vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2021-11-3-441-448vuzbiochemi-653Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYИзучение скорости биодеструкции амфотерного сурфактанта кокамидопропилбетаина бактериями рода Pseudomonas и активным иломStudy into biodegradation of cocamidopropyl betaine, an amphoteric surfactant, by Pseudomonas bacteria and activated sludgeБурлаченкоА. С.BurlachenkoA. S.

Бурлаченко Анастасия Сергеевна

650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6

Anastasia S. Burlachenko, Kemerovo State University

6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000

nastya_sergeevna99@mail.ruСалищеваО. В.SalishchevaO. V.

Салищева Олеся Владимировна, к.х.н., доцент, доцент кафедры общей и неорганической химии

650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6

Olesya V. Salishcheva Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor, Department of General and Inorganic Chemistry

6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000

salishchevaov@mail.ruДышлюкЛ. С.DyshlyukL. S.

Дышлюк Любовь Сергеевна, к.б.н., доцент кафедры бионанотехнологии

650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6

Lyubov S. Dyshlyuk, Cand. Sci. (Biology), Associate Professor, Department of Bionanotechnology

6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000

soldatovals1984@mail.ruКемеровский государственный университетРоссияKemerovo State UniversityRussian Federation202107102021113441448Copyright © Бурлаченко А.С., Салищева О.В., Дышлюк Л.С., 20212021Бурлаченко А.С., Салищева О.В., Дышлюк Л.С.Burlachenko A.S., Salishcheva O.V., Dyshlyuk L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/653

Резюме: Целью работы являлось исследование скорости процесса биодеструкции кокамидопропилбетаина бактерииями рода Pseudomonas и активного ила. В качестве штаммов-деструкторов были взяты микроорганизмы: Pseudomonas fluorescens TR (ВКПМ В-4881), Pseudomonas putida TП-19 (B-6582), Pseudomonas stutzeri T (B-4904), Pseudomonas putida TШ-18 (B-2950), Pseudomonas putida TO (B-3959), Pseudomonas mendocina 2S (B-4710), Pseudomonas oleovorans TF4-1L (B-8621) и активный ил, полученный с аэротенков действующего предприятия Кузбасса. Биоокисление ПАВ проводили в стеклянных колбах объемом 250 см3, помещенных в шейкер-инкубатор, в условиях постоянной температуры 30 ºС для чистых культур и 18 ºС – для активного ила. Штамм-деструктор должен обладать способностью за минимальный временной интервал снижать концентрацию сурфактанта до безопасных значений. Штаммы Pseudomonas stutzeri T (В-4904) и Pseudomonas fluorescens TR (В-4881) показали наименьший период полураспада сурфактанта – 2,5 и 2,6 суток соответственно. Несколько большие периоды показали штаммы Pseudomonas putida TO (В-3959), Pseudomonas putida TШ-18 (В-2950) и Pseudomonas oleovorans TF4-1L (В-8621) – 3,0; 4,5 и 4,9 суток соответственно. Наибольший период полураспада ПАВ показали микроорганизмы Pseudomonas mendocina 2S (В-4710) – 5,5 суток, и Pseudomonas putida TП-19 (В-6582) – 6,0 суток. Максимальная степень биодеструкции сурфактанта наблюдалась при действии биоценоза микроорганизмов. За 14 суток концентрация кокамидопропилбетаина снизилась до 0,27% от его начальной концентрации. Показана эффективность использования бактерий рода Pseudomonas в качестве деструкторов сурфактантов. Бактерии данного рода имеют короткое время генерации, высокую скорость наращивания биомассы по сравнению с бактериями-деструкторами других родов и меньший период адаптации к ПАВ по сравнению с активным илом. Были подобраны штаммы микроорганизмов Pseudomonas, способных за минимальный временной интервал снижать концентрацию ПАВ до безопасных значений для последующей разработки технологии получения эффективного биопрепарата, предназначенного для очистки сточных вод от амфотерных сурфактантов.

Abstract: The paper examines the biodegradation rate of cocamidopropyl betaine by bacteria of the genus Pseudomonas and activated sludge. The following microorganisms were taken as destructor strains: Pseudomonas fluorescens TR (VKPM B-4881), Pseudomonas putida TP-19 (B-6582), Pseudomonas stutzeri T (B-4904), Pseudomonas putida TSh-18 (B-2950), Pseudomonas putida TO (B-3959), Pseudomonas mendocina 2S (B-4710), Pseudomonas oleovorans TF4-1L (B-8621) and activated sludge obtained at activated sludge reactors of a Kuzbass plant. Biooxidation of surfactant samples was carried out in 250 cm3 glass flasks, placed into an incubator shaker, at a constant temperature of 30ºС for pure cultures and 18ºС for activated sludge. The destructor strain should reduce the surfactant concentration to safe values within a minimum time interval. Pseudomonas stutzeri T (B-4904) and Pseudomonas fluorescens TR (B-4881) strains provided the shortest half-life of the surfactant under study – 2.5 and 2.6 days, respectively. For Pseudomonas putida TO (B-3959), Pseudomonas putida TSh-18 (B-2950) and Pseudomonas oleovorans TF4-1L (B-8621) strains, these values amounted to 3.0, 4.5 and 4.9 days, respectively. The maximum half-life of the surfactant under study was demonstrated by Pseudomonas mendocina 2S (B-4710) and Pseudomonas putida TP-19 (B-6582) microorganisms – 5.5 and 6.0 days, respectively. The maximum biodegradation of the surfactant was observed under its exposure to the biocenosis of microorganisms. Over 14 days, the concentration of cocamidopropyl betaine decreased to 0.27% of its initial concentration. The efficiency of Pseudomonas bacteria as destructors of surfactants was demonstrated. Bacteria of this genus exhibit a shorter generation time and a higher rate of biomass growth when compared to other strains and a shorter period of adaptation to surfactants when compared to activated sludge. Capable of reducing surfactant concentrations to safe values in a minimum time interval, Pseudomonas strains can be used as an effective agent in the development of technologies for wastewater purification from amphoteric surfactants.

