Исследование влияния дозировки инокулята Medusomyces gisevii Sa-12 на выход и степень полимеризации бактериальной целлюлозы

Бактериальная целлюлоза (БЦ) является высококристаллическим нанополимером с уникальными физико-механическими свойствами, поэтому обладает превосходным потенциалом применения как в традиционных, так и в новых отраслях. В масштабированных процессах биосинтеза БЦ перспективно применение консорциумов микроорганизмов, характеризующихся адаптивностью и обладающих синергетическими эффектами в координирующем потреблении субстрата, поэтому в данной работе используется симбиотическая культура Мedusomyces gisevii Sa-12. В работе подробно исследуется влияние дозировки инокулята на выход БЦ при культивировании на глюкозной среде в оптимальных условиях. Для контроля качества БЦ выбрано два доступных метода: растровая электронная микроскопия, которая является экспресс-методом подтверждения происхождения целлюлозы и степень полимеризации, как распространённый метод контроля качества целлюлозы. Проведено четыре эксперимента с внесением продуцента c дозировкой 5% об., 10% об., 15% об. и 20% об. Выявлено что, при использовании симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12 наибольшая численность уксуснокислых бактерий и наибольший выход БЦ (7,5–8,0%) обеспечиваются при дозировке инокулята 10–20% об. При этом дозировка инокулята 20% об. позволяет сократить продолжительность культивирования вдвое. Дозировка инокулята 5% об. является недостаточной. Показано, что все варианты дозировки инокулята обеспечивают одинаковое трехмерное сетчатое микрофибриллярное строение образцов БЦ. Впервые установлено, что степень полимеризации (СП) образцов БЦ зависит от дозировки инокулята и продолжительности биосинтеза БЦ. Таким образом, с помощью простого параметра – дозировки инокулята – можно управлять процессом биосинтеза и направленно синтезировать БЦ с заданной СП. Установлено, что дозировка инокулята 10% об., обеспечивает получение максимально высокой СП БЦ – 5000, которая при длительном культивировании снижается незначительно.

дозировка инокулята, Мedusomyces gisevii Sa-12, биосинтез, бактериальная целлюлоза, выход, степень полимеризации

1. Campano C., Balea A., Blanco A., Negro C. Enhancement of the fermentation process and properties of bacterial cellulose: a review // Cellulose. 2016. Vol. 23. P. 57–91. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0802-0

2. Gama M., Dourado F., Bielecki S. Bacterial nanocellulose. From Biotechnology to Bio-Economy. Amsterdam: Elsevier, 2016. 240 p.

3. Ревин В.В., Кленова Н.А., Белоусова З.П., Редькин Н.А., Тукмаков К.Н., Маркова Ю.А., Сосова Э.Ю. Получение и изучение свойств композитов на основе бактериальной целлюлозы и поли-N, N-диметил-3,4-метиленпирролидиний хлорида // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. C. 103–111. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-1-103-111

4. Barud H.G., Rosa da Silva R., Barud H.S., Tercjak A., Gutierrez J., Lustri W.R., et al. A multipurpose natural and renewable polymer in medical applications: Bacterial cellulose // Carbohydrate Polymers. 2016. Vol. 153. Р. 406–420. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.059

5. Mohite B.V., Koli S.H., Patil S.V. Bacterial Cellulose-Based Hydrogels: Synthesis, Properties, and Applications. In: Mondal M. (eds) Cellulose-Based Superabsorbent Hydrogels. Polymers and Polymeric Composites: A Reference Series. Springer, Cham. 2019. P. 1255–1276. https://doi.org/10.1007/978-3-319-77830-3_2

6. Suresh S. Biosynthesis and Assemblage of Extracellular Cellulose by Bacteria. In: Hussain C. (eds) Handbook of Environmental Materials Management. Springer, Cham. 2018. P. 1–43. https://doi.org/10.1007/978-3-319-58538-3_71-1

7. Shidlovskiy I.P., Shumilova A.A., Shishatskaya E.I., Volova T.G. Properties of Bacterial Cellulose Composites with Silver Nanoparticles // Biophysics. 2018. Vol. 63. No. 4. P. 519–525. https://doi.org/10. 1134/S0006350918040188

8. Рогожин В.В., Рогожин Ю.В. Влияние анаэробных условий на продуктивность Medusomyces gisevii // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 1. С. 59–66. DOI: 10. 21285/2227-2925-2018-8-1-59-66

9. 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. Р. 179–187. DOI: 10.1134/S0003683818020035

10. Goh W.N., Rosma A., Kaur B., Fazilah A., Karim A.A, Rajeev B. Microstructure and physical properties of microbial cellulose produced during femen tation of black tea broth (kombucha). II // International Food Research Journal. 2012. Vol. 19 (1). P. 153–158.

11. Krystynowicz A., Czaja W., Wiktorowska-Jezierska A., Gonc M., alves-Mis kiewicz, Turkiewicz M., Bielecki S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 29. No. 4. P. 189–195. https://doi.org/10.1038/sj.jim.7000303

12. Römling U., Galperin M.Y. Bacterial cellulose biosynthesis: Diversity of operons, subunits, products, and functions // Trends in Microbiology. 2015. Vol. 23. P. 545–557. doi:10.1016/j.tim.2015.05.005

13. Borzani W., Souza S.J. Mechanism of the film thickness increasing during the bacterial production of cellulose on non-agitated liquid media // Biotechnology Letters. 1995. Vol. 17. No. 11. P. 1271–1272. https://doi.org/10.1007/BF00128400

14. Cheng K.C., Catchmark J.M., Demirci A. Enhanced production of bacterial cellulose by using a biofilm reactor and its material property analysis // Journal of Biological Engineering. 2009. Vol. 3. P. 12. https://doi.org/10.1186/1754-1611-3-12

15. Stepanov N., Efremenko E. "Deceived" Concentrated Immobilized Cells as Biocatalyst for Intensive Bacterial Cellulose Production from Various Sources // Catalysts. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 33. https://doi.org/10.3390/catal8010033

16. Valls C., Pastor F.I.J., Roncero M.B., Vidal T., Diaz P., Martínez J., Valenzuela S.V. Assessing the enzymatic effects of cellulases and LPMO in improving mechanical fibrillation of cotton linters // Biotechnology for Biofuels. 2019. Vol. 12. P. 161. https://doi.org/10.1186/s13068-019-1502-z

17. Zugenmaier P. Crystalline Cellulose and Derivatives: Characterization and Structures, Springer Series in Wood Science. Springer-Verlag Berlin Heidleberg. 2008. 285 p.

18. Shi Q.S., Feng J., Li W.R., Zhou G., Chen A.M., Ouyang Y.S., Chen Y.B. Effect of different conditions on the average degree of polymerization of bacterial cellulose produced by Gluconacetobacter Intermedius BC-41 // Cellulose Chemistry and Technology. 2013. Vol. 47. P. 503–508.

19. Hestrin S., Schramm M. Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum: II. Preparation of freeze-dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose // Journal of Biochemistry. 1954. Vol. 58. No. 2. P. 345–352.

20. Yang X.Y., Huang C., Guo H.J., Xiong L., Li Y.Y., Zhang H.R., Chen X.D. Bioconversion of elephant grass (Pennisetum purpureum) acid hydrolysate to bacterial cellulose by Gluconacetobacter xylinus // Journal of Applied Microbiology. 2013. Vol. 115. No. 4. P. 995–1002. http://dx.doi.org/10.1111/jam.12255

21. Mohammadkazemi F., Doosthoseini K., Azin M. Effect of ethanol and medium on bacterial cellulose (BC) production by Gluconacetobacter xylinus (PTCC 1734) // Cellulose chemistry and technology. 2015. Vol. 49. No. 5-6. P. 455–462.

22. Гладышева Е.К., Скиба Е.А. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидрализате технической целлюлозы из плодовых оболочек овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. С. 141–147. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-1-141-147

23. Bassem B.H., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol // Biofuels Bioproducts and Biorefining. 2011. Vol. 5. P. 215–225. DOI: 10.1002/bbb.269

24. KashcheyevaE.I.,GladyshevaE.K.,Skiba E.A., Budaeva V.V. A study of properties and enzymatic hydrolysis of bacterial cellulose // Cellulose. 2019. Vol. 26. Issue 4. P. 2255–2265. DOI: 10.1007/s10570-018-02242-7

25. Юркевич Д.И., Кутышенко В.П. Медузомицет (чайный гриб): научная история, состав, особенности физиологии и метаболизма // Биофизика. 2002. N 6. С. 1116–1129.

26. Brandes R., de Souza L., Vanin D.V.F., Carminatti C.A., Oliveira E.M., Antônio R.V., Recouvreux D.O.S. Influence of the Processing Parameters on the Characteristics of Spherical Bacterial Cellulose // Fibers and Polymers. 2018. Vol.19. No. 2. P. 297–306. DOI 10.1007/s12221-018-7679-5

27. Abdelraof M., Hasanin M.S., El -Saied H. Ecofriendly green conversion of potato peel wastes to high productivity bacterial cellulose // Carbohydrate Polymers. 2019. VoI. 211. P. 75–83. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.095

28. Rangaswamy B.E., Vanitha K.P., Hungund B.S. Microbial Cellulose Production from Bacteria Isolated from Rotten Fruit // International Journal of Polymer Science. 2015. http://dx.doi.org/10.1155/2015/280784

29. Huang C., Yang X.Y., Xiong L., Guo H.J., Luo J., Wang B., Zhang H.R., Lin X.Q., Chen X.D. Utilization of Corncob Acid Hydrolysate for Bacterial Cellulose Production by Gluconacetobacter xylinus // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2015. Vol. 175. No. 3. P. 1678–1688. https://doi.org/10.1007/s12010-014-1407-z

30. Pacheco G., Nogueira C.R., Meneguin A.B., Trovatti E., Silva M.C.C., Machado R.T.A., Ribeiro S.J.L., Filho E.C.S., Barud H.S. Development and characterization of bacterial cellulose produced by cashew tree residues as alternative carbon source // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 107. P. 13– 19. http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.05.026

31. HassanE.A.,AbdelhadyH.M.,El-Salam S.S.A., Abdullah S.M. The characterization of bacterial cellulose produced by Acetobacter xylinum and Komgataeibacter saccharovorans under optimized fermentation conditions // British Microbiology Research Journal. 2015. Vol. 9. No. 3. P. 1–13. DOI: 10.9734/BMRJ/2015/18223

32. Tsouko E., Kourmentza C., Ladakis D., Kopsahelis N., Mandala I., Papanikolaou S., Paloukis F., Alves V., Koutinas A. Bacterial сellulose production from industrial waste and by-product streams // International Journal of Molecular Sciences. 2015. Vol. 16. No. 7. P. 14832–14849. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02307-1

33. Cellulose and Cellulose Derivatives. Parts ӀV-V / Edited by Bikales N.M. and Segal L. New York: Wiley-Intersciense. 1971, 510 p.