Пігментосинтезувальна активність бактеріальних та дріжджових клітин за дії важких металів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Здатність до утворення пігментів у мікроорганізмів детермінована генетично і тому може використовуватися як ідентифікаційна ознака.

Продигіозин - один із кількох вторинних бактеріальних метаболітів, що мають незвичайну структуру, у якій метоксибіпірольний фрагмент включений у дипірометиленову структуру. Результати багатьох експериментів показують, що продигіозин діє як аутоокиснений акцептор, тим самим підтверджується його можлива участь у диханні мікроорганізмів. В утворенні продигіозину беруть участь амінокислоти. Припускають, що накопичення амінокислот у середовищі в період стаціонарної фази призводить до більш швидкої появи літичних процесів. Це припущення підтверджує спостереження, що пігментований штам має більш пізній автолітичний процес, ніж безпігментний. Утворення пігменту в цьому випадку можна розглядати як адаптивний процес, викликаний зміною фізіологічного стану клітини. Інша точка зору відносно біологічного значення пірилдіпірилметенових пігментів заснована на їх здатності пригнічувати в лабораторних умовах ріст мікроорганізмів. Великий інтерес становить спостереження, що екзогенний продигіозин є потужним сенсибілізатором для деяких мікроорганізмів.

Піоцианін, який входить до класу феназинових пігментів, являє собою антибіотик бактерій виду Pseudomonas aeruginosa; активний проти всіх грампозитивних бактерій. Механізм утворення феназинового кільця піоцианіну все ще не з'ясований, хоча це питання вивчали кілька груп учених. Ранні досліди Blackwood і Naish на зростаючих культурах Pseudomonas aeruginosa показали, що гліцерин або діоксиацетон є кращими попередниками, ніж глюкоза, ацетат або фенілаланін. Ці дані дозволяють припустити, що піоцианін синтезується з проміжної сполуки, яка містить три вуглецеві атоми. Феназини, що синтезуються одним видом, можуть впливати на інші види та їхні тканини, причому цей вплив здійснюється різними шляхами. Вони одні з найперших бактеріальних продуктів, для яких була показана антибіотична активність проти інших мікроорганізмів. Бактеріостатичні властивості іодиніну та піоцианіну сьогодні вивчені детально. Є дані, що феназини володіють канцеростатичною активністю.

Іншою групою пігментів мікроорганізмів є каротиноїди, які належать до групи природних пігментів, забарвлених у жовтий, помаранчевий та червоний кольори. Специфічною ознакою каротиноїдів є наявність хромофора, що складається із низки кон'югованих подвійних зв'язків, кількість яких визначає характер забарвлення пігменту. Вони синтезуються рослинами, найпростішими, грибами та бактеріями.

Каротиноїдам притаманна антиоксидантна, протипухлинна та імуностимулювальна активності, а Я-каротин є провітаміном жиророзчинного вітаміну групи А. З огляду на це, каротиноїди зазвичай використовуються у виробництві кормів для тваринництва, харчовій та фармацевтичній промисловості, косметології як природні барвники або харчові добавки.

Відомо, що каротиноїди, які входять до складу вегетативних клітин Bacillus, мають жовте забарвлення, а пігменти спор - помаранчеве. Така здатність бактерій роду Bacillus може бути використана для створення біосенсорів. Проте слід зазначити, що прокаріоти та одноклітинні еукаріоти є найменш вивченими з точки зору організмів-сигналізаторів забруднень. На сьогодні новим напрямком досліджень у біоіндикації є використання пігментосинтезувальних бактерій як біоіндикаторів. Мікроорганізми найбільш чутливо реагують на зміни складу середовища та здатні швидко оновлювати біомасу, цим пояснюються переваги їх застосування в біоіндикаційних дослідженнях. Однак клітина прокаріот відрізняється від еукаріотичної клітини не тільки відсутністю ядра і багатьох органоїдів, але й спрощенням розмноження та особливостями дихання і харчування.