поверхностно-активные веществакокамидопропилбетаинбактерии рода Pseudomonasактивный илбиодеструкцияsurfactantscocamidopropyl betainePseudomonas bacteriaactivated sludgebiodegradationReferencesHamouda T., Myc A., Donovan B., Shih A.Y., Reuter J.D., Baker J.R. A novel surfactant nanoemulsion with a unique non-irritant topical antimicrobial activity against bacteria, enveloped viruses and fungi // Microbiological Research. 2001. Vol. 156. Issue 1. P. 1–7. https://doi.org/10.1078/0944-5013-00069Hamouda T, Myc A, Donovan B, Shih AY, Reuter JD, Baker JR. A novel surfactant nanoemulsion with a unique non-irritant topical antimicrobial activity against bacteria, enveloped viruses and fungi. Microbiological Research. 2001;156(1):1–7. https://doi.org/10.1078/0944-5013-00069Reijmar K., Schmidtchen A., Malmsten M. Bactericidal and hemolytic properties of mixed LL-37/surfactant systems // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2007. Vol. 17. Issue 4. P. 293– 297. https://doi.org/10.1016/S1773-2247(07)50098-5Reijmar K, Schmidtchen A, Malmsten M. Bactericidal and hemolytic properties of mixed LL- 37/surfactant systems. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2007;17(4):293–297. https://doi.org/10.1016/S1773-2247(07)50098-5Salishcheva O.V., Prosekov A.Y. Antimicrobial activity of mono- and polynuclear platinum and palladium complexes // Foods and Raw Materials. 2020. Vol. 8. Issue 2. P. 298–311. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2020-2-298-311Salishcheva OV, Prosekov AY. Antimicrobial activity of mono- and polynuclear platinum and palladium complexes. Foods and Raw Materials. 2020;8(2):298–311. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2020-2-298-311Finnerty W.R. Biosurfactants in environmental biotechnology // Current Opinion in Biotechnology. 1994. Vol. 5. Issue 3. P. 291–295. https://doi.org/10.1016/0958-1669(94)90031-0Finnerty WR. Biosurfactants in environmental biotechnology. Current Opinion in Biotechnology. 1994;5(3):291–295. https://doi.org/10.1016/0958-1669(94)90031-0Souza E.C., Vessoni-Penna T.C., de Souza Oliveira R.P. Biosurfactant-enhanced hydrocarbon bioremediation: An overview // International Biodeterioration and Biodegradation. 2014. Vol. 89. P. 88– 94. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2014.01.007Souza EC, Vessoni-Penna TC, de Souza Oliveira RP. Biosurfactant-enhanced hydrocarbon bioremediation: An overview. International Biodeterioration and Biodegradation. 2014;89:88–94. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2014.01.007Shao W., Zhang J., Wang K., Liu C., Cui S. Cocamidopropyl betaine-assisted foam separation of freshwater microalgae Desmodesmus brasiliensis // Biochemical Engineering Journal. 2018. Vol. 140. P. 38–46. https://doi.org/10.1016/j.bej.2018.09.006Shao W, Zhang J, Wang K, Liu C, Cui S. Cocamidopropyl betaine-assisted foam separation of freshwater microalgae Desmodesmus brasiliensis. Biochemical Engineering Journal. 2018;140:38–46. https://doi.org/10.1016/j.bej.2018.09.006Vonlanthen S., Brown M.T., Turner A. Toxicity of the amphoteric surfactant, cocamidopropyl betaine, to the marine macroalga, Ulva lactuca // Ecotoxicology. 2018. Vol. 20. Issue 1. P. 202–207. https://doi.org/10.1007/s10646-010-0571-3Vonlanthen S, Brown MT, Turner A. Toxicity of the amphoteric surfactant, cocamidopropyl betaine, to the marine macroalga, Ulva lactuca. Ecotoxicology. 2018;20(1):202–207. https://doi.org/10.1007/s10646-010-0571-3Sun X.-X., Han K.-N., Choi J.-K., Kim E.-K. Screening of surfactants for harmful algal blooms mitigation // Marine Pollution Bulletin. 2004. Vol. 48. Issue 9-10. P. 937–945. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2003.11.021Sun X-X, Han K-N, Choi J-K, Kim E-K. Screening of surfactants for harmful algal blooms mitigation. Marine Pollution Bulletin. 2004;48(9- 10):937–945. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2003.11.021Nogales L.M., Jiménez L.L., Abarca L.E., Gil M.M., López-Nieves M. Cocamidopropyl Betaine Surfactant 0.075% Solution in Physiological Serum for Hygiene Process of COVID-19 Intubated Patients // International Journal of Pharmaceutical Compounding. 2020. Vol. 24. Issue 5. P. 358–364.Nogales LM, Jiménez LL, Abarca LE, Gil MM, López-Nieves M. Cocamidopropyl Betaine Surfactant 0.075% Solution in Physiological Serum for Hygiene Process of COVID-19 Intubated Patients. International Journal of Pharmaceutical Compounding. 2020;24(5):358–364.Garcia M.T., Campos E., Ribosa I. Biodegradability and ecotoxicity of amine oxide based surfactants // Chemosphere. 2007. Vol. 69. Issue 10. P. 1574–1578. https://doi.org/10.1016/-j.chemosphe-re.2007.05.089Garcia MT, Campos E, Ribosa I. Biodegradability and ecotoxicity of amine oxide based surfactants. Chemosphere. 2007;69(10):1574–1578. https: //doi.org/10.1016/j.chemosphere.2007.05.089Rios F., Lechuga M., Fernandez-Serrano M., Fernandez-Arteaga A. Aerobic biodegradation of amphoteric amine-oxide-based surfactants: effect of molecular structure, initial surfactant concentration and pH // Chemosphere. 2017. Vol. 171. P. 324– 331. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.12.070Rios F, Lechuga M, Fernandez-Serrano M, Fernandez-Arteaga A. Aerobic biodegradation of amphoteric amine-oxide-based surfactants: effect of molecular structure, initial surfactant concentration and pH. Chemosphere. 