Вивчення елімінації фенольних полютантів з розчинів з використанням пероксидази хрону. Вплив концентрації іонів Са2 , Mn2 на ступень біоконверсії досліджуваних речовин. Підвищення ступеня біоконверсії фенолів методом субстрат-субстратної активації.
Аннотация к работе
Відомо, що фенольні сполуки, які містяться в стічних водах багатьох підприємств ряду галузей (металургійної, нафтохімічної, лакофарбової, фармацевтичної, деревопереробної та ін.) токсичні; більшість з них є канцерогенами і класифікуються як забруднюючі агенти, які становлять небезпеку для здоровя людей та тварин. Цей метод відрізняється простотою технологічного оформлення та експлуатації, відсутністю внесення додаткових домішок у процесі знефенолювання, а також можливістю проведення процесу в мяких умовах (широкий діапазон значень РН, температур, концентрацій забруднювачів). Тому є актуальним оптимізація методу елімінації фенольних сполук з використанням частково очищеної пероксидази, дослідження впливу структури фенолів на їх реакційну здатність, а також розробка методів іммобілізації ПОХ на носіях, пошук яких триває. Вперше проведено QSAR аналіз, що дозволяє прогнозувати для досліджуваних ароматичних субстратів пероксидази ступінь біоконверсії залежно від їх структури, ґрунтуючись на значеннях констант Гаммета замісників фенолів та енергій граничних орбіталей (EHUMO, ELUMO). Отримані методами QSAR і PLS QSPR статистичні моделі дозволяють з достатньою надійністю прогнозувати ступінь біоконверсії фенольних сполук і кінетичні параметри (Km, Vmax) реакції їх окиснення, для яких відсутня відповідна експериментальна інформація.Проведено QSAR і QSPR аналіз реакційної здатності фенолів в реакціях ферментативної конверсії. Встановлено, що модифікація методу Баха дозволяє отримати частково очищений препарат пероксидази, подібний за кількісним складом білкових фракцій та основними біохімічними властивостями до комерційного, але який відрізняється більшою економічністю (у 25 разів дешевший). Показано стабілізуючу дію іонів Са2 , Mn2 , водорозчинних полімерів (ПВП, ПЕГ-6000) і білка (САБ), на активність пероксидази, що сприяє подвищенню ступеня біоконверсії досліджуваних фенольних полютантів у середньому на 10-22 %. Встановлено, що використання похідних хіноліну, що швидко окиснюються в реакціях пероксидазного окиснення фенолів, що окиснюються повільно (фенол, о-, м-крезоли, резорцин, о-, м-, п-хлорфеноли, 2,4,6-трихлорфенол, пентахлорфенол), сприяє підвищенню ступеня біоконверсії останніх з 20,4-80,4 % до 60,5-100 % з утворенням легкоосаджуваних полімерних осадів.
Вывод
В дисертації встановлена залежність ефективності пероксидазного окиснення фенольних сполук від умов проведення реакції та структури полютантів. Проведено QSAR і QSPR аналіз реакційної здатності фенолів в реакціях ферментативної конверсії. На основі запропонованих методів іммобілізації пероксидази отримані високоактивні і стабільні ферментні препарати багаторазового використання в реакціях окиснення фенолів як в водних, так і в органічних середовищах.
1. Встановлено, що модифікація методу Баха дозволяє отримати частково очищений препарат пероксидази, подібний за кількісним складом білкових фракцій та основними біохімічними властивостями до комерційного, але який відрізняється більшою економічністю (у 25 разів дешевший).
2. Оптимізовано умови окиснення фенолу, о-, м-, п-хлорфенолів, що каталізується частково очищеною ПОХ. Показано стабілізуючу дію іонів Са2 , Mn2 , водорозчинних полімерів (ПВП, ПЕГ-6000) і білка (САБ), на активність пероксидази, що сприяє подвищенню ступеня біоконверсії досліджуваних фенольних полютантів у середньому на 10-22 %. Показано, що даний метод дозволяє трансформувати різні похідні фенолу у концентраціях 0,1-1,0 ММ із ступенем ефективності 28-100 %, який залежить від природи субстрату, замісників та їх розташування у бензольному кільці.
3. Встановлено, що продуктами пероксидазного окиснення досліджуваних фенолів є поліоксифенілени, які нерозчинні у воді та органічних розчинниках (діетиловому ефірі, спирті, ацетоні, хлороформі, бензолі).
