Биологические свойства микроорганизмов, обладающих фитазной активностью

По-видимому, эти соединения участвуют в фосфолипидной сигнализации и играют важную роль в ряде физиологических процессов, обеспечивающих взаимоотношения паразит-хозяин, включая выживание клеток патогена и регуляцию транспортных функций мембраны. Установлено, что некоторые возбудители активно секретируют мио-инозитолфосфаты, образование которых связано с различными механизмами патогенеза [29].
Описание фитазной активности
Фитаза представляет собой фосфомоноэстеразу, фермент, который гидролизует фитаты (соединения фитиновой кислоты) с высвобождением фосфора, рН-оптимум фитазы колеблется в пределах 2,2 - 8,0. Большинство микробных фитаз имеют оптимум рН 4,5-5,6.
Известно, что фитазы представляют собой ферменты, катализирующие последовательный гидролиз фитатов до мио-инозитола и неорганического фосфата [2].
Фитазы (мио-инозитол-1,2,3,4,5,6-гексакисфосфатфосфогидролазы) представляют собой группу ферментов, принадлежащих к подклассу фосфатаз, которые высвобождают по крайней мере один ион фосфата из молекулы фитиновой кислоты. В результате гидролиза фитиновой кислоты образуются низшие, то есть содержащие менее шести остатков фосфорной кислоты, инозитолфосфаты, инозитол и неорганический фосфат, а также высвобождаются связанные с фитатами катионы [6].
Фитазы представляют собой класс гидролаз и подкласс фосфатаз, которые катализируют гидролиз моноэфиров фосфорной кислоты. Фитазы осуществляют ступенчатое отщепление ортофосфат-ионов от фитиновой кислоты с образованием в качестве промежуточных продуктов пента-, тетра-, три-, ди- и монофосфатов инозитола [1].
Фитаза разрушается при 80°С менее чем за 10 минут. Во влажных условиях фитазы разрушаются при 55-65°С. В некоторых источниках пишут, что для разрушения фитаз достаточно 40 градусов. Термическая обработка, такая как экструзия, полностью разрушает фитазу.
Фитаза присутствует в небольших количествах в овсе, но ее нагревание при производстве товарных злаков делает ее неактивной.
В злаках и бобовых около 60-80% общего фосфора находится в форме фитатов. Фитаза не вырабатывается животными организмами, а в растениях ее мало, поэтому этот связанный фосфор практически недоступен птицам и другим животным с однокамерным желудком. Введение фитазы в рацион сельскохозяйственных животных позволяет сделать доступными фосфор, другие микроэлементы и питательные вещества [34].
Использование фитазы в кормлении может повысить продуктивность животных, снизить затраты на выращивание и улучшить чистоту производственного процесса за счет уменьшения выброса фосфора в окружающую среду. На сегодняшний день экономическая выгода и безопасность использования фитазы в кормлении сельскохозяйственных животных не вызывает сомнений. Препараты на его основе используются во всех видах рационов животных и птиц с однокамерным желудком.
Непосредственно у птиц фермент также вырабатывается в мизерных количествах, поэтому фитаза транзитом выходит из кишечника, одновременно захватывая катионы металлов, витамины и другие питательные вещества. Поскольку пепсин не способен разрушить фитатно-белковый комплекс, в желудке в качестве компенсаторного механизма увеличивается секреция пепсина и соляной кислоты. Повышение желудочной секреции расходует питательные вещества и энергию, что приводит к снижению продуктивности животного. Наряду с антипитательными свойствами фитаты представляют экологическую опасность, так как в процессе утилизации подстилки и навоза могут привести к фосфорному загрязнению подземных вод. Для решения этих проблем в корм добавляют ферментные препараты на основе фитазы [35].
Фитаза вырабатывается многими микроорганизмами - бактериями, грибами и дрожжами. Для промышленного производства фитазы используют высокопродуктивные штаммы Aspergillus niger.
Среди штаммов грибов-продуцентов фитазы известны представители родов Aspergillus, Mucor, Penicillium, Rhizopus и др. Микроскопические грибы являются наиболее распространенными продуцентами фитазы, так как они синтезируют внеклеточную кислотоустойчивую фитазу (pH 4,0–7,3).
Фитаза обнаружена у различных бактерий: Aerobacter aerogenes, Pseudomonas sp., Bacillus subtilis, Klebsiella sp., Escherichia coli, Enterobacter sp., Bacillus amyloliquefaciens. Но только бактерии родов Bacillus и Enterobacter способны к внеклеточному синтезу фермента. Штаммы-продуценты бактерий не представляют интереса для промышленного производства фитазы, так как синтезируют фермент, активный только при нейтральных значениях рН (6,5–7,5). Кроме того, внутриклеточный синтез фитазы усложняет процедуру очистки фермента [6].
