RU2360967C1 - Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters - Google Patents

Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters Download PDF

Info

Publication number
RU2360967C1
RU2360967C1 RU2007136007/13A RU2007136007A RU2360967C1 RU 2360967 C1 RU2360967 C1 RU 2360967C1 RU 2007136007/13 A RU2007136007/13 A RU 2007136007/13A RU 2007136007 A RU2007136007 A RU 2007136007A RU 2360967 C1 RU2360967 C1 RU 2360967C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biocatalyst
decomposition
cells
esters
immobilized
Prior art date
Application number
RU2007136007/13A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007136007A (en
Inventor
Елена Николаевна Ефременко (RU)
Елена Николаевна Ефременко
Наталья Васильевна Завьялова (RU)
Наталья Васильевна Завьялова
Ольга Витальевна Сенько (RU)
Ольга Витальевна Сенько
Сергей Львович Лобастов (RU)
Сергей Львович Лобастов
Илья Владимирович Лягин (RU)
Илья Владимирович Лягин
Алексей Вадимович Аксенов (RU)
Алексей Вадимович Аксенов
Сергей Дмитриевич Варфоломеев (RU)
Сергей Дмитриевич Варфоломеев
Original Assignee
Химический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Химический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова filed Critical Химический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Priority to RU2007136007/13A priority Critical patent/RU2360967C1/en
Publication of RU2007136007A publication Critical patent/RU2007136007A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2360967C1 publication Critical patent/RU2360967C1/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention represents a biocatalyst containing immobilised bacteria cells included in polyvinyl alcohol cryogel, used to decompose methylphosphonic acid and its esters. The biocatalyst contains the following components (wt %): bacterial cells biomass - 0.125÷0.725, polyvinyl alcohol cryogel - 7.6÷12.8, aqueous phase - up to 100. Polyvinyl alcohol cryogel is formed in air. As individual bacterial cultures, Pseudomonas species 78G, Escherichia coli BN5α/pTrcTE-OPH, Escherichia coli SG13009 [pREP4]/pTES-His-OPH are used as able to degrade organophosphorous compounds with C-P-bonding. Methylphosphonic acid decomposition rate is 7.3-18 mg/l/h, while its esters are decomposed at 9.6-21.4 mg/l/h throughout 245-310 days.
EFFECT: biocatalyst is characterised with high rate of methylphosphonic acid and its esters decomposition over a long period of time.
6 ex

Description

Изобретение относится к биотехнологии, и представляет собой биокатализатор на основе иммобилизованных бактериальных клеток, включенных в матрицу гелевого носителя, с помощью которых осуществляют микробиологическое разложение метилфосфоновой кислоты и ее эфиров.The invention relates to biotechnology, and is a biocatalyst based on immobilized bacterial cells included in a matrix of gel media, with the help of which microbiological decomposition of methylphosphonic acid and its esters is carried out.

Метилфосфоновая кислота (МФК) и ее эфиры являются продуктами химической детоксикации фосфорорганических отравляющих веществ (ФОБ), а именно зарина, зомана и Vx, которые относятся к группе фосфорорганических боевых отравляющих веществ нервно-паралитического действия [Committee on Review and Evaluation of International Technologies for the Destruction of Non-Stockpile Chemical Materiel, National Research Council, Review of International Technologies for Destruction of Recovered Chemical Warfare Materiel. Washington, DC: National Academies Press, 2006, 128 p.], запасы которых в соответствии с требованиями Международной Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия (принята Государственной Думой 31.10.1997) должны быть уничтожены. Специфическая особенность ликвидации запасов отравляющих веществ, в соответствии с требованиями Конвенции, состоит в необходимости дополнительной переработки первичных продуктов детоксикации до состояния, исключающего возможность их использования для повторного синтеза исходных веществ. Также наряду с самими ФОБ первичные продукты их детоксикации (эфиры МФК и сама МФК) обладают определенной токсичностью [Munro N.B., Talmage S.S., Griffin G.D., Waters L.C., Watson A.P., King J.F., Hauschild V. The sources, fate, and toxicity of chemical warfare agent degradation products.// Environ. Health Perspect., 1999, V.107(12), p.933-974.], что обуславливает необходимость их разложения.Methylphosphonic acid (IFC) and its esters are products of chemical detoxification of organophosphorus toxic agents (FOB), namely sarin, soman and Vx, which belong to the group of organophosphorus chemical warfare agents of nerve-paralytic action [Committee on Review and Evaluation of International Technologies for the Destruction of Non-Stockpile Chemical Materiel, National Research Council, Review of International Technologies for Destruction of Recovered Chemical Warfare Materiel. Washington, DC: National Academies Press, 2006, 128 p.], Whose stocks must be destroyed in accordance with the requirements of the International Convention on the Prohibition of the Development, Production, Stockpiling and Use of Chemical Weapons (adopted by the State Duma on 10/31/1997). A specific feature of the elimination of stockpiles of toxic substances, in accordance with the requirements of the Convention, is the need for additional processing of primary detoxification products to a state that excludes the possibility of their use for re-synthesis of starting materials. Also, along with the FOB itself, the primary products of their detoxification (IFC esters and IFC itself) have a certain toxicity [Munro NB, Talmage SS, Griffin GD, Waters LC, Watson AP, King JF, Hauschild V. The sources, fate, and toxicity of chemical warfare agent degradation products.// Environ. Health Perspect., 1999, V.107 (12), p.933-974.], Which necessitates their decomposition.

При реализации химических методов разложения эфиров МФК проводят щелочной гидролиз с использованием высококонцентрированных растворов гидроксидов калия или натрия с добавлением растворов различных солей [Патент РФ №97100230, 1999. Способ утилизации отравляющего вещества типа Vx].When implementing chemical methods for the decomposition of IFC esters, alkaline hydrolysis is carried out using highly concentrated solutions of potassium or sodium hydroxides with the addition of solutions of various salts [RF Patent No. 97100230, 1999. Method for the disposal of a poisonous substance of type Vx].

Недостатком данного способа является необходимость применения коррозионно стойкого оборудования, высоких температур (80-400°С) и соблюдения длительных временных интервалов экспозиции реакционных масс (до 3-х месяцев).The disadvantage of this method is the need to use corrosion-resistant equipment, high temperatures (80-400 ° C) and compliance with long time intervals of exposure of the reaction masses (up to 3 months).

Необходимо отметить, что С-Р-связь характеризуется чрезвычайно высокой устойчивостью к термической деструкции и химическому разложению, даже в присутствии сильных кислот и оснований, в связи с чем химический гидролиз не приводит к разрушению С-Р-связи в молекуле самой МФК. При этом разрыв С-Р-связи является основным показателем эффективной деструкции отравляющих веществ, так как в результате разрыва именно С-Р-связи процесс гидролиза становится необратимым.It should be noted that the CP bond is characterized by extremely high resistance to thermal degradation and chemical decomposition, even in the presence of strong acids and bases, and therefore chemical hydrolysis does not lead to the destruction of the CP bond in the molecule of MPC itself. Moreover, the breakdown of the CP bond is the main indicator of the effective destruction of toxic substances, since as a result of the breakdown of the CP bond, the hydrolysis process becomes irreversible.

На сегодняшний день большое внимание привлекают к себе биотехнологические способы разложения эфиров МФК и самой МФК, основанные на способности клеток микроорганизмов использовать для поддержания своей жизнедеятельности энергию различных химических связей, присутствующих в структуре веществ, в том числе и токсичных [Attaway Н., Nelson J.O., Baya A.M., Voll M.J., White W.E., Grimes D.J., Colwell R.R. Bacterial detoxification of diisopropyl fluorophosphate.// Appl. Environ. Microb., 1987, V.53(7), p.1685-1689; DeFrank J.J., Cheng T.C. Purification and properties of an organophosphorus acid anhydrase from a halophilic bacterial isolate.//J BacferW., 1991, V. 173(6), p.1938-1943; Konsaku M.A. Microbial carbon-phosphorus bond cleavage enzyme requires two protein components for activity.//J Bacteriol., 1989, V. 171(8), p.4504-4506; Osamura N., Murata K., Kimura A. Cytosolic C-P bond cleavage activity in bacterial cells isolated from soil.//./ J. Ferment. Bioeng., 1991, V.71(2), p.128-130; Pipke R., Amrhein N. Degradation of the phosphonate herbicide glyphosate by Arthrobacter atrocyaneus ATCC 13752.// Appl. Environ. Microb., 1988, V.54(5), p.1293-1296]. Биотехнологические способы экологически безопасны, основаны на функционировании внутриклеточных микробных ферментов, выступающих в роли биологических катализаторов, и выгодно отличаются от химических методов разложения токсичных веществ тем, что:Today, biotechnological methods for the decomposition of esters of IFCs and IFC itself, based on the ability of microorganism cells to use the energy of various chemical bonds present in the structure of substances, including toxic ones, are attracting great attention [Attaway N., Nelson JO, Baya AM, Voll MJ, White WE, Grimes DJ, Colwell RR Bacterial detoxification of diisopropyl fluorophosphate.// Appl. Environ. Microb., 1987, V. 53 (7), p. 1685-1689; DeFrank J.J., Cheng T.C. Purification and properties of an organophosphorus acid anhydrase from a halophilic bacterial isolate. // J. Bacfer W., 1991, V. 173 (6), p. 1938-1943; Konsaku M.A. Microbial carbon-phosphorus bond cleavage enzyme requires two protein components for activity.//J Bacteriol., 1989, V. 171 (8), p. 4504-4506; Osamura N., Murata K., Kimura A. Cytosolic C-P bond cleavage activity in bacterial cells isolated from soil.//./ J. Ferment. Bioeng., 1991, V.71 (2), p. 128-130; Pipke R., Amrhein N. Degradation of the phosphonate herbicide glyphosate by Arthrobacter atrocyaneus ATCC 13752.// Appl. Environ. Microb., 1988, V. 54 (5), p. 1293-1296]. Biotechnological methods are environmentally friendly, based on the functioning of intracellular microbial enzymes acting as biological catalysts, and compares favorably with chemical methods of decomposition of toxic substances in that:

- обеспечивают разрыв химически стабильной С-Р связи,- provide a break in the chemically stable CP bond,

- реализуются при мезофильных температурах (температурах окружающей среды);- are realized at mesophilic temperatures (ambient temperatures);

- не требуют применения концентрированных щелочных растворов и оборудования, выполненного из специального коррозионно-стойкого материала.- do not require the use of concentrated alkaline solutions and equipment made of special corrosion-resistant material.

