ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект посвящен актуальной проблеме поиска путей эффективного снижения газовыделения с действующих и законсервированных свалок. Научной новизной проекта является использование для этой цели уникального природного механизма - способности гуминовых веществ выступать в роли терминального акцептора электрона в анаэробных условиях, что создает возможности для направленной регуляции метаболизма метаногенных сообществ. Для использования данного механизма предполагается синтезировать линейку редокс-производных гуминовых веществ с различными хинонными центрами, что позволит существенно расширить круг микроорганизмов, способных к биовосстановлению ГВ. Помимо редокс-производных будут синтезированы композитные материалы на основе редокс-производных ГВ и феригидрита, что позволит создать системы с рециклингом хинонных фрагментов ГВ. В проекте планируется скрининг редокс-свойств и биокаталитической активности синтезированных систем с использованием как чистых, так и смешанных культур и инокулятов с реальных свалочных грунтов. Будет проведена оценка эволюции микробного сообщества в присутствии редокс-гуминовых производных. Наиболее чувствительные микроорганизмы будут иммобилизованы в матрицах редокс-производных ГВ и композитных материалоах с использованием силсесквиоксановых гуминовых связующих и оценена их способность направленно регулировать метаболизм метаногенных сообществ свалочных грунтов в направлении снижения синтеза метана. Работа будет выполнена на стыке химии, биотехнологии, микробиогии и почвоведения, что обеспечивает ее междисциплинарный характер. До сих пор биокаталитические функции ГВ были только описаны в литературе. Данный проект является первым опытом их применения на практике для создания природоподобной технологии снижения газовыделения со свалок.
The project is devoted to the urgent problem of finding ways to effectively reduce gas emissions from existing and preserved landfills. The scientific novelty of the project is the use of a unique natural mechanism for this purpose - the ability of humic substances to act as a terminal electron acceptor in anaerobic conditions, which creates opportunities for directed regulation of metabolism of methanogenic communities. To use this mechanism, it is supposed to synthesize a number of redox derivatives of humic substances with different quinone centers, which will significantly expand the range of microorganisms capable of bioreduction of humic substances. In addition to redox derivatives, composite materials based on redox derivatives of humic substances and ferihydrite will be synthesized, which will allow to create systems with recycling of quinone fragments of HS. The project implies screening of the redox properties and biocatalytic activity of the synthesized systems using both pure and mixed cultures and inoculated with real landfill the soil. The evolution of the microbial community in the presence of redox-humic derivatives will be evaluated. The most sensitive microorganisms to be immobilized in the matrix of redox-derived humic substances and composite materials using silsesquioxanes humic binding and assessed their ability to directionally regulate the metabolism of methanogenic communities in landfill soils to reduce the synthesis of methane. Work will be performed on knock of chemistry, biotechnology, microbiogy and soil science provides interdisciplinary character. Until now, the biocatalytic functions of HS have been described in the literature. This project is the first experience of their application in practice to create a natural-like technology to reduce gas emission from landfills.