Для производства фитазы используют методы глубинного и поверхностного возделывания. Использование твердофазного культивирования наиболее подходит для синтеза фермента грибами-продуцентами, однако глубинное культивирование является основным методом промышленного производства фитазы [32].
В литературе рассмотрены различные технологии получения фитазы, но они не имеют прикладного применения. Использование различных сельскохозяйственных отходов в качестве сырья для производства фитазы изучается научными центрами Индии, Марокко, Таиланда.
Для получения фитазы можно использовать глубинное культивирование с использованием предварительно обработанного сельскохозяйственного сырья. Суть обработки заключается в промывке мелкоизмельченного субстрата дистиллированной водой с целью удаления неорганического фосфата – ингибитора синтеза фитазы [7].
Для производства фитазы на сельскохозяйственных отходах поверхностным способом возделывания предлагается использовать пшеничные и рисовые отруби, шрот, тростниковую бегассу и др.
Существует две группы фитаз: 3-фитазы (EC3.1.3.8.) или 6-фитазы (EC3.1.3.26), в зависимости от положения группы фосфомоноэфира фитиновой кислоты, в котором происходит гидролиз. Наиболее многочисленная и изученная группа фитатдеградирующих ферментов относится к семейству гистидинкислотных фосфатаз. Как и у дрожжей, уровень синтеза фитазы зависит от количества неорганического фосфата в среде [5].
Большая часть (около 2/3) общего фосфора в растительных продуктах находится в форме солей фитиновой кислоты — фитатов. Фитаза осуществляет как синтез, так и гидролиз фитиновой кислоты. Из-за неспособности домашней птицы производить эндогенную фитазу фосфор, кальций, белки и другие питательные вещества, связанные с фитиновой кислотой, становятся менее доступными. Для рационального использования питательного потенциала кормов и получения более экономичной и экологически чистой продукции птицеводства целесообразно использовать микробную фитазу. Обогащение рациона микробной фитазой делает фосфор, кальций, цинк и медь более доступными, улучшает усвояемость корма и стимулирует прирост живой массы. Эффективность применения микробной фитазы зависит от дозы, соотношения кальция и фосфора в рационе, обеспеченности витамином Д3, состава рациона, возрастных и генетических особенностей животных и птиц [32].
Исходя из вышеизложенного материала, фитазы представлены на нашем рынке двумя видами: 3- и 6-фитазы. Оба типа фитазы присутствуют в растительном сырье, а также могут синтезироваться различными микроорганизмами (грибами и бактериями). При этом то, какая фитаза будет синтезирована, определяется не видом микроорганизмов (грибы или бактерии), а их родом. Например, бактерии рода Bacillus subtilis и гриб рода Aspergillus niger синтезируют 3-фитазу, а бактерии рода Escherichia coli и гриб рода Peniophora lycii синтезируют 6-фитазу [7, 33].
Ранее исходя из того, какие микроорганизмы являются продуцентами фитазы, использовали определение «грибная фитаза» или «бактериальная фитаза», подразумевая в первом случае 3-фитазу, во втором — 6-фитазу. Но сейчас такое разграничение утратило смысл, так как за последние 15 лет микробиологическая наука не стояла на месте: активно разрабатывались новые методы селекции и исследования микроорганизмов для получения лучших штаммовых показателей и большей активности, получаемой фитазой. В последнее десятилетие генно-инженерные технологии широко применяются при селекции штаммов на определенных стадиях для получения промежуточных видов микроорганизмов. Выделены новые штаммы микроорганизмов, которые используются для получения более активных форм фитазы [35].
Активность фитазы во всех препаратах обычно указывается в единицах активности фитазы на грамм конечного продукта (FTU/г или FYT/г). Одна единица активности фитазы (1 FTU) соответствует количеству фермента, высвобождающего 1 мкмоль неорганического фосфора в минуту из субстрата (фитат натрия) при концентрации 5,1 ммоль при рН 5,5 и температуре 37°С [3].
