typhimurium . Ограниченный кишечником, это частая причина желудочно-кишечных расстройств человека, но также встречается у многих других животных (которые часто являются источником инфекции человека). Также известен как Salmonella typhimurium .
      • Холерный вибрион . Вызывает холеру, одно из самых разрушительных кишечных заболеваний. Бактерии выделяют токсин, вызывающий сильную диарею (10–15 литров в день) и потерю солей.Если воду и соли не заменить быстро, пострадавший может умереть (от шока) через несколько часов. Как и другие кишечные заболевания, холера передается при приеме пищи или, чаще, воды, зараженной бактериями.
      • Pseudomonas aeruginosa . Обычный обитатель почвы и воды, он может вызывать серьезные заболевания у людей с
        • дефектной иммунной системой
        • серьезные ожоги
        • муковисцидоз
        Часто встречается в больницах и устойчив к большинству антибиотиков и дезинфицирующих средств.
      • Yersinia pestis . Эта палочка вызывает бубонную чуму . Обычно он передается человеку при укусе зараженной блохи. По мере того, как он распространяется на лимфатические узлы, он вызывает их сильное опухание, отсюда и название «бубонная» (бубонная - опухоль лимфатического узла) чума. Однако, попав в легкие, бактерии могут распространяться по воздуху, вызывая быстро смертельную (2–3 дня) «легочную» чуму. При отсутствии лечения ~ 30% случаев бубонной чумы заканчиваются летальным исходом, а показатель легочной формы достигает 100%.Периодические эпидемии «черной смерти» в Европе в 1347–1351 годах, унесшие жизни не менее 30% населения, были вызваны этим организмом. Секвенирование ДНК образцов, извлеченных из тел жертв чумы той эпохи, подтверждает этот диагноз. Хотя в этом столетии не было серьезных эпидемий, угроза еще не полностью устранена. Yersinia pestis все еще процветает в некоторых популяциях грызунов на западе США и ежегодно вызывает около десятка случаев человеческой чумы - в основном среди охотников на мелкую дичь.
      • F rancisella tularensis вызывает туляремию . В первую очередь это болезнь мелких млекопитающих, но ежегодно в Соединенных Штатах заражается около 100 человек. Большинство случаев происходит в южно-центральных штатах (KS, MO, OK, AR). Однако завоз зараженных кроликов игровыми клубами привел к заражению Кейп-Код и Мартас-Виньярд в Массачусетсе. Летом 2000 года на острове заболели (один умер) 15 человек.Все, похоже, заразились инфекцией, когда использовали газонокосилки и кусторезы, которые предположительно выводили организм из трупов инфицированных животных.
      • Haemophilus influenzae когда-то считалось причиной гриппа. Это не так, но может вызвать бактериальный менингит и инфекции среднего уха у детей и пневмонию у взрослых, особенно тех, чья сопротивляемость снижена другими заболеваниями (например, СПИДом). Теперь существует эффективная вакцина против наиболее опасных штаммов.Известен полный геном Haemophilus influenzae: 1830 138 п.н. ДНК, кодирующей 1743 гена.
      • Пурпурные серные бактерии Как и зеленые растения, эти бактерии фотосинтезируют, используя энергию солнечного света для преобразования углекислого газа в углеводы. Однако, в отличие от растений, они не используют воду в качестве источника электронов.
      Рисунок 19.2.1.3 Chromatium

      В процессе они производят элементарную серу (часто - как видно на этой микрофотографии Chromatium - , хранящейся в виде гранул внутри клетки).[Изображение от Х. Г. Шлегеля и Н. Пфеннига, Arch. Microbiol. 38 [1], 1961.]

      Фотосинтезирующие бактерии содержат особые типы хлорофиллов (так называемые бактериохлорофиллы), встроенные в мембраны. С помощью этого механизма они могут управлять фотосистемой I, но не фотосистемой II (что объясняет их неспособность использовать воду в качестве источника электронов). Большинство фотосинтезирующих бактерий являются облигатными анаэробами; они не переносят свободный кислород. Таким образом, они ограничены такими средами обитания, как поверхность отложений на дне неглубоких водоемов и эстуариев.Здесь они должны довольствоваться любой лучистой энергией, проникающей через зеленые водоросли и водные растения, растущие над ними. Однако спектр поглощения их бактериохлорофиллов находится в основном в инфракрасной области спектра, поэтому они могут улавливать энергию, пропущенную зелеными растениями над ними.

      Дельта (δ) протеобактерии

      В эту группу входят миксобактерии . Они находятся в огромном количестве в почве и играют важную роль в разложении органических веществ.

      Эпсилон (ε) Proteobacteria

      Два члена этой небольшой группы, которые являются патогенами человека:

      • Helicobacter pylori , основная причина язвы желудка
      • Campylobacter jejuni ; бактерия, наиболее часто вызывающая желудочно-кишечные расстройства.

      Bacteroidetes

      Рисунок 19.2.1.4 Spirochete

      Два печально известных примера:

      • Treponema pallidum (справа), причина сифилиса , одного из самых опасных заболеваний, передающихся половым путем (ЗППП). (Изображение любезно предоставлено Гарри Э. Мортоном.)
      • Borrelia burgdorferi передается людям через укус оленьего клеща, вызывая болезнь Лайма (более 30 000 случаев - наибольшее число на тот момент - было зарегистрировано в U.С. в 2009 г.).

      У обоих этих организмов были секвенированы полные геномы.

      Chlamydiae

      Chlamydiae также являются облигатными внутриклеточными паразитами (они не могут производить свой собственный АТФ).

      • Chlamydia trachomatis

        Его геном содержит 1 042 519 п.н. ДНК, кодирующей 894 гена.