За первый год реализации проекта будут получены следующие результаты: 1. С помощью метода окислительной сополимеризации будет получен набор хинон-обогащенных гуминовых производных с использованием в качестве хиноидного фрагмента восстановленной формы хинонов – гидрохинонов, нафтогидрохинонов, антрагидрохинонов в качестве хиноидного прекурсора и гуминовых веществ леонардита (разновидность бурого угля). Для достижения указанной цели будут проведены исследования, направленные на развитие способа синтеза, который ранее применялся только для получения гуминовых производных с дигидроксибензолами (Перминова и др., патент PCT/RU2016/000265). В результате будет получено не менее 5-7 хинон-обогащенных гуминовых производных с различными хинонными центрами. Синтез гуминовых производных с применением нафтогидрохинонов и антрагидрохинонов будет выполнен впервые. Подобные синтезы в литературе не описаны. 2. Будут получены молекулярные и спектральные характеристики полученных гуминовых редокс-производных методами элементного анализа, спектроскопии ЯМР 13С, гель-хроматографии и УФ-видимой спектрофотометрии. В результате будет получен блок данных по элементному, структурно-групповому и молекулярно-массовому составу гуминовых производных и оптическим свойствам, который будет использован для получения количественных взаимосвязей структура-свойство. 3. Будут исследованы редокс-свойства полученных хинон-обогащенных производных, включая восстановительную емкость данных производных, определение электродного потенциала методом окислительно-восстановительного титрования, оценку обратимости передачи электрона с помощью циклической вольтамперометрии и определения их антиоксидантной емкости с помощью с измерительной системы ABTS•+/ABTS. Измерения будут выполнены как для хинон-модифицированных производных, так и для мономолекулярных гидрохинонов, использованных для введения в структуру ГВ. 4. Будут отработаны условия для получены суспензий феригидрита, стабилизированного в матрице природных ГВ угля, охарактеризована железосодержащая фаза с помощью метода рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. 5. Будут исследованы и определены эффекты от влияния растворимых форм ГВ и их хинон-обогащенных производных, использованных в определенных концентрациях и условиях для культивирования индивидуальных культур, катализирующих трансформацию различных субстратов на отдельных стадиях метаногенеза, и для культивирования разных по составу метанногенных сообществ на их метаболизм. При этом будут применены культуры и ассоциации клеток, указанные в разделе этого проекта «Предлагаемые подходы и методы исследования» (два природных и не менее двух искусственно составленных на основе ндивидуальных культур сообщества). Подобные исследования будут проведены впервые, равно как и условия для их реализации станут предметом отдельного научного дизайна в этом проекте. Будут выявлены отсновные характеристистики растворимых форм ГВ и их хинон-обогащенных производных на чувствительность к их присутствию разных представителей метаногенного сообщества и роль других факторов (условий культивирования) на проявление этой чувствительности. 6. Будут установлены основные закономерности протекания процессов, составляющих многостадийный метаногенез, в присутствии отобранных вариантов ГВ, при варьировании различных условий, моделирующих мусорные свалки (при разных температурных режимах, химическом составе субстратов, составе клеток микроорганизмов и др.). Будут определены научно обоснованные подходы (последовательность действий и перечень условий) к применению отобранных производных ГВ для целенаправленного управления процессами метаногенеза с целью снижения газовыделения в условиях мусорных свалок при определенном составе метагенных сообществ, а также установлены приемы по модификации этих составов для снижения уровня продуктивности формирующихся биокаталитических систем по метану.
Одним из основных условий достижения поставленной в проекте цели является синтез редокс-производных ГВ с заданными свойствами. Данный блок работ требует углубленного знания химии и подходов к направленной модификации гуминовых веществ. Именно это направление является одним из основных в Лаборатории природных гуминовых систем химического факультета МГУ, возглавляемой руководителем проекта – д.х.н. И.В. Перминовой. В предлагаемом проекте в качестве основы для разработки «зеленого» способа синтеза хинон-производных ГВ будут использованы подходы, разработанные при создании коллекции образцов новолаков и резольных смол на основе ГВ (Perminova et al. 2005). Помимо данных наработок для характеристики производных будут использованы методы структурного анализа, которыми владеют сотрудники лаборатории, а именно: методы элементного анализа, гель-проникающей хроматографии и 13С ЯМР-спектроскопии. Лаборатория ПГС располагает всеми методиками количественного анализа ГВ, многие из которых являются пионерскими разработками коллектива. У исполнителей проекта из Лаборатории биоэкокатализа кафедры энзимологии химического факультета МГУ, возглавляемой д.б.н. Ефременко Е.Н., накоплен большой теоретический, методический и экспериментальный опыт в разработке биокаталитических систем на основе клеток различных микроорганизмов, в том числе метаногенных консорциумов и чистых культур, присутствующих в составе анаэробного ила. У участников проекта имеется глубокое понимание процессов, происходящих с участием основных групп микроорганизмов природных анаэробных консорциумов, которые присутствуют в различных слоях и на разной глубине в свалочных отложениях, знание условий протеканий биохимических реакций, катализируемых ими, что должно позволить эффективно влиять на подавление газовыделения и осуществлять безопасную переработку накопившихся отходов в оптимальных условиях в рамках данного проекта.