Дискуссия о том, какая из фитаз - 3-фитаза или 6-фитаза лучше и активнее, ведется с самого начала выхода фитазных препаратов на рынок. Первоначально можно было утверждать, что 3-фитаза, полученная из Aspergillus niger, обладала более высокой активностью, что было подтверждено соответствующими экспериментами и дозировками на 1 т/корма. 15 лет назад 500 FTU 3-фитазы выделяли столько же фосфора, сколько 750 FTU 6-фитазы. В настоящее время ситуация резко изменилась: 6-фитаза не только не уступает 3-фитазе, но по многим параметрам даже превосходит ее. Это один из результатов прогресса, достигнутого за 15 лет. Одним из основных отличий двух видов фитаз является их активность при различных значениях рН, меняющихся на всем протяжении желудочно-кишечного тракта птицы [31].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подводя итоги данной работы, следует отметить, что микробное воздействие на вещество может привести к его трансформации, фрагментации или полной минерализации, утилизации. При разрушении сложных веществ важное значение имеют процессы синтрофии, когда соединение разлагается совместными усилиями нескольких микроорганизмов. Одним из вариантов ферментативного гидролиза является гидролиз микроорганизмами при их инкубации в среде с субстратом. Кератиназной активностью обладают патогенные грибы (дерматофиты - Keratinomyces, Microsporum, Trichophyton, Epidermophiton), а также ряд почвенных грибов. К настоящему времени среди бактерий известно много штаммов, также способных гидролизовать кератины. Также кератиндеградирующие актиномицеты выделяют и из природных субстратов (почвы, водоемы), из организма животных. На сегодняшний день среди термофильных бактерий и архей, разлагающих кератины пера, известно менее двух десятков организмов. Среди представителей типа Firmicutes известны бактерии, способные разлагать кератин, — Thermoanaerobacter keratinophilus, Brevibacillus thermoruber, Keratinibaculum paraultunense, Geobacillus stearothermophilus, Caldicoprobacter algeriensis и так далее. Таким образом, использование культур микроорганизмов, способных перерабатывать кератинсодержащие отходы за счет вырабатываемых кератиназ, считается весьма эффективным методом утилизации органических отходов на птицефабриках. Анализ всех биологических свойств микроорганизмов-утилизаторов в совокупности помогает определить тип бактериальной клетки. Так, например, деградация кератина под действием микробных кератиназ представляет собой двухстадийный процесс, называемый кератинолизом, первая стадия которого — сульфолиз, то есть разрушение дисульфидных связей, а вторая стадия — протеолиз. Анаэробная деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многостадийный процесс, который, в свою очередь, требует участия как минимум четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, ферментеров, ацетогенов и метаногенов. При всем многообразии микроорганизмов, способных различным образом утилизировать отходы производства, установлено, что внедрение в ризосферу фитаз, выделенных из бактерий, способствует утилизации фосфора из почвенных фитатов. Фитазы представляют собой ферменты, катализирующие последовательный гидролиз фитатов до мио-инозитола и неорганического фосфата. Существует две группы фитаз: 3-фитазы (EC3.1.3.8.) или 6-фитазы (EC3.1.3.26). Использование фитазы в кормлении позволяет улучшить продуктивность птицы, снизить затраты на выращивание и улучшить чистоту производственного процесса за счет снижения выброса фосфора в окружающую среду.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
A novel serine alkaline protease from Bacillus altitudinis GVC11 and its application as a dehairing agent / V.K. Eedunuri, S. Mukkala, K. Kandalai [et al] // Bioprocess and biosystems engineering. 2010. 34 (4): 403-9.
Keratin degradation by Fervidobacterium pennavorans, a novel thermophilic anaerobic species of the order Thermotogales / A.B. Friedrich, G. Antranikian // Applied and Environmental Microbiology.1996. V. 62. P. 2875-2882.
Keratinolytic activity of Streptomyces satrin BA7 a new isolate from Turkey / H. Korkmaz, C. Ünaldi, M. Nisa [et al] // Annals of Microbiology. 2003. 53. P. 85-93.
Molecular characterization of fervidolysin, a subtilisin-like serine protease from the thermophilic bacterium Fervidobacterium pennivorans / L.D. Kluskens, W.G.Voorhorst [et al] // Extermophiles. 2002. V. 6(3). P. 185-194.
Native-feather degradation by Fervidobacterium islandicum AW-1, a newly isolated keratinase-producing thermophilic anaerobe / G.W. Nam, D.W. Lee, H.S. Lee [et al] // Archives of Microbiology. 2002. 178 (6). P. 538–547.
Turner B.L., Richardson A.E., Mullaney E.J. Eds. Phytases: Attributes, Catalytic Mechanisms and Applications. Inositol phosphates: linking agriculture and the environment // CAB International. 2007. P. 97-110.
Utilization of soil organic phosphorus by higher plants / A. E. Richardson, T George, M. Hens [et al] // Organic phosphorus in the environment. Wallingford. UK: CABI Publishing, 2005. P. 165-184.
Биоремедиация: принципы, проблемы, подходы / В.В. Вельков // Биотехнология. 1995 (34): 20-7.
Биотехнологические аспекты утилизации отходов птицеперерабатывающих предприятий / А.И. Пискаева // Уникальные исследования XXI века. 2016. №10(22). С.5-25.
Бурюхаев С.П. Микробная деструкция органического вещества в болотных экосистемах дельты р. Селенга: специальность 03.00.16 Экология: автореферат диссертации кандидата биологических наук. Улан-Удэ, 2000. 21с.