Известен ряд способов биодеградации продуктов щелочного гидролиза зарина, зомана и Vx, основанных на использовании сложных по составу искусственных многокомпонентных консорциумов свободных клеток различных микроорганизмов [Патент США №6599733 В1 (2003); Патент США №7001758 В1 (2006) Microbial biodegradation of phosphonates. C12N 1/20, B09B 3/00], обеспечивающих разложение эфиров МФК или самой МФК. В состав этих консорциумов входят разные бактериальные культуры, представленные множеством различных штаммов (Methylobacterium radiotolerans штамм GB21, Agrobacterium tumefaciens штамм GB2GA, Klebsiella oxytoca штамм GB2CS и GB272, Aureobacterium sp. штаммы GB2, GB23, GB272 и GB292). Перед их использованием для непосредственного разложения изопропилового эфира метилфосфоновой кислоты (ИПЭМФК) в концентрации выше 5 мМ проводят обязательную предварительную адаптацию клеток консорциума в аэробных условиях при постоянном перемешивании (150 об/мин) в течение 12 суток при 28-29°С в бесфосфатной среде, приготовленной на основе 50 мМ буфера HEPES (рН 7,2) и содержащей 2,7 мМ (329,4 мг/л) ИПЭМФК, 0,5 г/л KCl, 0,5 г/л (NH4)2SO4, 10 мл/л стандартного раствора микроэлементов Wolin Salts (Sigma, США). Далее клетки переносят в среду аналогичного состава, содержащую 2,4-6,0 мМ ИПЭМФК, и проводят конверсию эфира МФК в МФК на 100% за 14 суток. Для разложения накопившейся МФК (230,4 мг/л) и утилизации продукта разложения МФК - фосфат-ионов - в среду вводится источник углерода (20 г/л кукурузного сиропа), и после 5 суток культивирования консорциума в тех же условиях, что указаны выше (рН, температура, перемешивание среды), достигается 90-92% степень разложения вещства с С-Р-связью. Время функционирования такого биокатализатора 14 суток.A number of methods are known for biodegradation of alkaline hydrolysis products of sarin, soman and Vx, based on the use of complex compositional artificial multicomponent free cell consortia of various microorganisms [US Patent No. 6599733 B1 (2003); U.S. Patent No. 7,001,758 B1 (2006) Microbial biodegradation of phosphonates. C12N 1/20, B09B 3/00], providing decomposition of the esters of IFC or IFC itself. The composition of these consortia includes various bacterial cultures represented by many different strains (Methylobacterium radiotolerans strain GB21, Agrobacterium tumefaciens strain GB2GA, Klebsiella oxytoca strain GB2CS and GB272, Aureobacterium sp. Strains GB2, GB23, GB272 and 29. Before using them for the direct decomposition of methylphosphonic acid isopropyl ester (IPEMPK) at a concentration above 5 mM, the preliminary adaptation of the consortium cells under aerobic conditions is carried out with constant stirring (150 rpm) for 12 days at 28-29 ° C in a phosphate-free medium, prepared on the basis of 50 mM HEPES buffer (pH 7.2) and containing 2.7 mM (329.4 mg / l) IPEMPK, 0.5 g / l KCl, 0.5 g / l (NH 4 ) 2 SO 4 , 10 ml / l of a standard solution of trace elements Wolin Salts (Sigma, USA). Next, the cells are transferred to a medium of a similar composition containing 2.4-6.0 mM IPEMPA, and the conversion of the MPA ester to MPA is carried out by 100% for 14 days. To decompose accumulated MFCs (230.4 mg / l) and to utilize the decomposition product of MFCs - phosphate ions - a carbon source (20 g / l corn syrup) is introduced into the medium, and after 5 days of cultivation of the consortium under the same conditions as above (pH, temperature, medium stirring), a 90-92% degree of decomposition of a broadcast with a CP bond is achieved. The functioning time of such a biocatalyst is 14 days.

Данный биокатализатор, представляющий собой консорциум свободных бактериальных клеток, предназначенный для разложения МФК и ее изопропилового эфира, обладает рядом существенных недостатков, которые заключаются в том, что:This biocatalyst, which is a consortium of free bacterial cells, designed for the decomposition of MPC and its isopropyl ether, has a number of significant disadvantages, which are that:

- он обеспечивает низкие скорости разложения ИПЭМФК и МФК, которые, согласно данным разработчиков биокатализатора, составляют 0,87 мг/л/ч и 1,77 мг/л/ч соответственно;- it provides low decomposition rates of IPEMPK and IFC, which, according to the developers of the biocatalyst, are 0.87 mg / l / h and 1.77 mg / l / h, respectively;

- необходим контроль постоянства сложного состава микробного консорциума с целью обеспечения высокой эффективности его действия, притом что точный состав биокатализатора (концентрации различных клеток) разработчиками не указывается;- it is necessary to control the constancy of the complex composition of the microbial consortium in order to ensure high efficiency of its action, despite the fact that the exact composition of the biocatalyst (concentration of various cells) is not indicated by the developers;

- необходима предварительная длительная адаптация клеток к токсичным субстратам (12 суток);- Preliminary long-term adaptation of cells to toxic substrates is required (12 days);

- необходима утилизации отработанной бактериальной биомассы и проведение культивирования клеток с целью накопления биомассы и приготовления на ее основе новой порции биокатализатора в виде консорциума после завершения каждого цикла процесса разложения МФК.- it is necessary to utilize spent bacterial biomass and cultivate cells in order to accumulate biomass and prepare on its basis a new portion of the biocatalyst in the form of a consortium after the completion of each cycle of the IFC decomposition process.

Применение иммобилизованных клеток при реализации многих биотехнологических процессов позволяет использовать многократно одни и те же клетки микроорганизмов и, таким образом, избегать необходимости решения проблемы постоянной утилизации накапливающейся биомассы. Кроме того, применение клеток в иммобилизованном виде позволяет повысить их устойчивость к воздействию различных неблагоприятных факторов (высокие концентрации токсичного субстрата, изменение рН среды и др.) и обеспечить более длительное и эффективное проведение процесса с их участием [Nedovic V., Willaert R. Fundamentals of cell immobilisation biotechnology // Kluwer Academic Publishers, 2004, 555 p.].The use of immobilized cells in the implementation of many biotechnological processes makes it possible to use the same cells of microorganisms many times and, thus, to avoid the need to solve the problem of continuous utilization of accumulated biomass. In addition, the use of cells in an immobilized form allows to increase their resistance to various adverse factors (high concentrations of toxic substrate, changes in pH, etc.) and to ensure a longer and more efficient process with their participation [Nedovic V., Willaert R. Fundamentals of cell immobilization biotechnology // Kluwer Academic Publishers, 2004, 555 p.].

Основными характеристиками любого иммобилизованного биокатализатора, применяемого для разложения первичных продуктов гидролиза ФОБ являются:The main characteristics of any immobilized biocatalyst used to decompose the primary products of FOB hydrolysis are:

- скорость разложения токсичного субстрата, предопределяющая общую длительность процесса;- the rate of decomposition of the toxic substrate, which determines the total duration of the process;

- степень разложения токсичного субстрата (%);- the degree of decomposition of the toxic substrate (%);

- наличие/отсутствие необходимости подготовки биокатализатора к его использованию для разложения токсичных субстратов и длительность такой подготовки;- the presence / absence of the need to prepare the biocatalyst for its use for the decomposition of toxic substrates and the duration of such preparation;

- длительность возможного эффективного использования биокатализатора в целевом процессе.- the duration of the possible effective use of the biocatalyst in the target process.

Эти основные характеристики целесообразно использовать для сравнительного анализа известных биокатализаторов, разработанных на основе иммобилизованных клеток различных микроорганизмов для разложения МФК и ее эфиров.It is advisable to use these basic characteristics for a comparative analysis of known biocatalysts developed on the basis of immobilized cells of various microorganisms for the decomposition of MPA and its esters.

Известен иммобилизованный биокатализатор для разложения эфиров МФК, представляющий собой активный ил, а именно совокупность автоселектированных самоиммобилизованных клеток различных микро- и макроорганизмов, которая складывается на очистных сооружениях речных вод [Harvey S.P., Carey L.F., Haley M.V., Bossle PC, Gillitt N.D., Bunton C.A. Sequencing batch reactor biodegradation of hydrolyzed sarin as sole carbon source // Bioremed J., 2003, V.7(3-4), p.179-185]. Состав такого иммобилизованного биокатализатора не известен.Known immobilized biocatalyst for the decomposition of IFC esters, which is activated sludge, namely, a collection of self-selected self-immobilized cells of various micro and macroorganisms, which folds up in river water treatment plants [Harvey S.P., Carey L.F., Haley M.V., Bossle PC, Gillitt N.D. Bunt Sequencing batch reactor biodegradation of hydrolyzed sarin as sole carbon source // Bioremed J., 2003, V.7 (3-4), p.179-185]. The composition of such an immobilized biocatalyst is not known.

Для активации иммобилизованного биокатализатора в виде активного ила и применения его для разложения ИПЭМФК и МФК в щелочных гидролизатах зарина проводят предварительную его адаптацию в течение 74 суток с постепенным увеличением концентрации ИПЭМФК и МФК в среде до 2,8 г/л и 250,4 мг/г соответственно. Применение иммобилизованного биокатализатора в виде адаптированного активного ила обеспечивает 99,6% рзложение эфира МФК до его остаточной концентрации 10 мг/л в среде в течение 15 суток, то есть скорость разложения ИПЭМФК составляет 7,75 мг/л/ч, но при этом биокатализатор не способен осуществлять разложение МФК, и наблюдается увеличение концентрации этого соединения в среде пропорционально количеству гидролизованного эфира (то есть в десятки раз). Биокатализатор может быть использован для разложения эфира МФК на протяжении 200 суток в реакторе периодического действия при 15-дневном циклическом удержании среды в реакторе.To activate the immobilized biocatalyst in the form of activated sludge and use it for the decomposition of IPEMPK and IFC in alkaline hydrolysates of sarin, its preliminary adaptation is carried out for 74 days with a gradual increase in the concentration of IPEMPK and IFC in the medium to 2.8 g / l and 250.4 mg / g respectively. The use of an immobilized biocatalyst in the form of adapted activated sludge provides 99.6% decomposition of the MPA ester to its residual concentration of 10 mg / l in the medium for 15 days, that is, the IPEMPA decomposition rate is 7.75 mg / l / h, but the biocatalyst it is not capable of decomposing MPA, and an increase in the concentration of this compound in the medium is proportional to the amount of hydrolyzed ether (i.e., tens of times). The biocatalyst can be used to decompose the MPA ester for 200 days in a batch reactor with a 15-day cyclic retention of the medium in the reactor.