4. Встановлено, що використання похідних хіноліну, що швидко окиснюються в реакціях пероксидазного окиснення фенолів, що окиснюються повільно (фенол, о-, м-крезоли, резорцин, о-, м-, п-хлорфеноли, 2,4,6-трихлорфенол, пентахлорфенол), сприяє підвищенню ступеня біоконверсії останніх з 20,4-80,4 % до 60,5-100 % з утворенням легкоосаджуваних полімерних осадів.
5. Методами QSAR і PLS QSPR аналізу отримано статистичні моделі, які дозволяють з достатньою надійністю прогнозувати ступінь і швидкість трансформації нових фенольних субстратів ПОХ.
6. Іммобілізацією пероксидази методом включення її в гелі карагінану з чорноморської водорості Phyllophora nervosa і полі-N-вінілкапролактаму, а також фізичною іммобілізацією та за допомогою хімічного звязування з гідратцелюлозною мембраною ”Діацелл” отримано іммобілізовані препарати з високим збереженням пероксидазної активності (94,6 % - при використанні карагінану, 76,3 % - ПВК, 88,0 % - мембрани), стабільні при зберіганні (8, 10, 18 місяців, відповідно) та можливістю багаторазового використання (карагінан - до 7 разів, мембрана - до 22 разів) в реакціях окиснення фенольних токсикантів як в водних, так і в органічних середовищах.
7. Іммобілізація ПОХ на досліджуваних носіях дозволяє стабілізувати фермент в області кислих і лужних значень (розширення РН-оптимуму на 1,0-1,5 і 2,0-4,0 од. РН, відповідно) поряд з розширенням термооптимуму (на 5-20 ЄС) і збільшенням РН- і термостабільності.
8. Метод включення ПОХ в гідратцелюлозну мембрану успішно апробований для елімінації фенольних полютантів (конверсія фенолу - 94,5 %, о-, п-крезолів - 100 %) на стічних водах ЗАТ “ТЕПЛОСЕРВІС”.
Список литературы
1. Давиденко Т.И., Севастьянов О.В., Осейчук О.В., Брусиловский Ю.Э. Пероксидазное окисление фенолов // Доповіді НАН України. - 2004. - № 6. - С. 154-158.
2. Давиденко Т.И., Романовская И.И., Севастьянов О.В., Осейчук О.В. Окисление хлорфенолов с использованием пероксидазы хрена // Химия и технология воды. - 2004. - Т. 26, № 6. - С. 582-591.
3. Davidenko T.I., Romanovskaya I.I., Oseychuk O.V. Peroxidase oxidation of phenols // Appl. Biochem. Microbiol. - 2004. - V. 40, № 6. - P. 542-546.
4. Давиденко Т.И., Романовская И.И., Осейчук О.В., Декина С.С. Структура и образование комплексов включения фенолов в поли-N-винилкапролактам // Доповіді НАН України. - 2005. - № 9. - С. 145-150.
5. Декина С.С., Осейчук О.В. Иммобилизация пероксидазы в каррагинан из Phyllophora nervosa // Вісник ОНУ. - 2005. - Т. 10, № 9. - С. 120-126.
6. Романовская И.И., Осейчук О.В., Севастьянов О.В., Давиденко Т.И. Иммобилизация пероксидазы в поли-N-винилкапролактам // Вісник ОНУ. - 2005. - Т. 10, № 8. - С. 49-54.
7. Осейчук О.В., Романовская И.И., Севастьянов О.В. Исследование условий трансформации фенола и его монохлорзамещенных производных, катализируемое пероксидазой // Химия и технология воды. - 2006. - Т. 28, № 5. - С. 505-512.
8. Осійчук О.В., Севастьянов О.В. Розробка методу іммобілізації пероксидази в полі-N- вінілкапролактам // Досягнення біології та медицини. - 2006. - № 2. - С. 13-16.
9. Романовская И.И., Муратов Е.Н., Кузьмин В.Е., Осейчук О.В., Артеменко А.Г., Андронати С.А. Анализ влияния структуры фенольных соединений на степень их ферментативной конверсии // Доповіді НАН України. - 2006. - № 9. - С. 161-166.
10. Романовская И.И., Кузьмин В.Е., Осейчук О.В., Муратов Е.Н., Артеменко А.Г., Андронати С.А. QSPR анализ реакционной способности субстратов пероксидазы // Вісник ОНУ. - 2006. - Т.11,№ 5. - С. 69-77.