Калюжин, В.А. Влияние экологически значимых факторов на биокинетические показатели микроорганизмов: специальность 03.02.08: Экология (биологические науки): автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Томск, 2010. 48 с.
Кореньков А. Д. Технологическое моделирование комбинированного процесса биологического удаления фосфора из сточных вод: специальность 03.01.06 Биотехнология (в том числе бионанотехнологии): диссертация кандидата технических наук. Щелково, 2011. 199 с.
Лысенко, В.П. Экологические проблемы птицефабрик России и роль биотехнологии в переработке органических отходов, 2012. URL: http://rostechbio.ru/?p=858 (Дата обращения: 22.05.2021)
Микроорганизмы как продуценты фитаз / А. Д. Мухаметзянова, А. И. Ахметова, М. Р. Шарипова // Микробиология. 2012. Т. 81. № 3. С. 291.
Микроорганизмы, перерабатывающие отходы, 2011. URL: https://www.altsyn.com/energonovosti/472/mikroorganizmy-pererabatyvayushchie-otkhody (Дата обращения: 19.05.2021)
Многообразие бактериальных свойств. URL: https://probakterii.ru/prokaryotes/vital-functions/svojstva-bakterij.html (Дата обращения: 23.05.2021)
Нетрусов А.И. Микробиология: теория и практика. В 2 ч. Часть 1: учебник для вузов. М.: Издательство Юрайт, 2020. 315 с
Нетрусов А.И. Микробиология: Учебник. М.: Academia, 2016. 416 c.
Переработка помета на птицефабриках, 2016. URL: https://agrovesti.net/lib/tech/poultry-tech/pererabotka-pometa-na-ptitsefabrikakh.html (Дата обращения: 22.05.2021)
Переработка отходов птицефабрик: современные подходы и перспективы / О.А. Подосокорская // Auditorium. 2017. №3(15). С.2-35.
Получение высокобелковой кормовой добавки из перопуховых отходов / А. И. Пискаева // автореферат диссертации кандидата технических наук. Кемерово, 2019
Прикладная экобиотехнология: учебное пособие в 2 т. Т. 1. / А.Е. Кузнецов, Н. Б. Градова, С. В. Лушников [и др.] М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. URL: https://studfile.net/preview/15924729/ (Дата обращения: 19.05.2021)
Природные и рекомбинантные фитазы микроорганизмов / В.А. Савинов, Е.В. Самбук, М.В. Падкина // Biological Communications. 2007. №2. С.66-75.
Редкозубов О. Фитаза, что изменилось за последние 15 лет, 2015. URL: https://phytate.ru/fitaza-chto-izmenilos-za-poslednie-15-let/ (Дата обращения: 20.05.2021)
Сантаза PT. Термостабильная фитаза нового поколения с активностью 10 000 ед/кг. URL: https://medoprovet.ru/wp-content/uploads/2015/02/prsnt-suntaza-pt.pdf (Дата обращения: 21.05.2021)
Свойства бактерий: биохимические, антигенные, гемолитические, полезные и вредные. URL: https://probakterii.ru/prokaryotes/vital-functions/svojstva-bakterij.html (Дата обращения: 20.05.2021)
Синицын, Г.А. Способ микробиологической переработки органических отходов. URL: https://findpatent.ru/patent/272/2721705 (Дата обращения: 20.05.2021)
Системы земледелия Ставрополья / А. А. Жученко. В. И. Трухачева ред. Ставрополь: Ставропольский государственный аграрный университет (АГРУС), 2011. 844 с.
Сулейманова А. Д. Новая гистидиновая кислая фитаза Pantoea vagans: выделение и свойства: специальность 03.02.03 Микробиология: автореферат дис. кандидата биологических наук. Казань, 2013 27 с.
Труфанов О. Фитаза в кормлении сельскохозяйственных животных и птицы. Киев: ПолиграфИнко, 2011. 112 с.
Фитаза. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1884151 (Дата обращения: 20.05.2021)
Фитаза микромицета Aspergillus niger – потенциальный пищевой микроингредиент / Н.М. Муста Оглы, Н.Ю. Шарова, А.Р. Юшкаускайте // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018 Т. 8, N 1 С. 82–91.
Фитиновая кислота, часть 2: фитаза вам в помощь. URL: https://www.beloveshkin.com/2015/02/2.html (Дата обращения: 18.05.2021)
Шамханов Ч. Ю. Получение и применение кератиновых продуктов на основе биомодификации сырья мясной промышленности: теория и практика: cпециальность: 05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств: дис. доктора технических наук. Воронеж, 2004. 470 с.
Экологические аспекты развития интенсивного птицеводства в Белгородской области / А. Б. Соловьев, О. В. Биньковская, В. Г. Зиновьев [и др.] // Проблемы региональной экологии. 2011. № 2. С. 124-127.








37