К недостаткам этого биокатализатора следует отнести:The disadvantages of this biocatalyst are:

- неспособность биокатализатора осуществлять разложение МФК, которая является ключевым веществом с С-Р-связью, деструкция которого обеспечивает необратимость разложения ФОВ;- the inability of the biocatalyst to decompose MPC, which is a key substance with CP bond, the destruction of which ensures the irreversibility of the decomposition of FOV;

- необходимость предварительной длительной адаптации биокатализатора (в течение 74 сут.) к токсичному субстрату,- the need for preliminary long-term adaptation of the biocatalyst (within 74 days) to a toxic substrate,

- конечный состав иммобилизованного биокатализатора в виде адаптированного активного ила не известен, что делает невозможным анализ и поддержание стабильного микробного состава биокатализатора и, следовательно, воспроизводимого уровня биодеградационной активности биокатализатора.- the final composition of the immobilized biocatalyst in the form of adapted activated sludge is not known, which makes it impossible to analyze and maintain a stable microbial composition of the biocatalyst and, therefore, the reproducible level of biodegradation activity of the biocatalyst.

Известен иммобилизованный биокатализатор, на основе искусственного микробного бактериального консорциума GB2 [DeFrank J.J., Guelta M., Harvey S., Fry I.J., Earley J.P., Lupton F.S. Biodegradation of hydrolyzed chemical warfare agents by bacterial consortia // Netherlands: Kluwer Academic Publishers. In: B.Zwanenburg et al. (Eds.), Enzymes in Action: Green Solution for Chemical Problems, 2000, p.193-209]. Разработанный биокатализатор предназначен для разложения МФК, ИПЭМФК и этилового эфира метилфосфоновой кислоты (ЭЭМФК), образующихся, соответственно, при щелочном гидролизе зарина и вещества Vx, принятого на вооружение в армии США.Known immobilized biocatalyst based on the artificial microbial bacterial consortium GB2 [DeFrank J.J., Guelta M., Harvey S., Fry I.J., Earley J.P., Lupton F.S. Biodegradation of hydrolyzed chemical warfare agents by bacterial consortia // Netherlands: Kluwer Academic Publishers. In: B. Zwanenburg et al. (Eds.), Enzymes in Action: Green Solution for Chemical Problems, 2000, p. 193-209]. The developed biocatalyst is designed for the decomposition of MPC, IPEMPK and methylphosphonic acid ethyl ester (EEMPK), formed, respectively, during alkaline hydrolysis of sarin and substance Vx, adopted by the US Army.

Для получения иммобилизованного биокатализатора в реактор (1 л) помещаются блоки вспененного полиуретанового носителя, которые удерживаются в реакторе с помощью полиуретановых полых цилиндров. Далее реактор заполняется средой, содержащей 3,8 об.% щелочного гидролизата ФОВ с одним из эфиров МФК в качестве источника фосфора, а также 1,2 г/л NH4CI, 0,35 г/л КН2РО4 и 10 мл/л стандартного раствора микроэлементов Wolin Salts, так, чтобы общий объем заполнения составил 600-800 мл. Далее в реактор вносится смесь клеток (Methylobacterium radiotolerans штамм GB21, Agrobacterium tumefaciens штамм GB2GA, Klebsiella oxytoca штамм GB2CS и GB272, Aureobacterium sp. штаммы GB2, GB23, GB272 и Gb292), составляющих консорциум. Происходит адгезивная иммобилизация клеток консорциума на пористом носителе.To obtain an immobilized biocatalyst, blocks of a foamed polyurethane carrier are placed in the reactor (1 l), which are held in the reactor by means of polyurethane hollow cylinders. Next, the reactor is filled with a medium containing 3.8 vol.% Alkaline hydrolyzate of FOV with one of the MPA esters as a source of phosphorus, as well as 1.2 g / l NH 4 CI, 0.35 g / l KN 2 PO 4 and 10 ml / l standard solution of trace elements Wolin Salts, so that the total filling volume is 600-800 ml. Next, a mixture of cells (Methylobacterium radiotolerans strain GB21, Agrobacterium tumefaciens strain GB2GA, Klebsiella oxytoca strain GB2CS and GB272, Aureobacterium sp. Strains GB2, GB23, GB272 and Gb292), which make up the consortium, is introduced into the reactor. Adhesive immobilization of consortium cells on a porous carrier occurs.

Перед использованием иммобилизованного биокатализатора для целенаправленного разложения эфиров МФК проводят его адаптацию к токсичным субстратам (условия и сроки проведения адаптации разработчиками не указываются).Before using the immobilized biocatalyst for targeted decomposition of IFC esters, it is adapted to toxic substrates (the conditions and timing of the adaptation are not indicated by the developers).

Далее адаптированный иммобилизованный биокатализатор применяется для разложения эфиров МФК. Для этого щелочные гидролизаты ФОВ, содержащие эфиры МФК, разбавленные в 1000 раз, вводятся в среду для культивирования иммобилизованных клеток так, чтобы исходная концентрация эфиров МФК в реакторе с биокатализатором составила 500 мг/л (~4 мМ). Дополнительно в среду вводится источник углерода: глюкоза, изопропанол, глицерин, меласса или глицерин в смеси с мелассой (точные концентрации веществ не указаны).Further, an adapted immobilized biocatalyst is used for the decomposition of IFC esters. To do this, alkaline hydrolysates of FOV containing MFK esters diluted 1000 times are introduced into the medium for culturing immobilized cells so that the initial concentration of MFK esters in the biocatalyst reactor is 500 mg / L (~ 4 mM). Additionally, a carbon source is introduced into the medium: glucose, isopropanol, glycerin, molasses or glycerin mixed with molasses (exact concentrations of substances are not indicated).

Максимальная степень разложения эфиров МФК и МФК под действием иммобилизованного биокатализатора составляет 40% за 15 суток вне зависимости от концентрации и источника углерода, вводимого в среду. Биокатализатор может функционировать на протяжении 40 суток в периодических условиях.The maximum degree of decomposition of the esters of IFCs and IFCs under the action of an immobilized biocatalyst is 40% in 15 days, regardless of the concentration and source of carbon introduced into the medium. The biocatalyst can function for 40 days under periodic conditions.

Основными недостатками этого иммобилизованного биокатализатора явлются:The main disadvantages of this immobilized biocatalyst are:

- достаточно низкая скорость разложения соединений с С-Р-связью под действием иммобилизованного биокатализатора, которая составляет, согласно данным разработчиков, 0,56 мг/л/ч;- a fairly low rate of decomposition of compounds with CP bond under the action of an immobilized biocatalyst, which, according to the developers, is 0.56 mg / l / h;

- необходимость использования многокомпонентного консорциума микроорганизмов для достижения указанной максимальной степени деградации и необходимость контроля и поддержания постоянного сложного микробного состава иммобилизованного биокатализатора для обеспечения его эффективного действия;- the need to use a multicomponent consortium of microorganisms to achieve the indicated maximum degree of degradation and the need to control and maintain a constant complex microbial composition of the immobilized biocatalyst to ensure its effective action;

- необходимость проведения адаптации иммобилизованного биокатализатора к токсичным субстратам перед его использованием;- the need for adaptation of the immobilized biocatalyst to toxic substrates before use;

- использование для получения иммобилизованного биокатализатора метода адгезии клеток, составляющих микробный консорциум, на поверхности носителя приводит к неоднородности и гетерогенности состава биокатализатора, так как клетки разных бактериальных штаммов проявляют, в силу разного строения клеточных стенок, различную адгезивную способность к одному и тому же материалу, что сказывается на эффективности их удерживания на поверхности носителя. Также при выбранном способе иммобилизации возникают серьезные диффузионные проблемы для массообменных процессов, осуществляемых адгезированными клетками, находящимися в слоях, расположенных в непосредственной близости к поверхности носителя.- the use to obtain an immobilized biocatalyst of the method of adhesion of the cells that make up the microbial consortium on the surface of the carrier leads to heterogeneity and heterogeneity of the composition of the biocatalyst, since cells of different bacterial strains exhibit, due to the different structure of the cell walls, different adhesive ability to the same material, which affects the efficiency of their retention on the surface of the carrier. Also, with the selected method of immobilization, serious diffusion problems arise for mass transfer processes carried out by adherent cells located in layers located in close proximity to the surface of the carrier.

Известен другой иммобилизованный биокатализатор, который является прямым усовершенствованием вышеописанного биокатализатора на основе иммобилизованного консорциума [Патент США №6080906 (2000) Demilitarization of chemical munitions, A62D 3/00]. Способ его получения и состав используемого микробного консорциума GB2 те же, что указаны выше, но в качестве носителя для адгезионной иммобилизации клеток используют кубические гранулы из вспененного полиуретана с линейным размером 1,25 см, содержащие включенные в полиуретановую матрицу частицы активированного угля. Носитель также удерживается в реакторе с помощью полиуретановых полых цилиндров. Точный состав иммобилизованного биокатализатора не известен.Another immobilized biocatalyst is known, which is a direct improvement of the above-described biocatalyst based on an immobilized consortium [US Patent No. 6080906 (2000) Demilitarization of chemical munitions, A62D 3/00]. The method for its preparation and the composition of the used GB2 microbial consortium are the same as described above, but cubic granules of expanded polyurethane with a linear size of 1.25 cm containing activated carbon particles included in the polyurethane matrix are used as a carrier for adhesive immobilization of cells. The carrier is also held in the reactor using polyurethane hollow cylinders. The exact composition of the immobilized biocatalyst is not known.

Полученный иммобилизованный биокатализатор (680 мл) обеспечивает при 20-25°С и рН 6,0-9,0 в аэробных условиях при объеме жидкости в реакторе, равном 740 мл, 75%-ное разложение фосфорорганических соединений (ЭЭМФК и МФК) в течение 15 суток. Таким образом, этот результат достигается при концентрации иммобилизованного биокатализатора в среде 920 г/л. Скорость разложения эфира МФК и МФК под действием этого биокатализатора не известна, так как авторы этой разработки не указывают исходные концентрации веществ, необходимые для достижения 75%-ного разложения веществ за указанное время.The obtained immobilized biocatalyst (680 ml) provides at 20-25 ° C and pH 6.0-9.0 under aerobic conditions with a liquid volume in the reactor equal to 740 ml, 75% decomposition of organophosphorus compounds (EEMPK and IFC) for 15 days. Thus, this result is achieved at a concentration of immobilized biocatalyst in the environment of 920 g / l. The rate of decomposition of the esters of IFCs and IFCs under the action of this biocatalyst is not known, since the authors of this development do not indicate the initial concentrations of substances necessary to achieve 75% decomposition of substances in the indicated time.

Биокатализатор может быть использован для обработки гидролизатов Vx, содержащих ЭЭМФК и МФК, в периодических условиях функционирования реактора на протяжении 8 рабочих циклов по 15 суток, что в целом составляет 120 сут.The biocatalyst can be used to treat Vx hydrolysates containing EEMPA and MPA under periodic conditions of reactor operation for 8 working cycles of 15 days, which is 120 days in total.