Разработан способ подавления метаногенеза, а именно функционирования биокаталитических систем, представляющих собой природные анаэробные консорциумы клеток микроорганизмов, осуществляющих метаногенез, приводящий к накоплению биогаза и метана в его составе. Способ позволяет с высокой скоростью подавить накопление биогаза и одновременно значительно снизить в нём долю метана за счет введения в обрабатываемые среды веществ в концентрациях, оказывающих эффективное комплексное воздействие на клетки, участвующие в метаногенезе, и на синтезируемые ими лактон-содержащие молекулы, регулирующие формирование кворумного ответа и устойчивое функционирование анаэробных биосистем. Способ подавления метаногенеза заключается в применении редокс-производных гуминовых кислот, а именно, модифицированного нафтохиноном гумата калия в сочетании с персульфатом калия, ферментом полигистидинсодержащей органофосфтагидролазы и антимикробным веществом бацитрацином. Способ позволяет снизить скорость накопления биогаза на 65-75% с концентрацией метана, сниженной на 92-100%, и предназначен для применения в различных местах, где обнаруживается метаболическая активность анаэробных метаногенных консорциумов, а именно, в условиях окружающей среды и при необходимости в производственных процессах, направленных на получение биогаза. Способ оригинальный и может быть востребован в РФ и за рубежом.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 30 октября 2018 г.-30 октября 2019 г. | Разработка и синтез активных редокс-агентов и связующих на основе хинон- производных гуминовых веществ для биокаталитического подавления газовыделения со свалок |
Результаты этапа: Проект посвящен актуальной проблеме поиска путей эффективного снижения газовыделения с действующих и законсервированных свалок. Научной новизной проекта является использование для этой цели уникального природного механизма - способности гуминовых веществ выступать в роли терминального акцептора электрона в анаэробных условиях, что создает возможности для направленной регуляции метаболизма метаногенных сообществ. Для использования данного механизма на первый год выполнения проекта синтезирована широкая линейка хинон-производных гуминовых веществ с различными хинонными центрами, включая низкопотенциальные нафтохинонные производные с высокой акцепторной способностью и высокопотенциальные производные гидрохинонов. Для синтеза данной линейки использовали реакцию Фентона, которая согласуется с принципами «зеленой» химии, и не предусматривает использования токсических реагентов. Указанная линейка производных была синтезирована как на основе гуминовых кислот (ГК) угля, так и фульвокислот (ФК), существенно отличающихся по химическому строению. При этом было показано, что внесение исходных ГК угля приводило к снижению метана в составе биогаза, синтезируемого всеми тремя исследуемыми микробными консорциумами со свалок, тогда как фульвокислоты увеличивали его продукцию. Указанные результаты были подтверждены измерениями количества внутриклеточной АТФ как показателя жизнеспособности клеток, которое показало снижение в случае ГК и возрастание – в случае ФК. Тестирование линейки синтезированных хинон-обогащенных производных ГК и ФК на трех свалочных метаногенных сообществах позволило установить, что максимальное снижение продукции метана – вплоть до почти полного ингибирования удалось достичь при введении в систему 2-гидрокси-нафтохинонного производного ГВ, которое обладало максимальной акцепторной способностью. Тем самым выполнение первого года проекта показало справедливость сформулированной в проекте междисциплинарной научной гипотезы, предполагающей выполнение направленной химической модификации на основании знания закономерностей микробного метаболизма метаногенных сообществ. Это позволило правильно задать вектор модификации в направлении введения низкопотенциальных акцепторных центров – таких как нафтохиноны и антрахинон. В результате был получен высокоэффективный гуминовый ингибитор эмиссии метана на основе 2-гидроксинафтохинонпроизводное гуминовых кислот угля, который показал работоспособность на трех различных консорциумах. Введение ионов трехвалентного железа в состав данного типа производных может способствовать создания новой циклической биокаталитической системы. Применение указанной системы может быть весьма перспективно для снижения эмиссии метана со свалок. Решению этой задачи будут посвящены последующие этапы выполнения проекта. | ||