Дріжджі роду Rhodotorula культивували на твердому поживному середовищі Сабуро (бактерії - на МПА). У розплавлені середовища попередньо вносили солі ВМ (у перерахунку на катіон). Засівали мікроорганізми суцільним газоном методом Дригальського. Щільність суспензії становила 107 кл/см3. Культивування проводили в термостаті. Дріжджі та бактерії Serratia marcescens культивували за температури 28-29 0С, Pseudomonas aeruginosa - за 37 0С.

Облік результатів засівання бактерій на МПА з металами проводили візуально на 2 добу культивування (Ag+ - на 5 добу), дріжджів (та бактерій на середовищі МПА з сульфатом і хлоридом міді) - на 3 добу культивування, порівнюючи дослідні зразки з контролем. Для розрахунку різниці в інтенсивності кольору пігменту (dE) між дослідними чашками та контролем дріжджові колонії фотографували, розміщали фотографії в комп'ютерну програму Adobe Photoshop. Потім визначали показники каналів кольорової моделі (Lab) і в програмі CIEDE 2000 розраховували різницю в інтенсивності кольору пігменту. Статистичну обробку проводили за допомогою комп'ютерних програм «Microsoft Office Excel 2007» і «Statistica 10».

Серед пігментів можуть зустрічатися представники різних класів речовин: каротиноїди, феназинові барвники, піроли, азахінони, антоціани тощо, які здатні виконувати певні функції в клітині (табл. 1).

Дослідження показали, що концентраційні інтервали (КІ) між втратою пігменту та блокуванням росту простежувалися в дріжджових клітин і були в межах від 25 до 90% . Для бактерій S. marcescens КІ були лише для хлориду та сульфату цинку - 16,7 та 20% , відповідно (табл. 2). Дріжджові клітини виявилися дещо чутливішими за бактеріальні щодо дії на них більшої частини важких металів (табл. 3). Концентрації, з яких починалося блокування синтезу пігменту в Rh. aurantiaca Y-1193, були набагато меншими, ніж у бактерій S. marcescens MP-141 (для біхромату калію, нітрату нікелю, хлориду кадмію, хлориду міді, хлориду та сульфату цинку в 3,5, 3, 2, 1,3, 1,25, 4 рази меншими, відповідно). Проте для сульфату міді та нітрату срібла, навпаки, концентрації, з яких блокувався синтез пігментів, були нижчими у А marcescens MP-141, ніж у дріжджів (у 2 та 3 рази, відповідно).

Таблиця 1 - Характеристика деяких груп пігментів мікроорганізмів

Таблиця 2 - Значення концентраційного інтервалу між втратою пігменту та інгібуванням росту в мікроорганізмів під впливом важких металів

Примітка: -* - не спостерігалося концентраційного інтервалу.

Таблиця 3

Розрахунок різниці в інтенсивності кольору пігменту показав, що з підвищенням концентрації металів в середовищі значення dE збільшувалося (табл. 4). Так, наприклад, за концентрації хрому 10 мг/дм3 спостерігався суцільний ріст рожево забарвлених колоній А marcescens MP-141, dE дорівнювала 4,0 ум. од. Повністю синтез пігменту блокувався за концентрації Сг6+ 70 мг/дм3, тому dE складала 18,6 ум. од. Дріжджі Як. ажапкаса Y-П93 виявилися в 3,5 разу чутливішими відносно дії хрому на синтез пігменту, ніж А татсе8сет MP-14, і втрачали здатність його синтезувати за концентрації металу 20 мг/дм3, dE була 19,1 ум. од.

Таблиця 4 - Вплив концентраційного ряду іонів металів на інтенсивність кольору пігменту в мікроорганізмів

Примітка:

1. L, a, b - показники каналів кольорової моделі CIE Lab.

2. dE - різниця в інтенсивності кольору між контролем і дослідом, розрахована за допомогою комп'ютерної програми CIEDE 2000.

Щодо дії ВМ на Ps. fluorescens var. pseudo-iodinum МР-11 та Rh. glutinis Y-1335, найбільш чутливими виявилися бактеріальні клітини (табл. 5).