Данный биокатализатор обладает всеми основными недостатками, указанными для вышеописанного биокатализатора, и дополнительно еще одним, который заключается в том, что частицы активированного угля, введенные в состав носителя, согласно данным разработчиков биокатализатоа, сорбируют из среды эфир МФК. В результате его значительное количество остается связанным в носителе и не подвергается разложению.This biocatalyst has all the main disadvantages indicated for the biocatalyst described above, and yet another one, which consists in the fact that activated carbon particles introduced into the carrier, according to the data of the biocatalysis developers, sorb IFC ether from the medium. As a result, a significant amount thereof remains bound in the carrier and is not degradable.

Известен биокатализатор на основе бактериального консорциума, иммобилизованного в криогель поливинилового спирта (ПВС) (Zhang Y., Autenrieth R.L., Bonner J.S., Harvey S.P., Wild J.R. Biodegradation of neutralized sarin // Biotechnol. Bioeng., 1999, V.64 (2), p.221-231), предназначенный для разложения ИПЭМФК, являющегося продуктом щелочного гидролиза зарина. Для получения биокатализатора используется консорциум бактериальных культур, выделенных из образцов воды, собранных на полигонах Эдживудского химико-биологического центра армии США. Точный микробный состав консорциума не известен.A known biocatalyst based on a bacterial consortium immobilized in polyvinyl alcohol (PVA) cryogel (Zhang Y., Autenrieth RL, Bonner JS, Harvey SP, Wild JR Biodegradation of neutralized sarin // Biotechnol. Bioeng., 1999, V.64 (2) , p.221-231), intended for the decomposition of IPEMPK, which is a product of alkaline hydrolysis of sarin. To obtain a biocatalyst, a consortium of bacterial cultures isolated from water samples collected at the landfills of the Edgewood Chemical and Biological Center of the US Army is used. The exact microbial composition of the consortium is not known.

Перед иммобилизацией клетки консорциума длительно (5 циклов по 7 сут) адаптируют к средам, содержащим источник углерода (глюкозу, глицерин или сукцинат натрия), 1,5 г/л NH4Cl, 0,3 г/л КН2РО4, 10 мл/л стандартного раствора микроэлементов Wolin Salts, 2 мг/л CoCl2, 1 мг/л ZnCl2 и ИЭМФК, при этом от цикла к циклу концентрацию ИЭМФК в среде увеличивают до конечной концентрации 0,35 г/л.Before immobilization, the cells of the consortium for a long time (5 cycles of 7 days) are adapted to media containing a carbon source (glucose, glycerin or sodium succinate), 1.5 g / l NH 4 Cl, 0.3 g / l KH 2 PO 4 , 10 ml / l of a standard solution of trace elements Wolin Salts, 2 mg / l CoCl 2 , 1 mg / l ZnCl 2 and IEMPK, while from cycle to cycle the concentration of IEMPK in the medium is increased to a final concentration of 0.35 g / l.

Иммобилизацию клеток, адаптированных к ИЭМФК, проводят включением биомассы бактерий в гранулы криогеля ПВС. Для этого клетки, находящиеся в стационарной фазе роста, отделяют центрифугированием от среды, использованной для их адаптации, и смешивают с раствором ПВС так, чтобы их концентрация в смеси составляла 10%. Суспензию клеток закапывают в охлажденный раствор гексана, что приводит к быстрому охлаждению капель и образованию гранул с диаметром 2 мм. Полученные гранулы биокатализатора размораживают и тщательно отмывают 15 мМ HEPES-буфером от гидрофобного растворителя.Immobilization of cells adapted to IEMPK is carried out by incorporating bacterial biomass into PVA cryogel granules. For this, the cells in the stationary growth phase are separated by centrifugation from the medium used to adapt them and mixed with the PVA solution so that their concentration in the mixture is 10%. The cell suspension is instilled into a cooled solution of hexane, which leads to rapid cooling of the droplets and the formation of granules with a diameter of 2 mm The obtained biocatalyst granules are thawed and thoroughly washed with 15 mM HEPES buffer from a hydrophobic solvent.

Иммобилизованный биокатализатор обеспечивает 85% разложение 350 мг/л ИЭМФК за 400 ч (~17 сут), а также разложение 297,5 мг/л МФК, накапливающейся в среде за тот же период времени, на 84,5%. Увеличение длительности обработки не приводит к увеличению степени деструкции ИЭМФК и снижению концентрации МФК в системе. Время функционирования биокатализатора составляет 17 суток.The immobilized biocatalyst provides 85% decomposition of 350 mg / L of IEMPK for 400 h (~ 17 days), as well as the decomposition of 297.5 mg / L of MPC accumulated in the medium over the same period of time by 84.5%. An increase in the processing time does not lead to an increase in the degree of destruction of IEMPK and a decrease in the concentration of MPA in the system. The functioning time of the biocatalyst is 17 days.

Основными недостатками данного биокатализатора являются:The main disadvantages of this biocatalyst are:

- применение бактериального консорциума неизвестного состава, контроль и поддержание которого невозможны для сохранения длительного и эффективного действия биокатализатора;- the use of a bacterial consortium of unknown composition, the control and maintenance of which is impossible to maintain the long and effective action of the biocatalyst;

- необходима предварительная длительная адаптации клеток (в течение 35 сут) к токсичным субстратам перед их иммобилизацией,- requires a preliminary long-term adaptation of cells (within 35 days) to toxic substrates before their immobilization,

- способ иммобилизации предусматривает применение гексана в качестве гидрофобной среды для формирования гранул биокатализатора на основе гидрофильного носителя, что требует последующей обязательной стадии тщательного удаления токсичного и гидрофобного растворителя с поверхности гранул, так как его присутствие приводит к образованию гидрофобной пленки, существенно снижающей доступность растворенных в среде веществ, в том числе кислорода, для клеток внутри гранул. В результате иммобилизованные клетки быстро теряют свою жизнеспособность, и, как следствие этого, эффективность действия биокатализатора быстро снижается. Применение гексана, являющегося сильно огнеопасным и токсичным для человека, а не только для микробных клеток веществом, для получения иммобилизованного биокатализатора требует соблюдения особых мер безопасности при работе с ним (транспортировке, хранении, применении), а также необходимость проведения специальной обработки вод, содержащих гексан и полученных после отмывки гранул биокатализатора от гидрофобного растворителя;- the method of immobilization involves the use of hexane as a hydrophobic medium for the formation of biocatalyst granules based on a hydrophilic carrier, which requires a subsequent mandatory step of thorough removal of toxic and hydrophobic solvent from the surface of the granules, since its presence leads to the formation of a hydrophobic film, significantly reducing the availability of dissolved in the medium substances, including oxygen, for cells inside the granules. As a result, immobilized cells quickly lose their viability, and, as a consequence of this, the effectiveness of the biocatalyst is rapidly reduced. The use of hexane, which is highly flammable and toxic to humans, and not just for microbial cells, to obtain an immobilized biocatalyst requires special safety measures when working with it (transportation, storage, use), as well as the need for special treatment of water containing hexane and obtained after washing the granules of the biocatalyst from a hydrophobic solvent;

- достаточно низкая скорость разложения соединений с С-Р-связью под действием иммобилизованного биокатализатора, которая составляет, согласно данным разработчиков, 0,74 мг/л/ч как для ИЭМФК, так и для МФК.- a rather low rate of decomposition of compounds with CP bond under the influence of an immobilized biocatalyst, which, according to the developers, is 0.74 mg / l / h for both IEMPK and IFC.

Данное техническое решение как наиболее близкое к заявляемому по типу используемого носителя (криогель ПВС), а также по методу иммобилизации клеток (включение в гель), используемых для получения биокатализатора, принято за прототип.This technical solution, as the closest to the claimed type of carrier used (PVA cryogel), as well as the method of cell immobilization (inclusion in the gel) used to obtain the biocatalyst, is taken as a prototype.

Задачей предлагаемого изобретения является получение высокоактивного биокатализатора для разложения МФК и ее эфиров, являющихся продуктами химической детоксикации ФОВ, а именно зарина, зомана и Vx, на основе клеток индивидуальных бактериальных культур, иммобилизованных в криогель поливинилового спирта и способных обеспечить высокую скорость разложения токсичных субстратов на протяжении длительного времени.The objective of the invention is to obtain a highly active biocatalyst for the decomposition of MPA and its esters, which are products of chemical detoxification of FOV, namely sarin, soman and Vx, based on cells of individual bacterial cultures immobilized in polyvinyl alcohol cryogel and capable of providing a high rate of decomposition of toxic substrates throughout a long time.

Поставленная задача решается путем создания биокатализатора, который содержит клетки индивидуальных бактериальных культур Pseudomonas species 78Г, Escherichia coli DH5α/pTrcTE-OPH, Escherichia coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, способных к деградации фосфорорганических соединений с С-Р-связью и включенных в криогель поливинилового спирта, формирование которого происходит в среде воздуха, и имеет следующий компонентный состав (мас.%): биомасса бактериальных клеток - 0,125÷0,725, криогель поливинилового спирта - 7,6÷12,8, водная фаза - до 100.The problem is solved by creating a biocatalyst that contains cells of individual bacterial cultures of Pseudomonas species 78G, Escherichia coli DH5α / pTrcTE-OPH, Escherichia coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH capable of degrading organophosphorus compounds with a C-P bond and polyvinyl alcohol included in the cryogel, the formation of which occurs in air, and has the following component composition (wt.%): bacterial cell biomass - 0.125 ÷ 0.725, polyvinyl alcohol cryogel - 7.6 ÷ 12.8, aqueous phase - up to 100.

Разложение МФК и ее эфиров с помощью предлагаемого биокатализатора на основе иммобилизованных клеток осуществляется при его внесении в питательную среду, содержащую целевые вещества, а также источник углерода.The decomposition of IFC and its esters using the proposed biocatalyst based on immobilized cells is carried out when it is introduced into a nutrient medium containing the target substance, as well as a carbon source.

Предлагаемый биокатализатор характеризуется длительным периодом функционирования (до 310 сут), а также способен осуществлять разложение эфиров МФК и МФК со скоростью до 21,4 мг/л/ч и 18 мг/л/ч соответственно.The proposed biocatalyst is characterized by a long period of functioning (up to 310 days), and is also capable of decomposing the esters of MPA and MPA at a rate of up to 21.4 mg / l / h and 18 mg / l / h, respectively.

В отличие от аналогов и прототипа для получения заявляемого биокатализатора используются клетки индивидуальных бактериальных культур, а не консорциумы бактерий, что позволяет существенно упростить процесс получения биокатализатора в больших количествах с хорошо воспроизводимыми свойствами и осуществлять контроль за его состоянием в процессе эксплуатации, а также легко устанавливать наличие/отсутствие контаминации биокатализатора посторонней микрофлорой.Unlike analogs and prototypes, the cells of individual bacterial cultures are used to obtain the inventive biocatalyst, rather than bacterial consortia, which can significantly simplify the process of producing a biocatalyst in large quantities with well reproducible properties and monitor its condition during operation, as well as easily establish / lack of contamination of the biocatalyst by extraneous microflora.