2 | 9 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Разработка и синтез активных редокс-агентов и связующих на основе хинон- производных гуминовых веществ для биокаталитического подавления газовыделения со свалок |
Результаты этапа: На предыдущем этапе выполнения проекта были синтезированы хинон-обогащённые производные гуминовых веществ и показана их эффективность в подавлении эмиссии метана. Логичным продолжением проекта стало дальнейшее изучение строения и свойств получаемых веществ, а также их дальнейшая доработка, направленная на увеличение ингибирующей активности за счёт введения в состав препаратов железа, которые способны поддерживать каталитический цикл ингибирования. Другим направлением работы стало получение высокоадгезивных производных, которые способны иммобилизироваться на минеральных поверхностях, что может существенно увеличить продолжительность ингибирующего действия. Эмиссия биогаза, продуцируемого в результате метаболических процессов природных консорциумов, может быть уменьшена путем введения в систему акцепторов электронов. В качестве акцепторов электронов могут выступать соединения железа, поэтому было исследовано влияние композитных материалов на основе ферригидрита и редокс-производных гуминовых веществ (ГВ) на метаболическую активность метаногенного консорциума путём введения в исследуемые биокаталитические системы их различных концентраций. Установлено, что введение фульватов гидроксида железа(III) в жидкую фазу метантенка в большинстве случаев приводило к незначительному снижению количества накапливающегося биогаза и доли метана в нём. Наибольшее ингибирующее воздействие на процесс метаногенеза оказывал гидрохинон-обогащенный фульват гидроксида железа (III), позволивший снизить эффективность процесса по накоплению биогаза на 30%, а доли метана в его составе – более, чем на 40%. Производные гуматов гидроксида железа(III) оказались более эффективными для ингибирования метаногенеза. При этом максимально эффективным оказался препарат 2-гидроксинафтохинонного производного гумата гидроксида железа (III), который уже при концентрации препарата 5 г/л подавлял процесс метаногенеза на 40-50%, а доля СН4 в его составе снижалась на 50% в сравнении с контролем. В целом введение композитных материалов на основе ферригидрита и редокс-производных гумата приводило к изменению состава биогаза в сторону увеличения в нём доли углекислого газа. При этом ингибирующее воздействие композитных материалов на основе ферригидрита и редокс-производных ГВ на процесс метаногенеза, катализируемый искусственно иммобилизованными клетками анаэробных консорциумов, было менее выраженным в сравнении с аналогичными показателями для суспензионных клеток. Было исследовано влияние редокс-производных ГВ, иммобилизованных на почвогрунтах, на метаногенез, осуществляемый клетками анаэробного консорциума. Для эффективного связывания ГВ с используемыми грунтами использовался аминопропилтриэтоксисилан, однако это нивелировало ингибирующее действие препаратов на основе ГВ, что было связано в этом случае с повышением количества азота, доступного для клеток микроорганизмов в качестве источника питания. В целом было отмечено, что при использовании в условиях твердофазного культивирования разработанных препаратов на основе ГВ для подавления процесса образования биогаза наблюдались тенденции, аналогичные тем, что были выявлены при исследовании культивирования в жидких средах. Максимальный ингибирующий эффект, подтвержденный снижением общего энергетического статуса клеток, количества образовавшегося биогаза и доли метана в нем, был получен при использовании препарата CHP-2OHNQ, иммобилизованного как на песке, так и на почвогрунте (снижение эффективности метаногенеза по биогазу было до 50% и доли СН4 в его составе - на 40%). Этот же синтетический препарат CHP-2OHNQ, иммобилизованный на почвогрунте, в исходной концентрации 10 г/л также тестировался на способность подавлять процесс образования биогаза под действием анаэробного консорциума в среде со сложными по химическому составу субстратами: модельными сточными водами скотобойни, реальными сточными водами молокозавода и гидролизатами осиновых опилок, взятых в исходной концентрации 1 г ХПК/л. Получены общие тенденции в изменении характеристик метантаногенеза, что и при использовании чистой глюкозы в качестве единственного