        В 2008 году в США было зарегистрировано более 1,2 миллиона случаев, и это, вероятно, только половина от истинного общего числа. Инфекция обычно распространяется половым путем, что делает ее наиболее распространенным заболеванием, передающимся половым путем (ЗППП).Его легко вылечить, если поставить диагноз, но многие инфекции остаются без лечения и у женщин являются основной причиной воспалительного заболевания органов малого таза . Это вызывает рубцевание матки и маточных труб и часто приводит к бесплодию.

        Матери могут передать инфекцию своим новорожденным детям, вызывая серьезные заболевания глаз и пневмонию. Чтобы избежать этого, беременных обычно проверяют на хламидиоз и лечат антибиотиками, если они инфицированы.

        Несколько миллионов человек в пустынных регионах Азии, Африки и Ближнего Востока были ослеплены трахомой .Эта глазная инфекция вызывается штаммом C. trachomatis (и отвечает за его название).

      • Chlamydia psittaci обычно поражает птиц, но может инфицировать их контакты с людьми, вызывая пситтакоз (также известный как орнитоз).

      Цианобактерии (сине-зеленые водоросли)

      Рисунок 19.2.1.5 Oscillatoria

      В отличие от других фотосинтезирующих бактерий, цианобактерии

      • используют хлорофилл а (как и растения)
      • используют воду в качестве источника электронов для снижения CO 2 к углеводам (потому что у них есть фотосистема II, а также фотосистема I).

      CO 2 + 2H 2 O → (CH 2 O) + H 2 O + O 2

      По оценкам, цианобактерии ответственны за ~ 25% фотосинтеза, происходящего в нашей планета.

      Микрофотография Oscillatoria , нитчатой ​​цианобактерии (увеличена примерно в 800 раз). Каждый диск в цепочках - это одна ячейка.

      Цианобактерии также содержат два антенных пигмента:

      • синий фикоцианин (что делает их «сине-зелеными»)
      • красный фикоэритрин (Красное море получило свое название от периодического цветения цианобактерий красного цвета.)

      Эти два пигмента также встречаются в красных водорослях. Их хлоропласты (фактически, вероятно, все хлоропласты) произошли от эндосимбиотической цианобактерии.

      Авторы и авторство

      бактерий | Клетка, эволюция и классификация

      Все живые организмы на Земле состоят из одного из двух основных типов клеток: эукариотических клеток, в которых генетический материал заключен в ядерную мембрану, или прокариотических клеток, в которых генетический материал заключен. не отделен от остальной части клетки.Традиционно все прокариотические клетки назывались бактериями и относились к прокариотическому царству Monera. Однако их классификация как Monera, эквивалентная по таксономии другим царствам - Plantae, Animalia, Fungi и Protista - занижала замечательное генетическое и метаболическое разнообразие, демонстрируемое прокариотическими клетками по сравнению с эукариотическими клетками. В конце 1970-х годов американский микробиолог Карл Вёзе внес существенные изменения в классификацию, поместив все организмы в три области - эукарии, бактерии (первоначально называвшиеся эубактериями) и археи (первоначально называемые архебактериями), чтобы отразить три древние линии эволюции.Прокариотические организмы, которые ранее были известны как бактерии, затем были разделены на две из этих областей: бактерии и археи. Бактерии и археи внешне похожи; например, у них нет внутриклеточных органелл, и у них есть кольцевая ДНК. Однако они фундаментально различны, и их разделение основано на генетических свидетельствах их древних и отдельных эволюционных линий, а также на фундаментальных различиях в их химии и физиологии. Члены этих двух прокариотических доменов так же отличаются друг от друга, как и от эукариотических клеток.

      Сравнение бактериальных, животных и растительных клеток

      Бактериальные клетки отличаются от клеток животных и клеток растений несколькими способами. Одно фундаментальное отличие состоит в том, что в бактериальных клетках отсутствуют внутриклеточные органеллы, такие как митохондрии, хлоропласты и ядро, которые присутствуют как в клетках животных, так и в клетках растений.

      Encyclopædia Britannica, Inc.

      Прокариотические клетки (т.е. бактерии и археи) фундаментально отличаются от эукариотических клеток, которые составляют другие формы жизни.Прокариотические клетки имеют гораздо более простую конструкцию, чем эукариотические клетки. Наиболее очевидным упрощением является отсутствие внутриклеточных органелл, характерных для эукариотических клеток. Органеллы представляют собой дискретные окруженные мембраной структуры, которые содержатся в цитоплазме и включают ядро, в котором генетическая информация сохраняется, копируется и выражается; митохондрии и хлоропласты, где химическая или световая энергия преобразуется в метаболическую энергию; лизосома, где перевариваются проглоченные белки и становятся доступными другие питательные вещества; и эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, где белки, которые синтезируются и высвобождаются из клетки, собираются, модифицируются и экспортируются.Все действия, выполняемые органеллами, также происходят в бактериях, но не выполняются специализированными структурами. Кроме того, прокариотические клетки обычно намного меньше эукариотических клеток. Небольшой размер, простая конструкция и широкие метаболические возможности бактерий позволяют им очень быстро расти и делиться, а также жить и процветать практически в любой среде.

      Бактериальная клетка бациллярного типа

      Схематическое изображение структуры типичной бактериальной клетки бациллярного типа.

      Encyclopædia Britannica, Inc. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

      Прокариотические и эукариотические клетки различаются по многим другим параметрам, включая состав липидов, структуру ключевых метаболических ферментов, ответы на антибиотики и токсины и механизм выражения генетической информации. Эукариотические организмы содержат несколько линейных хромосом с генами, которые намного больше, чем они должны быть для кодирования синтеза белков.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *