НЕФТЕХИМИЯ, 2013, том 53, № 5, с. 374-377
УДК 579.22:579.66:547.912
БАКТЕРИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ «-АЛКАНОВ С НЕЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ АТОМОВ УГЛЕРОДА В МОЛЕКУЛЕ
© 2013 г. А. Р. Строева, М. В. Гируц, В. Н. Кошелев, Г. Н. Гордадзе
Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва
E-mail: gordadze@rambler.ru Поступила в редакцию 02.03.2013 г.
В нативной биомассе хемоорганогетеротрофных бактерий Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM обнаружены н-алканы с нечетным числом атомов углерода и соответствующие непредельные жирные н-кислоты с четным числом атомов углерода в молекуле. Помимо этого в нативных биомассах исследуемых бактерий, в значительно меньших концентрациях по сравнению с н-алка-нами с нечетным числом атомов углерода, обнаружены н-алканы с четным числом атомов углерода состава С8 и Сю. Оба штамма синтезируют непредельный нерегулярный изопренан — сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен). Высказано предположение о том, что превалирование н-алканов с нечетным числом атомов углерода над четными в слабозрелых неф-тях обусловлено не только высокотемпературным декарбоксилированием соответствующих кислот с четным числом атомов углерода, но и существованием бактериального синтеза.
Б01: 10.7868/80028242113050092
Вопросы образования нефтяных углеводородов и их залежей в научной литературе обсуждаются уже более 200 лет. В настоящее время существуют две основные гипотезы образования нефти: органическая (осадочно-миграционная) и неорганическая (абиогенная). По всей видимости, образование нефти абиогенным путем происходило в геологической истории Земли преимущественно до возникновения жизни. После чего, по всей вероятности, начинает преобладать органический нафтидогенез. В осадочно-мигра-ционной гипотезе нефтеобразования прокариотам традиционно отводилась важная роль в начальном преобразовании биомассы эукариот, а также на конечных стадиях миграции нефти во вмещающую породу. Однако к моменту появления эукариот все верхние оболочки Земли уже были преобразованы вследствие биогеохимической деятельности прокариот, продолжающейся и в настоящее время [1]. Учитывая возраст нефти и этапы эволюции живых организмов, можно предположить, что первоначальным источником углеводородов нефти были именно прокариоти-ческие организмы.
Основное внимание в осадочно-миграци-онной гипотезе образования углеводородов нефти уделяется термическим и термокаталитическим процессам преобразования исходного органического вещества [2]. В частности, считается, что н-алканы с нечетным числом атомов углерода, преобладающие в слабопреобразованном органическом веществе, генерировались путем де-
карбоксилирования при высоких температурах соответствующих жирных н-кислот с четным числом атомов углерода. При этом в нефтях морского генезиса превалируют более низкомолекулярные н-алканы (С15, С17, С19), а в нефтях континентального генезиса — более высокомолекулярные (С25, С29, С31) [2].
Одновременно необходимо отметить, что в природе встречаются нефти ранней генерации, которые не претерпели никаких термических и каталитических воздействий. В этих нефтях также преобладают н-алканы с нечетным числом атомов углерода в молекуле [3,4]. Важно отметить и то, что в органическом веществе грунтов, которое также не было подвергнуто температурному воздействию, преобладают н-алканы с нечетным числом атомов углерода [5]. Образование таких н-алканов можно объяснить бактериальным синтезом, поскольку декарбоксилирование происходит при относительно высоких температурах. Однако экспериментального подтверждения этому феномену нет.
В связи с этим, целью данной работы стало определение углеводородов и других соединений, образующихся в нативной биомассе бактерий.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследования стали хемоорганоге-теротрофные аэробные бактерии Arthrobacter sp. RV и бактерии Pseudomonas aeruginosa RM, спо-
№ пиков: 1, 2, 5, 6, 8, 10, 12 — н-алканы состава С7, С8, С10, Сп, С13, С15, С17, соответственно. Пик №3 — н-алкен С9
№ пиков: 7, 9, 11, 13, 15 — непредельные н-кислоты состава
С8, С10, С12, С14, С18, соответственно. Пик №14 — предельная н-кислота С16
4 — н-октаналь
15
Сквален
_i_I_I_I
LAuJ
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Время выхода, мин
Рис. 1. Хроматограмма хлороформного экстракта нативной биомассы Pseudomonas aeruginosa RM.
собные как к аэробному, так и к анаэробному росту в процессе денитрификации.
Углеводородокисляющие штаммы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM культивировали твердофазным методом, чтобы тем самым, приблизиться к росту в природных условиях. P.aerugi-nosa RM растили на минерально-органической среде следующего состава, г/л: NaNO3 — 2.0; KH2PO4 - 1.0; MgSO4 7H2O - 0.25; CaCl2 • 2H2O -0.01; дрожжевой экстракт — 2.0; глюкоза — 20.0; вода дистиллированная; рН 7.0 [6]. Arthrobacter sp. RV выращивали в жидкой среде "rich" следующего состава, г/л: пептон — 2.0, дрожжевой экстракт — 1.0; гидролизат казеина — 1.0; глюкоза — 1.0; мел — 2.0; глицерин — 10 мл/л; вода водопроводная; рН 6.7— 7.2 [7]. Среды уплотняли агаром до концентрации 17.0 г/л. Штаммы P. aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV выращивали на чашках Петри при 28°C в течение 24 и 96 ч, соответственно.