Таблиця 5

Концентрації ВМ, з яких починалося інгібування синтезу пігментів, були нижчими у Ps. fluorescens var. pseudo-iodinum МР-11 (у 7,5, 12 та 1,5 разу для хлориду кадмію, сульфату міді та хлориду цинку, відповідно), ніж у Ек. glutinis У-1335. Остання культура проявила найбільшу чутливість за дії іонів хрому, арґентуму та нікелю (за концентрацій 10, 55 та 75 мг/дм3, відповідно, синтез каротиноїдів повністю блокувався). Стійкими дріжджі Ек. glutinis У-1335 виявилися під впливом купруму (сульфату), за концентрації іонів міді 1200 мг/дм3 на чашках спостерігався слабкий ріст безбарвних колоній.

Ек. glutinis У-1335 реагували втратою каротиноїдів із менших концентрацій (порівняно з втратою феназинових пігментів Ps. fluorescens var. pseudo-iodinum МР-11) біхромату калію та нітрату нікелю (у 10 і 2,6 разу, відповідно). Щодо сульфату цинку, то дріжджі виявилися також чутливішими за бактерії, але нітрат срібла спричинив більш токсичну дію на Ps. fluorescens var. pseudo-iodinum МР-11. Олігодинамічна дія купруму (хлориду) на дріжджі Ек. аигаЫшса У-1193 (А) та Ек. glutinis У-1335 (Б) представлена на рис. 1. Іони міді спричинили більш токсичний вплив на дріжджі Ек. аигапкаса, можливо, це пов'язано з тим, що вони синтезують менший спектр каротиноїдних пігментів, які виконують в клітині захисну функцію.

продигіозин бактеріальний метоксибіпірольний пігмент

Із проведеного порівняльного аналізу щодо впливу різних концентрацій металів на синтез пігментів прокаріот та одноклітинних еукаріот можна зробити висновки, що дріжджові клітини доцільніше використовувати в біоіндикаційних дослідженнях.

По-перше, це пов'язано з тим, що дріжджі майже для кожного металу мали КІ між втратою пігменту та блокуванням росту. По-друге, дріжджі здатні реагувати втратою пігменту з менших концентрацій металів, ніж прокаріотичні клітини.

Проте індикацію нітрату срібла та сульфату міді доцільніше проводити за допомогою бактерій обох видів, а хлориду кадмію та цинку - з використанням Ps. fluorescens уаг. pseudo-iodinum МР-11.

Отже, отримані результати спонукають нас продовжити дослідження щодо вивчення впливу ксенобіотиків на синтез пігменту мікроорганізмів із метою їх застосування в біоіндикаційних дослідженнях.

Висновки.

1. Концентраційні інтервали між втратою пігменту та блокуванням росту простежувалися в дріжджових клітин і коливалися в межах від 25 до 90%. Для бактерій S. marcescens MP-141 концентраційні інтервали були лише для хлориду та сульфату цинку - 16,7 та 20% , відповідно.

2. Розрахунок різниці в інтенсивності кольору пігменту показав, що з підвищенням концентрації металів в середовищі значення dE збільшувалося. Так, за концентрації хрому в середовищі Сабуро 10 мг/дм3 спостерігався суцільний ріст рожево забарвлених колоній S. marcescens MP-141, dE дорівнювала 4,0 ум. од. Повністю синтез пігменту блокувався за концентрації Cr6+ 70 мг/дм3, тому dE складала 18,6 ум. од.

3. Дріжджові клітини виявилися чутливішими за бактеріальні щодо дії на них більшої частини важких металів і реагували втратою пігменту з менших концентрацій металів, ніж прокаріотичні клітини, тому їх можна рекомендувати для біоіндикації важких металів у довкіллі. Проте індикацію нітрату срібла та сульфату міді доцільніше проводити за допомогою бактерій обох видів, а хлориду кадмію та цинку - з використанням Ps. fluorescens var. pseudo-iodinum МР-11.

Размещено на Allbest.ru