2017;171:324–331. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.12.070Merkova M., Zalesak M., Ringlova E., Julinova M., Ruzicka J. Degradation of the surfactant Cocamidopropyl betaine by two bacterial strains isolated from activated sludge // International Biodeterioration and Biodegradation. 2018. Vol. 127. P. 236–240. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2017.12.006Merkova M, Zalesak M, Ringlova E, Julinova M, Ruzicka J. Degradation of the surfactant Cocamidopropyl betaine by two bacterial strains isolated from activated sludge. International Biodeterioration and Biodegradation. 2018;127:236–240. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2017.12.006Коршунова Т.Ю., Кузина Е.В., Рафикова Г.Ф., Логинов О.Н. Бактерии рода Pseudomonas для очистки окружающей среды от нефтяного загрязнения // Экобиотех. 2020. Т. 3, N 1. С. 18-32. https://doi.org/10.31163/2618-964X-2020-3-1-18-32Korshunova TYu, Kuzina EV, Rafikova GF, Loginov ON. Using pseudomonas for cleaning the environment from oil contamination. Ecobiotech = Ekobiotekh. 2020;3(1):18–32. (In Russian) https://doi.org/10.31163/2618-964X-2020-3-1-18-32Филатов Д.А., Овсянникова В.С., Алтунина Л.К., Сваровская Л.И. Влияние композиций на основе ПАВ на биодеструкцию вязких парафинистых нефтей // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2012. N 1(2). С. 106–112.Filatov DA, Ovsyannikova VS, Altunina LK, Svarovskaya LI. The effect of surfactant-based systems on biodestruction of viscous waxy oils. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2012;1:106–112. (In Russian)Закиров Р.К., Ахмадуллина Ф.Ю., Балымова Е.С. Перспективы сонохимической обработки сточных вод, содержащих синтетические поверхностно-активные вещества // Теоретическая и прикладная экология. 2020. N 4. С. 111–116. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-4-111-116Zakirov RK, Akhmadullina FY, Balymova ES. Prospects for sonochemical treatment of wastewater containing synthetic surfactants. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya = Theoretical and Applied Ecology. 2020;4:111–116. (In Russian) https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-4-111-116Gholami A., Golestaneh M., Andalib Z. A new method for determination of cocamidopropyl betaine synthesized from coconut oil through spectral shift of Eriochrome Black T // Spectrochimica Acta – Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018. Vol. 192. P. 122–127. https://doi.org/10.1016/j.saa.2017.11.007Gholami A, Golestaneh M, Andalib Z. A new method for determination of cocamidopropyl betaine synthesized from coconut oil through spectral shift of Eriochrome Black T. Spectrochimica Acta – Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018;192:122–127. https://doi.org/10.1016/j.saa.2017.11.007Asabina E.A., Chetverikov S.P., Loginov O.N. Optimization of biosynthesis of phytopathogen growth inhibitors by bacteria of Pseudomonas genus // Biotechnology in Russia. 2009. Issue 3. P. 81–89.Asabina EA, Chetverikov SP, Loginov ON. Optimization of biosynthesis of phytopathogen growth inhibitors by bacteria of Pseudomonas genus. Biotechnology in Russia. 2009;3:81–89.Анохина Т.О., Сиунова Т.В., Сизова О.И., Захарченко Н.С., Кочетков В.В. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas в современных агробиотехнологиях // Агрохимия. 2018. N 10. С. 54–66. https://doi.org/10.1134/S0002188118100034Anokhinа TO, Siunova ТВ, Sizova OI, Zakharchenko NS, Kochetkov VV. Rhizospheric bacteria of the genus Pseudomonas in modern agrobiotechnology. Agrokhimiya. 2018;10:54–66. (In Russian) https://doi.org/10.1134/S0002188118100034Сибиева Л.М., Дегтярева И.А., Сироткин А.С., Бабынин Э.В. Состав микробного сообщества активного ила в процессах совместной биологической и реагентной очистки сточных вод // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 302–312. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-2-302-312Sibieva LM, Degtyareva IA, Sirotkin AS, Babynin EV. Composition of activated sludge microbial community used in the combined biological and chemical wastewater treatment. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2019;9(2):302–312. (In Russian) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-2-302-312Кобзев Е.Н., Петрикевич С.Б., Шкидченко А.Н. Исследование устойчивости ассоциации микроорганизмов-нефтедеструкторов в открытой системе // Прикладная биохимия и микробиология. 2001. Т. 37. N 4. С. 413–417.Kobzev EN, Petrikevich SB, Shkidchenko AN. Study of the stability association of oildegrading microorganisms in an open system. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya = Applied Biochemistry and Microbiology. 2001;37(4):413–417.Шкидченко А.Н., Аринбасаров М.У. Изучение нефтедеструктивной активности микрофлоры прибрежной зоны Каспийского моря // Прикладная биохимия и микробиология. 2002. Т. 38. N 5. С. 509–512.Shkidchenko AN, Arinbasarov MU. Study of petroleum-degrading activity of microflora from the shoreline region of the Сaspian sea. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya = Applied Biochemistry and Microbiology 2002;38(5):509-512. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.