11. Романовська І.І., Осійчук О.В. Фізико-хімічні дослідження іммобілізованого на гідратцелюлозній мембрані препарату пероксидази хрону // Медична хімія. - 2006. - № 6. - С. 55-61.
12. Пат. 8115, Україна, МПК 7 С 02F 1/12 Спосіб доочищення стічних вод / Т.І. Давиденко, О.В Осейчук, О.В Севастьянов, І І. Романовська (Україна). - Заявка № 200500560; Заявл. 21.01.2005; Опубл. 15.07.2005. - Бюл. № 7.
13. Пат. 13852, Україна, МПК С 02F 7/00 Спосіб одержання і трансформації фенолів / Романовська І.І., Осійчук О.В., Севастьянов О.В. (Україна). - Заявка № 200510410; Заявл. 04. 11. 2005; Опубл. 17. 04. 2006. - Бюл. № 4.
15. Осейчук О.В. Ферментативное окисление фенолов. // Міжнародна конференція студентів та аспірантів, присвячена 75-річчю з дня народження академіка О.В. Богатського “The modern ways of chemistry development”. - Одеса, 2004. - 83.
16. Осейчук О.В., Романовская И.И. Окисление фенола и его хлорпроизводных, катализируемое пероксидазой хрена. // Конф.-конкурс робіт молодих учених, присвяченої 100-річчю від Дня народження М.Ф. Гулого „Актуальні проблеми біохімії та біотехнології”. - Киев, 2005. - С. 35.
17. Декина С.С., Осейчук О.В., Романовская И.И. Иммобилизация пероксидазы в каррагинан из Phyllophora nervosa // Конф.-конкурс робіт молодих учених, присвяченої 100-річчю від Дня народження М.Ф. Гулого „Актуальні проблеми біохімії та біотехнології”. - Киев, 2005. - С. 10.
18. Осійчук О.В., Романовська І.І., Декіна С.С. Включення пероксидази хрону в полі-N-вінілкапролактам. // Міжн. наук.-практ. конф. молодих вчених „Вчені майбутнього”. - Одеса, 2005. - С. 49-50.
19. Осейчук О.В., Романовская И.И. Окисление фенола, катализируемое пероксидазой, иммобилизованной в поли-N-винилкапролактам. // VIII Конференція молодих учених та студентів-хіміков Південного регіону України. - Одесса, 2005. - С. 69.
20. Осейчук О.В., Романовская И.И., Севастьянов О.В. Окисление фенолов, катализируемое пероксидазой, заключенной в диализную мембрану. // Научно-практ. конф. „Экологическая безопасность продукции и окружающей среды - потребность общества”. - Судак, 2005. - С. 138-139.
21. Романовская И.И., Осейчук О.В., Севастьянов О.В. Поли-N-винилкапролактам - перспективная матрица для включения биологически активних соединений. // Международная научно-практическая конференция ”Обращение с отходами - проблемы и решения XXI века” Сб. научн. статей. - Одесса, 2005. - С. 213-217.
22. Осейчук О.В., Романовская И.И. QSAR анализ влияния структуры фенолов на их биоконверсию. // Международная научно-практическая конференция “Наука и образование - 2006”. - Мурманск, 2006. - С. 643-644.
23. Осейчук О.В., Романовская И.И. Иммобилизация пероксидазы на гидратцеллюлозной мембране. // I Всеукраїнська конференція студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології. - Киев, 2006. - С. 189.
24. Осейчук О.В., Романовская И.И. Разработка метода ковалентной иммобилизации пероксидазы хрена. // Международная научная конференция “Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии”. - Минск, 2006. - С. 228-230.
25. Осейчук О.В., Романовская И.И., Муратов Е.Н., Кузьмин В.Е., Артеменко А.Г. Изучение влияния свойств фенольных соединений на скорость их биоконверсии методом QSAR анализа. // “Актуальні проблеми біохімії та біотехнології - 2006”. - Киев, 2006. - С. 35-36.
26. Осейчук О.В., Артеменко А.Г., Муратов Е.Н., Кузьмин В.Е. Количественный анализ взаимосвязей структура-реакционная способность субстратов пероксидазы. // III Всеукраинская научно-практическая конференция с международным участием. “Биотехнология. Образование. Наука. Практика”. - Харьков, 2006. С. 36-37.
27. Осейчук О.В., Муратов Е.Н., Артеменко А.Г. Изучение свойств пероксидазы и реакционной способности ее субстратов. // IX Конференція молодих учених та студентів-хіміків Південного регіону України. - Одеса, 2006. - С. 23.