В качестве индивидуальных культур, составляющих основу заявляемого иммобилизованного биокатализатора, используются клетки бактерий, обладающие высокой способностью к разрушению фосфорорганических соединений, например, клетки Pseudomonas species 78Г [Патент РФ №2154103 (2000) Штамм Pseudomonas species 78Г, предназначенный для деградации продуктов деструкции фосфорорганических отравляющих веществ. C12N 1/20; 9/88], клетки Escherichia coli DH5α/pTrcTE-OPH [Патент РФ №2232807 (2002) Рекомбинантная плазмидная ДНК pTrcTE-ОРН и продуцент фермента органофосфатгидролазы, C12N 1/21, 15/52, 15/70], клетки Escherichia coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH [Патент РФ №2255975 (2003) Рекомбинантная плазмидная ДНК pTES-His-OPH и продуцент олигогистидинсодержащей органофосфатгидролазы, C12N 1/21, 15/52, 15/70]. Эти клетки являются продуцентами внутриклеточных высокоактивных ферментов, катализирующих разрыв O-Р-, S-P-, F-P- и С-Р-связи. Их применение в иммобилизованном виде позволяет обеспечить разрыв целевой связи, а также утилизировать из реакционной среды образующиеся при этом разрыве продукты реакции. Таким образом, при использовании подобных клеток из реакционной среды последовательно удаляются продукты реакции (при разложении эфира МФК образуется МФК, которая разлагается до фосфорной кислоты и усваивается клетками). При использовании консорциумов все эти последовательные превращения осуществляются разными клетками микроорганизмов, при этом продукты жизнедеятельности одних клеток являются субстратами для других. Диффузия метаболитов одних клеток к другим клеткам в качестве субстратов, биодоступность таких субстратов для пространственно разобщенных клеток существенно влияют на скорость процесса разложения основных веществ в целом. В случае высокоактивных монокультур все эти процессы осуществляются одними и теми же клетками, что в целом позволяет избавиться от массообменных проблем, присутствующих в консорциумах, и существенно увеличить скорость превращения веществ.As individual cultures that form the basis of the claimed immobilized biocatalyst, bacterial cells are used that are highly capable of destroying organophosphorus compounds, for example, Pseudomonas species 78G cells [RF Patent No. 2154103 (2000) Strain Pseudomonas species 78G intended for degradation of degradation products of organophosphorus poisonous substances . C12N 1/20; 9/88], Escherichia coli cells DH5α / pTrcTE-OPH [RF Patent No. 2232807 (2002) Recombinant plasmid DNA pTrcTE-ORN and organophosphate hydrolase enzyme producer, C12N 1/21, 15/52, 15/70], Escherichia coli cells SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH [RF Patent No. 2255975 (2003) Recombinant plasmid DNA pTES-His-OPH and producer of oligo-histidine-containing organophosphate hydrolase, C12N 1/21, 15/52, 15/70]. These cells are producers of intracellular highly active enzymes that catalyze the cleavage of O-P, S-P, F-P, and C-P bonds. Their use in an immobilized form makes it possible to break the target bond, and also to utilize the reaction products formed during this break from the reaction medium. Thus, when using such cells, reaction products are sequentially removed from the reaction medium (upon decomposition of the MPA ester, MPA is formed, which decomposes to phosphoric acid and is absorbed by the cells). When using consortia, all these successive transformations are carried out by different cells of microorganisms, while the vital products of some cells are substrates for others. The diffusion of the metabolites of one cell to other cells as substrates, the bioavailability of such substrates for spatially separated cells significantly affect the rate of decomposition of the main substances as a whole. In the case of highly active monocultures, all these processes are carried out by the same cells, which as a whole allows us to get rid of the mass transfer problems present in consortia and significantly increase the rate of conversion of substances.

Для получения иммобилизованного биокатализатора монокультуры бактериальных клеток выращивают на богатых питательных средах, известных для данных штаммов, с целью накопления метаболически активной биомассы, которую концентрируют (сгущают) перед включением в матрицу полимерного носителя. Такое концентрирование проводят известными приемами, например центрифугированием.To obtain an immobilized biocatalyst, monocultures of bacterial cells are grown on rich nutrient media known for these strains in order to accumulate metabolically active biomass, which is concentrated (concentrated) before incorporation into the matrix of a polymer carrier. This concentration is carried out by known methods, for example by centrifugation.

Применение в качестве носителя клеток криогеля поливинилового спирта (ПВС), формируемого при замораживании-оттаивании раствора полимера, обусловлено высокой пористостью гелевой матрицы, обеспечивающей незатрудненную диффузию субстратов и продуктов, соответственно, к и от иммобилизованных клеток, а также хорошими эксплуатационными характеристиками криогеля на основе ПВС [Лозинский В.И.Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения // Успехи химии, 2002, т.71(6), с.559-585]. При этом в заявляемом техническом решении иммобилизация биомассы осуществляется путем ее суспендирования в растворе ПВС с последующей криогенной обработкой (замораживанием, выдерживанием в замороженном состоянии и оттаиванием) в атмосфере воздуха, а не гидрофобной жидкости, как в прототипе, при определенных условиях, что приводит к формированию прочного полимерного криогеля, содержащего включенную в его матрицу клетки. При этом полностью устраняются все технологические и экологические проблемы, а также проблемы безопасной организации производства, существующие при реализации способа получения биокатализатора по прототипу с применением гексана. К тому же в ходе криогенной обработки получаемому иммобилизованному биокатализатору, в отличие от прототипа, может быть придана любая необходимая форма, в частности, форма сферических гранул, частиц неправильной формы, гелевых блоков, дисков, листов, трубок и др. Для этого суспензия биомассы в растворе гелеобразователя замораживается в соответствующей форме.The use of polyvinyl alcohol (PVA) cryogel cells as a carrier, formed upon freezing and thawing of a polymer solution, is due to the high porosity of the gel matrix, which provides easy diffusion of substrates and products, respectively, to and from immobilized cells, as well as good performance characteristics of PVA-based cryogel [Lozinsky V.I. Cryogels based on natural and synthetic polymers: production, properties and applications // Uspekhi Khimii, 2002, vol. 71 (6), p. 559-585]. Moreover, in the claimed technical solution, biomass immobilization is carried out by suspending it in a PVA solution followed by cryogenic treatment (freezing, keeping in a frozen state and thawing) in an atmosphere of air, rather than a hydrophobic liquid, as in the prototype, under certain conditions, which leads to the formation of durable polymer cryogel containing cells included in its matrix. This completely eliminates all technological and environmental problems, as well as the problems of the safe organization of production, existing when implementing the method for producing a biocatalyst using the prototype using hexane. In addition, during the cryogenic treatment, the resulting immobilized biocatalyst, unlike the prototype, can be given any necessary shape, in particular, the shape of spherical granules, irregularly shaped particles, gel blocks, discs, sheets, tubes, etc. For this, the biomass suspension in the gel solution is frozen in an appropriate form.

Предлагаемое изобретение предусматривает формирование криогеля ПВС с одновременной иммобилизацией клеток. Состав заявляемого биокатализатора и соотношение компонентов были выбраны на основе проведенных экспериментов и являются уникальными, обеспечивающими выдающиеся характеристики биокатализатора.The present invention provides for the formation of a PVA cryogel with simultaneous immobilization of cells. The composition of the inventive biocatalyst and the ratio of the components were selected based on the experiments and are unique, providing outstanding characteristics of the biocatalyst.

Собственно разложение МФК и ее эфиров с помощью биокатализатора на основе иммобилизованных клеток состоит в том, что биокатализатор вносится в реактор, где при рН среды 7,5-9,0 проводится процесс микробного разложения токсичных субстратов и утилизации их в качестве источника фосфора в присутствии источника углерода, в качестве которого могут быть использованы общеупотребимые в микробиологическом производстве глюкоза, глицерин, меласса и др.The actual decomposition of IFC and its esters using a biocatalyst based on immobilized cells consists in the fact that the biocatalyst is introduced into the reactor, where at a pH of 7.5-9.0 the microbial decomposition of toxic substrates is carried out and they are disposed of as a source of phosphorus in the presence of a source carbon, which can be used commonly used in microbiological production of glucose, glycerin, molasses, etc.

Существенным отличием заявляемого изобретения является новый, ранее неизвестный состав биокатализатора и сочетание его компонентов, а именно тип бактериальных монокультур, используемых для создания биокатализатора, соотношение биомассы бактерий и криогеля ПВС, формируемого в среде воздуха, а не гидрофобного растворителя, в присутствии клеток при получении биокатализатора для разложения МФК и ее эфиров, которые ранее известны не были.A significant difference of the claimed invention is a new, previously unknown composition of the biocatalyst and the combination of its components, namely the type of bacterial monocultures used to create the biocatalyst, the ratio of bacterial biomass and PVA cryogel formed in air, rather than a hydrophobic solvent, in the presence of cells upon receipt of the biocatalyst for the decomposition of IFC and its esters, which were previously not known.

Существенным техническим результатом заявляемого изобретения является способность биокатализатора осуществлять разложение МФК и ее эфиров с высокими скоростями при длительном сроке функционирования.A significant technical result of the claimed invention is the ability of the biocatalyst to decompose MPC and its esters at high speeds with a long life.

Ниже приводятся конкретные примеры, иллюстрирующие заявляемое техническое решение.The following are specific examples illustrating the claimed technical solution.

Пример 1. Биокатализатор на основе иммобилизованных клеток Pseudomonas sp. 78Г, включенных в криогель поливинилового спирта, для разложения МФК.Example 1. Biocatalyst based on immobilized cells of Pseudomonas sp. 78G included in the polyvinyl alcohol cryogel for decomposition of MPC.