Экстракцию биомассы проводили хлороформом в ультразвуковой ванне в течение 15 мин при комнатной температуре и анализировали методами капиллярной газожидкостной хроматографии и хроматомасс-спектрометрии.
Анализ образцов методом капиллярной газожидкостной хроматографии проводили на приборе Bruker 430-GC, а хроматомасс-спектромет-
рии — на приборе Agilent 6890N/5975C. Разделение углеводородов осуществляли на капиллярных колонках HP-5 25 м х 0.25 мм х 0.5 мкм. Программирование температуры осуществляли от 70 до 290°C со скоростью 4°/мин. 1аз-носитель — гелий. Все спектры были сняты при энергии ионизации 70 эВ и ускоряющем напряжении 3500 В. Температура в камере ионизации 250°С. Идентификацию соединений проводили путем добавления к исследуемым образцам предполагаемых эталонных соединений, а также с помощью использования библиотеки масс-спектров NIST
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В хлороформенных экстрактах P. aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV обнаружены одни и те же соединения в относительно близких соотношениях.
Так, в нативной биомассе P. aeruginosa RM (рис. 1) идентифицированы н-алканы с нечетным числом атомов углерода состава С7, С9, С11, С13, С15, С17; и непредельные н-кислоты с четным числом атомов углерода в молекуле состава С8, С10,
С12, С14, С16, С18.
Аналогично, в нативной биомассе Arthrobacter sp. RV (рис. 2) выявлены такие же предельные н-
376
СТРОЕВА и др.
£ о
о «
m
и
о «
S «
S
/Л 8
№ пиков: 1, 2, 5, 6, 8, 10, 12 — н-алканы состава С7, С8, Сю, Сп, С13, С15, С17, соответственно. Пик №3 — н-алкен С9
№ пиков: 7, 9, 11, 13, 15 — непредельные н-кислоты состава
С8, С10, С12, С14, С18, соответственно. Пик №14 — предельная н-кислота С16
4 — н-октаналь
14
11 I2
1. . .
Сквален
15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
%
70 60 50 40 30 20 10 0
Время выхода, мин
Рис. 2. Хроматограмма хлороформного экстракта нативной биомассы Arthrobacter sp. RV.
Pseudomans aeruginosa
%
60 50 40 30
С7 С9 С11 С13 С15 С17
20 10
0
_
С8
С10 С12 С14 С16 С18
70 60 0
40 30 20 10
0
Arthrobacter sp. RV 70
60
50
40
30
20
10
0
L
С7 С9 С11 С13 С15 С17 Число атомов "С" в н-алкане
С8 С10 С12 С14 С16 С18 Число атомов "С" в н-кислоте
Рис. 3. Относительное содержание н-алканов и н-кислот в биомассе Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV.
7
2
алканы с нечетным числом атомов углерода и непредельные н-кислоты с четным числом атомов углерода в молекуле.
Помимо этого в нативных биомассах исследуемых бактерий в значительно меньших концентрациях, по сравнению с н-алканами с нечетным числом атомов углерода, обнаружены н-алканы с четным числом атомов углерода состава С8 и С10.
Необходимо отметить, что оба штамма синтезируют непредельный нерегулярный изопренан — сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6, 10,14,18,22-гексаен).
На рис. 3 представлено относительное распределение н-алканов и соответствующих н-кислот в биомассе исследуемых бактерий. Видно, что преимущественно синтезируются н-алканы состава С7 и С9, а среди кислот —соответствующие им алифатические н-кислоты, содержащие на один атом углерода больше, состава н-С8 и н-С10. Можно предположить, что преобладание н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле в слабозрелых нефтях обусловлено не только процессами декарбоксилирования при относительно высоких температурах жирных кислот с четным числом атомов углерода, но и тем, что эти н-алка-ны могут являться непосредственными продуктами метаболизма бактерий. Этот вопрос требует дальнейшего исследования.
Таким образом, на основании исследования соединений в экстрактах нативной биомассы хемо-органогетеротрофных бактерий Pseudomonas
aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV. идентифицированы предельные н-алканы и непредельные н-жирные кислоты Установлено, что преимущественно у обоих видов бактерий образуются н-ал-каны с нечетным числом атомов углерода (состава С7, С9, Сп, С13, С15 и С17) непредельные н-кислоты с четным числом атомов углерода (состава С8, С10, С12, С14, С16 и С18) с преобладанием н-алканов состава С7 и С9 и алифатических н-кислот С8 и С10. Оба штамма синтезируют непредельный нерегулярный изопренан — сквален (2,6,10,15,19,23-гек-саметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сергеев В.Н., Нолл Э.Х., Заварзин Г.А. // Природа. 1996. № 6. С.54.
2. Тиссо Б.П., Вельте ДЖ. Образование и распространение нефти. М.: Мир, 1981.
3. Петров Ал.А, Абрютина Н.Н. // Успехи химии, 1989. Т. LVIII. Вып. 6. С. 983.
4. Петров Ал.А. // Геология нефти и газа. 1988. № 10. С. 50.
5. Гордадзе Т.Н., Грунис Е.Б., Соколов А.В., Русино-ва Г.В., Гордадзе Т.И. // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений, 2004. № 4. С. 54.
6. Назина Т.Н., Соколова Д.Ш., Григорьян А.А., Сюэ Я.-Ф., Беляев С.С., Иванов М.В. // Микробиология. 2003. Т. 72. С. 206.
7.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.