Исследование биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы продуцентом Medusomyces gisevii Sa-12 на ферментативном гидролизате продукта щелочной делигнификации мискантуса

Исследования, направленные на поиск способов, удешевляющих получение бактериальной наноцеллюлозы (БНЦ), связаны с большим спросом на нее во многих отраслях народного хозяйства. Для получения БНЦ в промышленных масштабах используют синтетические питательные среды, стоимость которых может составлять от 30 до 60% от общей стоимости процесса. Поэтому изучение биосинтеза БНЦ на питательных средах с низкой стоимостью (среды из пищевых, целлюлозосодержащих отходов и других альтернативных источников сырья) является актуальным. В качестве альтернативного источника сырья может выступать биомасса такого растения, как мискантус, которое характеризуется доступностью, низкой стоимостью и ежегодной возобновляемостью в промышленных масштабах. Целью настоящего исследования являлось изучение процесса биосинтеза БНЦ на ферментативном гидролизате продукта щелочной делигнификации мискантуса, полученного путем обработки растения разоьбавленным раствором гидроксида натрия при атмосферном давлении. Ферментативный гидролиз полученного субстрата проводился в ферментере объемом 11 л. Авторами настоящей статьи впервые БНЦ получена на питательной среде из ферментативного гидролизата продукта щелочной делигнификации мискантуса. В качестве продуцента использовалась симбиотическая культура Мedusomyces gisevii Sa-12, характеризующаяся высоким адаптивным потенциалом. Максимальная удельная скорость роста микроорганизмов составила: для дрожжей – 0,360 сут.^-1 , для уксуснокислых бактерий – 0,384 сут.^-1 . Потребление редуцирующих веществ протекало в два этапа: константа скорости утилизации субстрата на первом этапе составила 0,464 сут.^-1 , на втором – 0,034 сут.^-1 . Наибольший выход БНЦ составил 5,14% на 14 сутки культивирования, что в 1,8 раза меньше, чем выход на синтетической питательной среде. Питательная среда ферментативного гидролизата продукта щелочной делигнификации мискантуса не является биологически доброкачественной, однако, даже в неблагоприятных условиях Мedusomyces gisevii Sa-12 демонстрирует высокий технологический потенциал и синтезирует химически чистую БНЦ. 

1. Lee K.-Y., Buldum G., Mantalaris A., Bismarck A. More than meets the eye in bacterial cellulose: boisynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fiber composites // Macromolecular Bioscience. 2014. Vol. 14. N 1. P. 10–32. DOI: 10.1002/mabi.201300298

2. Shi Z., Zhang Y., Phillips G.O., Yang G. Utilization of bacterial cellulose in food // Food Hydrocolloids. 2014. Vol. 35. P. 539–545. DOI: org/10.1016/j.foodhyd.2013.07.012

3. Santos S.M., Carbajo J.M., Gómez N., Ladero, M., Villar J.C. Paper reinforcing by in situ growth of bacterial cellulose // Journal of Materials Science. 2017. Vol. 52. Issue 10. P. 5882–5893. DOI: 10.1007/s10853-017-0824-0

4. Rajwade J.M., Paknikar K.M., Kumbhar J.V. Applications of bacterial cellulose and its composites in biomedicine // Applied Microbiology and Biotechnology. 2015. Vol. 99. Issue 6. P. 2491–2511. DOI: 10.1007/s00253-015-6426-3

5. Molina-Ramírez C., Castro C., Zuluaga R., Gañán P. Physical сharacterization of bacterial cellulose produced by Komagataeibacter medellinensis using food supply chain waste and agricultural by products as alternative low-cost feedstocks // Journal of Polymers and the Environment. 2018. Vol. 26. Issue 2. P. 830–837. DOI: 10.1007/s10924-017-0993-6

6. Octave S., Thomas D. Biorefinery: toward an industrial metabolism // Biochimie. 2009. Vol. 91. No. 6. P. 659–664. DOI: 10.1016/j.biochi.2009.03.015

7. Gismatulina Yu.А., Budaeva V.V., Veprev S.G., Sakovich G.V., Shumny V.K. Cellulose from various parts of Soranovskii Miscanthus // Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015. Vol. 5. Issue 1. P. 60–68. DOI: 10.1134/S2079059715010049

8. Скиба Е.А., Байбакова О.В. О влиянии условий сбраживания на выход биоэтанола из мискантуса через химическую стадию щелочной делигнификации // Ползуновский вестник. 2015. Т. 2. N 4. С. 112–116.

9. Байбакова О.В., Скиба Е.А., Будаева В.В., Золотухин В.Н. Щелочная делигнификация недревесного целлюлозосодержащего сырья в условиях опытного производства // Ползуновский вестник. 2016. Т. 1. N 4. С. 147–151.

10. Ross P., Mayer R., Benziman M. Cellulose Biosynthesis and Function in Bacteria // Microbiological Reviews. 1991. Vol. 55. No. 1. P. 35–58.

11. Krystynowicz A., Czaja W., WiktorowskaJezierska A., Gonçalves-Miśkiewicz M., Turkiewicz M., Bielecki S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 29. Issue 4. P. 189–195. https://doi.org/10.1038/sj.jim.7000303

12. Gama M., Dourado F., Bielecki S. Bacterial nanocellulose. From Biotechnology to BioEconomy. Amsterdam: Elsevier, 2016. 240 p. 13. Yurkevich D.I., Kutyshenko V.P. Medusomyces (Tea fungus): A scientific history, composition, features of physiology and metabolism // Biophysics. 2002. Vol. 47. No. 6. P. 1035–1048.

13. Chakravorty S., Bhattacharya S., Chatzinotas A., Chakraborty W., Bhattacharya D., Gachhui R. Kombucha tea fermentation: Microbial and biochemical dynamics // International Journal of Food Microbiology. 2016. Vol. 220. P. 63–72. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2015.12.015

14. Skiba E.A., Baibakova O.V., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Vasilishin M.S., Makarova E.I., Sakovich G.V., Ovchinnikova E.V., Banzaraktsaeva S.P., Vernikovskaya N.V., Chumachenko V.A. Pilot technology of ethanol production from oat hulls for subsequent con-version to ethylene // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 329. Р. 178–186. DOI: 10.1016/j.cej.2017.05.182

15. Makarova E.I., Budaeva V.V., Kukhlenko A.A., Orlov S.E. Enzyme kinetics of cellulose hydrolysis of Miscanthus and oat hulls // 3 Biotech. 2017. Vol. 7. No. 5. P. 317. DOI: 10.1007/s13205-017-0964-6

16. Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Study of the conditions for the biosynthesis of bacterial cellulose by the producer Medusomyces gisevii Sa-12 // Applied Biochemistry and Microbiology. 2018. Vol. 54. No. 2. P. 179– 187. DOI: 10.1134/S0003683818020035

17. Яровенко В.Л., Маринченко В.А., Смирнов В.А. Технология спирта. М.: Колос, 1999. 464 с.

18. Варфоломеев С.Д, Гуревич К.Г. Биокинетика: практический курс. М.: ФАИР-Пресс, 1999. 720 с.

19. Гладышева Е.К. Исследование процесса биосинтеза бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате волокнистого продукта плодовых оболочек овса // Фундаментальные исследования. 2016. N 11-2. С. 260–265.