8,4 г биомассы клеток бактерий Pseudomonas sp. 78Г, полученной после отделения от среды роста, исходно содержащей 20 г/л глюкозы, 4,0 г/л дрожжевого экстракта, 3,0 г/л (NH4)2SO4, 5 мг/л CoCl2×6H2O, 5 мг/л ZnSO4×4H2O (рН 6,8-7,0), центрифугированием (20 мин, 8000 об/мин), смешивают с 167,6 г 8%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе физиологического раствора (0,9% NaCl), при комнатной температуре до получения однородной массы. Эту суспензию далее распределяют с помощью дозирующего устройства (шприц, дозатор и др.) в лунки 96-луночных иммунологических планшетов по 0,1 мл, которые помещают в морозильную камеру при -20°С, выдерживают в замороженном состоянии 17 ч, оттаивание проводят при +8°С. Получают иммобилизованный биокатализатор в виде гранул цилиндрической формы, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса бактериальных клеток - 0,48 (по сух. массе); криогель ПВС - 7,6; водная фаза - до 100.8.4 g of the biomass of bacterial cells of Pseudomonas sp. 78 G, obtained after separation from the growth medium, initially containing 20 g / l glucose, 4.0 g / l yeast extract, 3.0 g / l (NH 4 ) 2 SO 4 , 5 mg / l CoCl 2 × 6H 2 O , 5 mg / l ZnSO 4 × 4H 2 O (pH 6.8-7.0), centrifuged (20 min, 8000 rpm), mixed with 167.6 g of an 8% solution of polyvinyl alcohol prepared on the basis of saline (0.9% NaCl), at room temperature until a homogeneous mass. This suspension is then dispensed using a metering device (syringe, dispenser, etc.) into 0.1 ml 96-well immunological plates, which are placed in a freezer at -20 ° C, kept frozen for 17 hours, thawed at + 8 ° C. Get immobilized biocatalyst in the form of granules of a cylindrical shape, having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.48 (by dry weight); PVA cryogel - 7.6; aqueous phase up to 100.

Полученный иммобилизованный биокатализатор без какой-либо адаптации к токсичному субстрату обеспечивает 100% разложение 485 мг/л МФК в аэробном реакторе объемом 1 л с периодическим режимом культивирования при 28°С при непрерывном перемешивании среды (180 об/мин) в течение 27 ч при внесении в минимальную среду культивирования, содержащую 0,1 г/л MgSO4×7H2O, 0,5 г/л NaCl, 1 г/л NH4Cl, 1 г/л NaHCO3 (рН 8,0), 15 г/л глюкозы в качестве источника углерода. Таким образом, скорость разложения МФК составляет 18 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 250 сут.The obtained immobilized biocatalyst without any adaptation to a toxic substrate provides 100% decomposition of 485 mg / L of MPA in a 1 L aerobic reactor with a periodic cultivation at 28 ° C with continuous stirring of the medium (180 rpm) for 27 hours upon application in a minimal cultivation medium containing 0.1 g / l MgSO 4 × 7H 2 O, 0.5 g / l NaCl, 1 g / l NH 4 Cl, 1 g / l NaHCO 3 (pH 8.0), 15 g / l glucose as a carbon source. Thus, the IFC decomposition rate is 18 mg / l / h. The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 250 days.

Пример 2. Биокатализатор на основе клеток E. coli DH5α/pTrcTE-OPH, включенных в криогель ПВС, для разложения МФК.Example 2. Biocatalyst based on E. coli cells DH5α / pTrcTE-OPH included in the PVA cryogel for decomposition of MPC.

4,3 г биомассы клеток бактерий E. coli DH5α/pTrcTE-OPH, полученной после отделения от среды роста, исходно содержащей 10 г/л триптона, 5 г/л дрожжевого экстракта, 5 г/л NaCl (рН 6,8), 47,7 мг/л изопропилтиогалактозида, центрифугированием (10 мин, 10000 об/мин), перемешивают с 171,7 г 10%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе 50 мМ Na-карбонатного буфера (рН 10), при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную смесь выливают ровным слоем на противень с бортами высотой 3 см для получения гелевых блоков высотой 0,5 см, замораживают при -15°С, выдерживают в замороженном состоянии 15 ч, оттаивают при +10°С и, таким образом, получают биокатализатор, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса бактериальных клеток - 0,24 (по сух. массе); криогель ПВС - 9,76; водная фаза - до 100.4.3 g of the biomass of bacterial cells of E. coli DH5α / pTrcTE-OPH obtained after separation from the growth medium, initially containing 10 g / l of tryptone, 5 g / l of yeast extract, 5 g / l of NaCl (pH 6.8), 47.7 mg / l of isopropylthiogalactoside, centrifuged (10 min, 10,000 rpm), is mixed with 171.7 g of a 10% solution of polyvinyl alcohol, prepared on the basis of 50 mm Na-carbonate buffer (pH 10), at room temperature until smooth. The resulting mixture was poured in an even layer on a baking sheet with sides 3 cm high to obtain gel blocks 0.5 cm high, frozen at -15 ° C, kept frozen for 15 hours, thawed at + 10 ° C and, thus, obtain a biocatalyst, having the following composition (wt.%): biomass of bacterial cells - 0.24 (by dry weight); PVA cryogel - 9.76; aqueous phase up to 100.

Полученный иммобилизованный биокатализатор без какой-либо адаптации к токсичному субстрату обеспечивает 100% разложение 480 мг/л МФК в аэробном реакторе объемом 1 л с периодическим режимом культивирования при 28°С при непрерывном перемешивании среды (200 об/мин) в течение 45 ч при внесении в минимальную среду культивирования, содержащую 0,1 г/л MgSO4×7H2O, 0,5 г/л NaCl, 1 г/л NH4CI, 1 г/л NaHCO3 (рН 8,0), 5 г/л глюкозы в качестве источника углерода. Таким образом, скорость разложения МФК составляет 10,7 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 280 сут.The obtained immobilized biocatalyst without any adaptation to a toxic substrate provides 100% decomposition of 480 mg / l of MPA in a 1 l aerobic reactor with a periodic cultivation mode at 28 ° C with continuous stirring of the medium (200 rpm) for 45 hours upon application to a minimal culture medium containing 0.1 g / l MgSO 4 × 7H 2 O, 0.5 g / l NaCl, 1 g / l NH 4 CI, 1 g / l NaHCO 3 (pH 8.0), 5 g / l glucose as a carbon source. Thus, the IFC decomposition rate is 10.7 mg / l / h. The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 280 days.

Пример 3. Биокатализатор на основе клеток Pseudomonas sp. 78Г, включенных в криогель ПВС для разложения изобутилового эфира МФК и МФК.Example 3. Biocatalyst based on cells of Pseudomonas sp. 78G included in the PVA cryogel for the decomposition of IFC and IFC isobutyl ether.

8,4 г биомассы клеток бактерий Pseudomonas sp. 78Г, полученной после отделения от среды роста, исходно содержащей 20 r/л глюкозы, 4,0 г/л дрожжевого экстракта, 3,0 г/л (NH4)2SO4, 5 мг/л CoCl2×6H2O, 5 мг/л ZnSO4×4H2O (рН 6,8-7,0), центрифугированием (30 мин, 6000 об/мин), смешивают с 167,6 г 10%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе физиологического раствора (0,9% NaCl), при комнатной температуре до получения однородной массы. Эту суспензию далее распределяют с помощью дозирующего устройства (шприц, дозатор и др.) в лунки 96-луночных иммунологических планшетов по 0,15 мл, которые помещают в морозильную камеру при -10°С, выдерживают в замороженном состоянии 24 ч, оттаивание проводят при +8°С. Получают иммобилизованный биокатализатор в виде гранул цилиндрической формы, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса бактериальных клеток - 0,45 (по сух. массе); криогель ПВС - 9,5; водная фаза - до 100.8.4 g of the biomass of bacterial cells of Pseudomonas sp. 78 G, obtained after separation from the growth medium, initially containing 20 r / l glucose, 4.0 g / l yeast extract, 3.0 g / l (NH 4 ) 2 SO 4 , 5 mg / l CoCl 2 × 6H 2 O , 5 mg / l ZnSO 4 × 4H 2 O (pH 6.8-7.0), centrifuged (30 min, 6000 rpm), mixed with 167.6 g of a 10% solution of polyvinyl alcohol prepared on the basis of saline (0.9% NaCl), at room temperature until a homogeneous mass. This suspension is then dispensed using a metering device (syringe, dispenser, etc.) into 0.15 ml 96-well immunological plates, which are placed in a freezer at -10 ° C, kept frozen for 24 hours, thawing is carried out at + 8 ° C. Get immobilized biocatalyst in the form of granules of a cylindrical shape, having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.45 (by dry weight); PVA cryogel - 9.5; aqueous phase up to 100.

Полученный иммобилизованный биокатализатор без какой-либо адаптации к токсичным субстратам обеспечивает 100% разложение 380 мг/л изобутилового эфира МФК (ИБЭМФК) в аэробном реакторе объемом 1 л с непрерывным режимом культивирования при 30°С при перемешивании среды барботажем в течение 31 ч при внесении в минимальную среду культивирования, содержащую 0,1 г/л MgSO4×7H2O, 0,5 г/л NaCl, 1 г/л NH4Cl, 1 г/л NaHCO3 (рН 8,0), 20 г/л глицерина в качестве источника углерода. Таким образом, скорость разложения изобутилового эфира МФК составляет 12,3 мг/л/ч.The obtained immobilized biocatalyst without any adaptation to toxic substrates provides 100% decomposition of 380 mg / l of MPA isobutyl ether (IBEMPA) in a 1 L aerobic reactor with a continuous cultivation mode at 30 ° С while stirring the medium with bubbling for 31 h when introduced into minimum cultivation medium containing 0.1 g / l MgSO 4 × 7H 2 O, 0.5 g / l NaCl, 1 g / l NH 4 Cl, 1 g / l NaHCO 3 (pH 8.0), 20 g / l of glycerol as a carbon source. Thus, the decomposition rate of IFC isobutyl ether is 12.3 mg / l / h.

268 мг/л МФК, образующейся при разложении ИБЭМФК, также подвергается разложению под действием иммобилизованного биокатализатора и за то же время (31 ч) в той же реакционной среде в присутствии ИБЭМФК разлагается на 95%, то есть скорость разложения МФК составляет 8,2 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 300 сут.268 mg / l of the MPA produced by the decomposition of IBEMPA is also decomposed by an immobilized biocatalyst and at the same time (31 h) in the same reaction medium in the presence of IBEMPK it decomposes by 95%, i.e., the decomposition rate of MPC is 8.2 mg / l / h The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 300 days.

Пример 4. Биокатализатор на основе клеток E. coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, включенных в криогель ПВС, для разложения изопропилового эфира МФК и МКФ.Example 4. A biocatalyst based on E. coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH cells included in PVA cryogel for decomposition of isopropyl ether of MPA and MKF.