источника углерода в присутствии CHP-2OHNQ. Показано, что наиболее эффективным режимом введения модифицированного образца ГВ в сложные по составу среды, с точки зрения подавления процесса метаногенеза, является условно непрерывная подача невысоких доз препаратов в систему (по 1 г/л) с исходно высокой начальной концентрацией ГВ (10 г/л). Поскольку процесс метаногенеза длительный, а состав метаногенных консорциумов сильно варьирует, то поиск методов, позволяющих быстро и точно оценивать влияние ГВ на эффективность метаногенеза в тех или иных условиях, крайне актуален. В связи с этим был реализован подход, заключающийся в теоретически обоснованном поиске «слабых» мест в природных консорциумах, воздействие ГВ на которые будет максимально успешным. Для этого выбирались гидролитические ферменты, каталитическая активность которых в большей степени ингибируется ГВ, далее проводился поиск микроорганизмов, входящих в метаногенные консорциумы и обладающие данными ферментами, в открытой базе данных UniProt, а далее они отбирались в качестве тестовых культур, которые могут наиболее адекватно выступать маркерами в процессе исследования воздействия различных ГВ на метаболическую активность микроорганизмов, участвующих в процессе образования биогаза. В результате проведенных исследований показано, что бактерии родов Clostridium и Pseudomonas можно использовать в качестве таких тестовых микроорганизмов, входящих в состав анаэробных консорциумов, при оценке воздействий на них препаратов на основе ГВ. Полученные на стыке химических и биологических наук результаты весьма актуальны и оригинальны, позволяют рассчитывать на практическую реализацию установленных подходов к подавлению эмиссии СН4 с полигонов и свалок твёрдых бытовых отходов в случае применения синтезированных препаратов. | ||
3 | 3 марта 2021 г.-28 апреля 2022 г. | Разработка и синтез активных редокс-агентов и связующих на основе хинон- производных гуминовых веществ для биокаталитического подавления газовыделения со свалок |
Результаты этапа: Были исследованы комбинации различных стратегических подходов к подавлению метаногенеза и образованию биогаза с одновременным снижением доли метана в его составе. Изучено введение ингибиторов метаногенеза, таких как гумат калия, модифицированный нафтохиноном, персульфат калия (K2S2O8), обладающий свойствами окислителя и акцептора электронов, фермент гексагистидинсодержащая органофосфатгидролаза с высокой активностью лактоназы, и бацитрацин, являющийся полипептидом и антимикробным агентом, в среду с анаэробным консорциумом. Действие этих веществ было направлено на различные стадии метаногенеза, реализуемого под действием природного метаногенного консорциума, а также на осуществляемые им биохимические процессы. Применение K2S2O8 совместно с бацитрацином обеспечило максимальное и почти полное подавление продуктивности СН4. В соответствии с уровнем контролируемой концентрации внутриклеточного АТФ жизнеспособность клеток в консорциуме не снижалась критически, но интенсивность их метаболической активности существенно замедлялась. Различные комбинации упомянутых ингибиторов обеспечивали разные скорости снижения метаногенеза. Знание установленных комбинаций ингибиторов и их концентраций, которые могут быть введены в среду с метаногенными консорциумами (в естественных или промышленных условиях), может позволить исследователям быстро (в течение нескольких суток) или медленно, резко или плавно снижать и регулировать метаногенез в подобных системах. Полученные результаты демонстрируют определение комбинаций экологически приемлемых веществ, которые при введении в среды с метаногенными консорциумами могут обеспечить быстрое и эффективное подавление образования биогаза и снизить долю метана в его составе. Используемые вещества имеют разные мишени для воздействия в сложных метаногенных биокаталитических системах, но, в тоже время, они сохраняют жизнеспособность клеток и устойчивость развития экосистем, в которых такие консорциумы клеток присутствуют. Установленные комбинации реагентов могут быть интересны для регулирования и управления метаногенными консорциумами в экологических системах и процессах производства биогаза. Все найденные композиции супрессоров метаногенеза и условия их применения являются новыми и оригинальными, что и позволило подать заявку на патент РФ на изобретение. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".