11 г биомассы клеток бактерий E. coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, полученной после отделения от среды культивирования, исходно содержащей 12 г/л триптона, 24 г/л дрожжевого экстракта, 4 г/л глицерина, 6,95 г/л КН2РО4, 12,54 г/л КН2РО4×3Н2О, 2,37 мг/л CoCl2 (рН 6,8-7,0), 23,8 мг/л изопропилтиогалактозида, центрифугированием (15 мин, 8500 об/мин), смешивают с 869 г 13%-ного раствора ПВС, приготовленного на основе стерильной водопроводной воды, при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют в лунки иммунологических 96-луночных планшетов со сферическим дном по 0,2 мл. Замораживание осуществляют при -20°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 28 ч, оттаивание - при +4°С. Получают биокатализатор с полусферической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,125 (по сух. массе); криогель ПВС - 12,8; водная фаза - до 100.11 g of biomass of bacterial cells of E. coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH obtained after separation from the culture medium, initially containing 12 g / l of tryptone, 24 g / l of yeast extract, 4 g / l of glycerol, 6.95 g / l KN 2 PO 4 , 12.54 g / l KN 2 PO 4 × 3H 2 O, 2.37 mg / l CoCl 2 (pH 6.8-7.0), 23.8 mg / l isopropylthiogalactoside, by centrifugation (15 min, 8500 rpm), mixed with 869 g of a 13% PVA solution prepared on the basis of sterile tap water at room temperature until a homogeneous mass is obtained. The resulting suspension is distributed into the wells of immunological 96-well tablets with a spherical bottom of 0.2 ml. Freezing is carried out at -20 ° C, the duration of aging in a frozen state is 28 hours, thawing at + 4 ° C. Get a biocatalyst with a hemispherical form of granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.125 (by dry weight); PVA cryogel - 12.8; aqueous phase up to 100.

Полученный иммобилизованный биокатализатор без какой-либо адаптации к токсичным субстратам обеспечивает 95% разложение 300 мг/л изопропилового эфира МФК (ИПЭМФК) в аэробном реакторе объемом 1 л с периодическим режимом культивирования при 26°С при непрерывном перемешивании среды (180 об/мин) в течение 20 ч при внесении в минимальную среду культивирования, содержащую 0,1 г/л MgSO4×7H2O, 0,5 г/л NaCl, 1 г/л NH4Cl, 2 г/л NaHCO3 (рН 9,2), 15 г/л мелассы в качестве источника углерода. Таким образом, скорость разложения ИПЭМФК составляет 14,25 мг/л/ч.The obtained immobilized biocatalyst without any adaptation to toxic substrates provides 95% decomposition of 300 mg / L of MPA isopropyl ether (IPEMPK) in a 1 L aerobic reactor with a periodic regime of cultivation at 26 ° C with continuous stirring of the medium (180 rpm) for for 20 hours when introduced into a minimal culture medium containing 0.1 g / l MgSO 4 × 7H 2 O, 0.5 g / l NaCl, 1 g / l NH 4 Cl, 2 g / l NaHCO 3 (pH 9, 2), 15 g / l molasses as a carbon source. Thus, the decomposition rate of IPEMPA is 14.25 mg / l / h.

217 мг/л МФК, образующейся при разложении ИПЭМФК, также подвергается разложению под действием иммобилизованного биокатализатора и за то же время (20 ч) в той же реакционной среде в присутствии ИПЭМФК разлагается на 84%, то есть скорость разложения МФК составляет 9,1 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 310 сут.217 mg / l of MPA produced by the decomposition of IPEMPA is also decomposed by an immobilized biocatalyst and at the same time (20 hours) in the same reaction medium in the presence of IPEMPK it decomposes by 84%, that is, the decomposition rate of MPC is 9.1 mg / l / h The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 310 days.

Пример 5. Биокатализатор на основе клеток E. coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, включенных в криогель ПВС, для разложения изобутилового эфира МФК и МФК в составе реакционных масс, полученных в результате химического уничтожения вещества Vx по рецептуре РД-4М.Example 5. Biocatalyst based on E. coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH cells included in PVA cryogel for decomposition of isobutyl ether of MPA and MPA in the reaction masses obtained as a result of chemical destruction of substance Vx according to the RD-4M formulation .

23,2 г биомассы клеток бактерий E. coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, полученной после отделения от среды, как это описано в Примере №4, смешивают с 456,8 г 8%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе 50 мМ Na-фосфатно-карбонатного буфера (рН 8,0) при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют в прямоугольную металлическую форму с бортами высотой 3 см для получения гелевых блоков высотой 0,3 см. Замораживание осуществляют при -20°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 16 ч, оттаивание - при +4°С. Размороженный биокатализатор, имеющий форму гелевого пласта, разрезают и получают гранулы в форме параллелепипеда с размером 0,3×0,3×0,3 см. Полученный биокатализатор имеет следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,725 (по сух. массе); криогель ПВС - 7,6; водная фаза - до 100.23.2 g of the biomass of bacterial cells of E. coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH obtained after separation from the medium, as described in Example No. 4, is mixed with 456.8 g of an 8% solution of polyvinyl alcohol prepared based on 50 mm Na-phosphate-carbonate buffer (pH 8.0) at room temperature until a homogeneous mass. The resulting suspension is distributed in a rectangular metal form with sides 3 cm high to obtain gel blocks 0.3 cm high. Freezing is carried out at -20 ° C, the duration of aging in the frozen state is 16 hours, thawing at + 4 ° C. The thawed biocatalyst in the form of a gel layer is cut and pellets in the form of a parallelepiped with a size of 0.3 × 0.3 × 0.3 cm are obtained. The obtained biocatalyst has the following composition (wt.%): The biomass of bacterial cells is 0.725 (dry. mass); PVA cryogel - 7.6; aqueous phase up to 100.

Полученный иммобилизованный биокатализатор без какой-либо адаптации к токсичным субстратам обеспечивает 65% разложение 2370 мг/л изобутилового эфира МФК (ИБЭМФК) в аэробном реакторе объемом 1 л при непрерывным режимом культивирования при 30°С при перемешивании среды барботажем в течение 72 ч и при использовании в качестве среды культивирования реакционной массы, полученной в результате химического уничтожения вещества Vx по рецептуре РД-4М, принятой в РФ для уничтожения фосфорорганических отравляющих веществ [Шкодич П.Е., Желтобрюхов В.Ф., Клаучек В.В. Эколого-гигиенические аспекты проблемы уничтожения химического оружия.// Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2004, 236 с], разбавленной в 100 раз минимальной средой, которая описана в вышеизложенных Примерах, с дополнительным введением 25 г/л глюкозы в качестве источника углерода. Реакционная масса, полученная после химического уничтожения Vx, имеет следующий состав: 23,7% ИБЭМФК, 29% диизобутилметилфосфоната, 36,9% N-метилпирролидона, 1,2% капролактама и 8,9% бис-[2-(N,N-диизопропиламино)-этил] дисульфида, 0,3% воды. Таким образом, скорость разложения ИБЭМФК составляет 21,4 мг/л/ч.The obtained immobilized biocatalyst without any adaptation to toxic substrates provides 65% decomposition of 2370 mg / l of IFC isobutyl ether (IBEMPA) in a 1 L aerobic reactor under continuous cultivation at 30 ° C while stirring the medium with bubbling for 72 hours and when using as a culture medium for the reaction mass obtained as a result of chemical destruction of substance Vx according to the formulation RD-4M, adopted in the Russian Federation for the destruction of organophosphorus toxic substances [Shkodich P.E., Zheltobryukhov V.F., Kla Uchev V.V. Environmental and hygienic aspects of the problem of the destruction of chemical weapons. // Volgograd: VolSU Publishing House, 2004, 236 s], diluted 100 times with the minimum medium described in the above Examples, with the additional introduction of 25 g / l glucose as a carbon source. The reaction mass obtained after chemical destruction of Vx has the following composition: 23.7% IBEMPK, 29% diisobutylmethylphosphonate, 36.9% N-methylpyrrolidone, 1.2% caprolactam, and 8.9% bis- [2- (N, N -diisopropylamino) ethyl] disulfide, 0.3% water. Thus, the decomposition rate of IBEMPA is 21.4 mg / l / h.

1087 мг/л (или 11,3 мМ) МФК, образующейся при разложении ИБЭМФК, также подвергается разложению под действием иммобилизованного биокатализатора и за то же время (72 ч) в той же реакционной среде в присутствии ИБЭМФК и других компонентов реакционной массы разлагается на 70%, то есть скорость разложения МФК составляет 15,1 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 250 сут.1087 mg / l (or 11.3 mmol) of the MPA produced by the decomposition of IBEMPA is also decomposed by an immobilized biocatalyst and, at the same time (72 h), in the same reaction medium in the presence of IBEMPK and other components of the reaction mixture decomposes into 70 %, that is, the IFC decomposition rate is 15.1 mg / l / h. The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 250 days.

Пример 6. Биокатализатор на основе клеток Pseudomonas sp. 78Г, включенных в криогель ПВС, для разложения изопропилового эфира МФК и МФК в составе реакционных масс, полученных в результате химического уничтожения зарина химическим гидролизом.Example 6. Cell-based biocatalyst Pseudomonas sp. 78G included in the PVA cryogel for the decomposition of isopropyl ether IFC and IFC as a part of the reaction masses obtained as a result of chemical destruction of sarin by chemical hydrolysis.

Иммобилизованный биокатализатор, полученный как описано в Примере 3, при его введении в среду, содержащую реакционные массы, полученные после химического уничтожения зарина в результате обработке 10 М растрвором NaOH при 90°С и разбавленные в 1000 раз минимальной средой, содержащей 0,1 г/л MgSO4×7H2O, 0,5 г/л NaCl, 1 г/л NH4Cl, 8 г/л NaHCO3 (рН 9,5) и 25 г/л глюкозы в качестве источника углерода, обеспечивает без какой-либо адаптации к токсичным субстратам 100% разложение содержащегося в среде 250 мг/л изопропилового эфира МФК (ИПЭМФК) в аэробном реакторе объемом 1 л с непрерывным режимом культивирования при 28°С при перемешивании среды барботажем в течение 26 ч. Таким образом, скорость разложения изобутилового эфира МФК составляет 9,6 мг/л/ч.An immobilized biocatalyst obtained as described in Example 3, when introduced into a medium containing reaction masses obtained after chemical destruction of sarin by treatment with a 10 M NaOH solution at 90 ° C and diluted 1000 times with a minimum medium containing 0.1 g / l MgSO 4 × 7H 2 O, 0.5 g / l NaCl, 1 g / l NH 4 Cl, 8 g / l NaHCO 3 (pH 9.5) and 25 g / l glucose as a carbon source, without which or adaptation to toxic substrates 100% decomposition of 250 mg / l of MFK isopropyl ether (IPEMFK) in an aerobic reactor with a volume of 1 l does not discontinuous cultivation at 28 ° C while stirring the medium with bubbling for 26 hours. Thus, the decomposition rate of the isofutyl ether of MPA is 9.6 mg / l / h.

190 мг/л МФК, образующейся при разложении ИПЭМФК, также подвергается разложению под действием иммобилизованного биокатализатора и за то же время (26 ч) в той же реакционной среде в присутствии ИПЭМФК разлагается на 100%, то есть скорость разложения МФК составляет 7,3 мг/л/ч. Полученный биокатализатор способен функционировать в такой системе до 245 сут.190 mg / l of the MPA produced by the decomposition of IPEMPA is also decomposed by the immobilized biocatalyst and at the same time (26 h) in the same reaction medium in the presence of IPEMPK it decomposes 100%, i.e., the decomposition rate of MPC is 7.3 mg / l / h The resulting biocatalyst is able to function in such a system for up to 245 days.

Таким образом, такое ранее неизвестное сочетание компонентов биокатализатора, то есть биомассы клеток индивидуальных бактериальных культур, обладающих высокой биодеградационной активностью по отношению к МФК и ее эфирам, и криогеля ПВС, формируемого в среде воздуха, при заявляемом соотношении компонентов данного биокатализатора и приводит к получению биокатализатора, имеющего следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом.Thus, such a previously unknown combination of biocatalyst components, that is, biomass of cells of individual bacterial cultures having high biodegradation activity with respect to MPA and its esters, and PVA cryogel formed in air, with the claimed ratio of the components of this biocatalyst and results in a biocatalyst having the following advantages compared to analogues and prototype.

1. Заявляемый биокатализатор обладает существенно улучшенной скоростью разложения как МФК, так и ее эфиров, которые достигают, соответственно, 18 мг/л/ч (Пример 1) и 21,4 мг/л/ч (Пример 5), что превышает те же показатели у аналогов и прототипа в 2,8 раз по эфирам МФК и в 10 раз по МФК. При этом биокатализатор позволяет осуществлять разложение токсичных субстратов в широком диапазоне концентраций.1. The inventive biocatalyst has a significantly improved decomposition rate of both MPA and its esters, which reach, respectively, 18 mg / l / h (Example 1) and 21.4 mg / l / h (Example 5), which exceeds the same the performance of analogues and prototype is 2.8 times for IFC esters and 10 times for IFC. Moreover, the biocatalyst allows the decomposition of toxic substrates in a wide range of concentrations.

2. Заявляемый биокатализатор характеризуется увеличенным периодом функционирования, в частности до 310 сут (Пример 4), что превышает продолжительность использования аналогичных биокатализаторов, представленных в качестве аналогов и прототипа, более чем в 1,5-22 раза.2. The inventive biocatalyst is characterized by an extended period of functioning, in particular up to 310 days (Example 4), which exceeds the duration of use of similar biocatalysts, presented as analogues and prototype, by more than 1.5-22 times.

3. Разработанный иммобилизованный биокатализатор не нуждается в адаптации перед его использованием для разложения МФК или ее эфиров, взятых для этих целей в виде чистых веществ или в составе реакционных масс сложного химического состава.3. The developed immobilized biocatalyst does not need adaptation before its use for the decomposition of MPC or its esters, taken for these purposes in the form of pure substances or as part of the reaction masses of a complex chemical composition.

4. Формирование биокатализатора в отсутствие гексана позволяет существенно технически упростить процесс получения биокатализатора на основе криогеля поливинилового спирта, разнообразить форму получаемого биокатализатора, а также значительно улучшить его экологическую, экономическую и социальную, с точки зрения элиминирования негативного воздействия токсичного растворителя на здоровье людей, стороны.4. The formation of a biocatalyst in the absence of hexane can significantly technically simplify the process of producing a biocatalyst based on polyvinyl alcohol cryogel, diversify the form of the resulting biocatalyst, and significantly improve its environmental, economic and social aspects, in terms of eliminating the negative effects of a toxic solvent on human health.

Claims (1)

Биокатализатор для разложения метилфосфоновой кислоты и ее эфиров, являющихся продуктами химического разложения фосфорорганических отравляющих веществ типа зарина, зомана и Vx, содержащий иммобилизованную биомассу клеток бактерий и криогель поливинилового спирта в качестве носителя, отличающийся тем, что биокатализатор содержит клетки индивидуальных бактериальных культур Pseudomonas species 78Г, Escherichia coli DH5α/pTrcTE-OPH, Escherichia coli SG13009[pREP4]/pTES-His-OPH, способных к деградации фосфорорганических соединений с С-Р-связью и включенных в криогель поливинилового спирта, формирование которого происходит в среде воздуха, и имеет следующий компонентный состав, мас.%:
Биомасса бактериальных клеток 0,125÷0,725 Криогель поливинилового спирта 7,6÷12,8 Водная фаза До 100
A biocatalyst for the decomposition of methylphosphonic acid and its esters, which are the products of the chemical decomposition of organophosphorus toxic agents such as sarin, soman and Vx, containing immobilized biomass of bacterial cells and polyvinyl alcohol cryogel as a carrier, characterized in that the biocatalyst contains cells of individual bacterial cultures of Pseudomonas cultures 78 Escherichia coli DH5α / pTrcTE-OPH, Escherichia coli SG13009 [pREP4] / pTES-His-OPH capable of degradation of organophosphorus compounds with a C-P bond and incorporated into the polyvinyl cryogel about alcohol, the formation of which occurs in an air environment, and has the following component composition, wt.%:
Bacterial cell biomass 0.125 ÷ 0.725 Polyvinyl alcohol cryogel 7.6 ÷ 12.8 Water phase Up to 100
RU2007136007/13A 2007-10-01 2007-10-01 Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters RU2360967C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007136007/13A RU2360967C1 (en) 2007-10-01 2007-10-01 Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007136007/13A RU2360967C1 (en) 2007-10-01 2007-10-01 Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007136007A RU2007136007A (en) 2009-04-10
RU2360967C1 true RU2360967C1 (en) 2009-07-10

Family

ID=41014424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007136007/13A RU2360967C1 (en) 2007-10-01 2007-10-01 Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2360967C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451077C1 (en) * 2011-01-12 2012-05-20 Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова Method for enzymatic hydrolysis of organophosphorous soil compounds
RU2553561C2 (en) * 2006-07-21 2015-06-20 Сайленс Терапьютикс Аг Means for inhibiting proteinkinase 3 expression
RU2603259C1 (en) * 2015-07-28 2016-11-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) METHOD FOR DETOXIFICATION OF WHITE PHOSPHORUS USING MICROORGANISM STRAIN Trichoderma asperellum VKPM F-1087
RU2636041C2 (en) * 2016-12-20 2017-11-17 Елена Николаевна Ефременко Immobilized bioacatalyst for bacterial cellulose production
RU2806184C1 (en) * 2022-11-09 2023-10-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ) Biocatalyst for the destruction of xanthan based on immobilized cells of symbiotic mixture of bacteria

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG Y. et al. Biodegradation of neutralized sarin. Biotechnol. Bioeng. 1999. vol.64, no. 2, pp.221-231. *
ЛОЗИНСКИЙ В.И. и др. Реологические свойства криогелей поливинилового спирта, содержащих иммобилизованные клетки микроорганизмов. Инженерная энзимология. Материалы VI Всесоюзного симпозиума. Часть I. Вильнюс, 1988, с.73-74. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2553561C2 (en) * 2006-07-21 2015-06-20 Сайленс Терапьютикс Аг Means for inhibiting proteinkinase 3 expression
RU2451077C1 (en) * 2011-01-12 2012-05-20 Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова Method for enzymatic hydrolysis of organophosphorous soil compounds
RU2603259C1 (en) * 2015-07-28 2016-11-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) METHOD FOR DETOXIFICATION OF WHITE PHOSPHORUS USING MICROORGANISM STRAIN Trichoderma asperellum VKPM F-1087
RU2636041C2 (en) * 2016-12-20 2017-11-17 Елена Николаевна Ефременко Immobilized bioacatalyst for bacterial cellulose production
RU2806184C1 (en) * 2022-11-09 2023-10-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ) Biocatalyst for the destruction of xanthan based on immobilized cells of symbiotic mixture of bacteria

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007136007A (en) 2009-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jianlong et al. Biodegradation of quinoline by gel immobilized Burkholderia sp.
Lozinsky et al. Poly (vinyl alcohol) cryogels employed as matrices for cell immobilization. 3. Overview of recent research and developments
Mulchandani et al. Detoxification of organophosphate nerve agents by immobilized Escherichia coli with surface‐expressed organophosphorus hydrolase
Lan et al. Biodegradation of oil wastewater by free and immobilized Yarrowia lipolytica W29
Cunningham et al. Bioremediation of diesel-contaminated soil by microorganisms immobilised in polyvinyl alcohol
Zhang et al. Rapid degradation of dimethomorph in polluted water and soil by Bacillus cereus WL08 immobilized on bamboo charcoal–sodium alginate
US9404163B2 (en) Pseudomonas putida strain as well as its microbial inoculum and application
CN108753662B (en) Low-temperature dimethyl phthalate high-efficiency degrading bacterium and fermentation method thereof
RU2360967C1 (en) Immobilised bacteria cells biocatalyst for decomposition of methylphosphonic acid and its esters
Kaya et al. The viability of Scenedesmus bicellularis cells immobilized on alginate screens following nutrient starvation in air at 100% relative humidity
Kim et al. Engineered whole-cell biocatalyst-based detoxification and detection of neurotoxic organophosphate compounds
Grizeau et al. Glycerol production by Dunaliella tertiolecta immobilized within Ca-alginate beads
RU2484130C1 (en) STRAIN OF BACTERIA Pseudomonas panipatensis VKPM V-10593 - DESTRUCTOR OF OIL AND OIL PRODUCTS
Mulla et al. Enhanced degradation of 3-nitrobenzoate by immobilized cells of Bacillus flexus strain XJU-4
Zhu et al. Degradation characteristics and soil remediation of thifensulfuron-methyl by immobilized Serratia marcecens N80 beads
CN1206174C (en) Microbe capable of degradation removing microcystin from water bloom
WO2008126669A2 (en) Method for producing pyruvic acid
RU2401298C1 (en) BACTERIA STRAIN Achromobacter sp - ORGANOPHOSPHONATE DESTRUCTOR AND METHOD OF APPLICATION THEREOF FOR SOILS BIOREMEDIATION
RU2408724C2 (en) METHOD FOR BIODECOMPOSITION OF ORGANOPHOSPHORUS COMPOUNDS IN REACTION MASS OBTAINED FROM CHEMICAL DECOMPOSITION OF Vx-TYPE SUBSTANCE
Lal et al. Use of microbes for detoxification of pesticides
KR100443156B1 (en) Liquid-type microbial agent for odors removal and its manufacturing method
CN112574918A (en) Ammonia nitrogen degrading bacteria, microbial agent and application thereof
Parvanova-Mancheva et al. Biodegradation potential of Pseudomonas putida to phenol compared to Xanthobacter autotrophicus GJ10 and Pseudomonas denitrificans strains
Trevors Hydrophobic medium (HM) water interface, cell division and the self-assembly of life
RU2181701C2 (en) Biological preparation "avalon" for cleaning environmental objects to remove petroleum and petroleum derivatives, and method of preparation thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121002

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20131020

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20140325