Проблемы и перспективы использования микроорганизмов для утилизации отходов лигноцеллюлозы

Конверсия бытовых и производственных отходов, содержащих лигноцеллюлозу, в разнообразные целевые продукты (источники биоэнергии, органические кислоты, сахарозаменители и т.д.) является одним из приоритетных направлений государственной экологической политики Российской Федерации. Однако рентабельность переработки субстратов, полученных в ходе гидролиза таких вторичных источников сырья, определяется возможностью микробиологической утилизации не только гексоз (D-глюкоза, D-манноза, D-галактоза), но и пентоз (D-ксилоза, L-арабиноза). Цель настоящего обзора – обсуждение перспектив использования микроорганизмов для утилизации пентоз лигноцеллюлозы, а также проблем, возникающих на пути технологической реализации этого процесса. В обзоре приведены современные данные о спектре про- и эукариотических микроорганизмов, обеспечивающих деструкцию лигноцеллюлозы и утилизацию ее структурных компонентов в природных экосистемах. Представлена краткая характеристика механизма действия ферментов лигниназного, целлюлазного и гемицеллюлазного комплексов. Выделены основные проблемы, сдерживающие применение энзиматического гидролиза многокомпонентных бытовых и промышленных отходов лигноцеллюлозы. Рассмотрены факторы, определяющие селективность катаболизма пентоз у мицелиальных грибов, бактерий и дрожжей. Определен спектр целевых продуктов биоконверсии пентоз лигноцеллюлозы, имеющих народно-хозяйственную значимость. Обсуждаются способы комплексной микробиологической утилизации разнообразных бытовых и сельскохозяйственных отходов, а также возможность вовлечения в данный процесс побочных продуктов промышленной деструкции древесины (кислотных гидролизатов и сульфитных щелоков).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Кальнер В.Д. Экологически ориентированная среда обитания - интегральный критерий качества жизни // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23. N 10. С. 50–55.

2. Болотникова О.И., МихайловаН.П., Гинак А.И. Кислотный и энзиматический гидролиз непищевых источников растительной биомассы: перспективы промышленной реализации (обзор) // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2017. N 39 (65). С. 89–95.

3. Cheng H., Wang L. Lignocelluloses feedstock biorefinery as petrorefinery substitutes. Open access peer-reviewed chapter. 2013. Available from: https://www.intechopen.com/books/biomassnow-sustainable-growth-and-use/lignocellulosesfeedstock-biorefinery-as-petrorefinery-substitutes [Accessed 26th Januaru 2019].

4. Chen H. Biotechnology of lignocellulose, theory and practice. Chemical Industry Press, Beijing and Springer, 2014. 510 p.

5. Гунич С.В., Янчуковская Е.В., Днепровская Н.И. Анализ современных методов переработки твердых бытовых отходов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 2 (13). С. 110–115.

6. Щукина Т.В. Биогаз – перспективы и возможности производства // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2012. N 1 (2). С. 113–118.

7. Чхенкели В.А., Глушенкова Т.В., Горяева Н.А., Чхенкели Л.Г., Калинович А.Е. Оптимизация получения биологически активной субстанции на основе гриба-ксилотрофа Trametes pubescens shumach.: Fr.)Pilat // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2011. N 1 (1). С. 84–89.

8. Maitan-Alfenas G.P., Visser E.M., Guimarães V.M. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass: converting food waste in valuable products // Current Opinion in Food Science. 2015. Vol. 1. P. 44–49. https://doi.org/10.1016/j.cofs.2014.10.001

9. Ferreira J.A., Mahboubi A., Lennartsson P.R., Taherzadeh M.J. Waste biorefineries using filamentous ascomycetes fungi: present status and future prospects // Bioresource Technology. 2016. Vol. 215. P. 334–345. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.03.018

10. Kulikova N.A., Kleina O.I., Stepanova E.V., Koroleva O.V. Use of Basidiomycetes in Industrial Waste Processing and Utilization Technologies: Fundamental and Applied Aspects (Review) // Applied Biochemistry and Microbiology. 2011. Т. 47. N 6. С. 619–634.

11. Jönsson L.J., Alriksson B., Nilvebrant N.-O. Bioconversion of lignocellulose: inhibitors and detoxification // Biotechnology for Biofuels. 2013. Vol. 6. Issue 1. P. 16–26. https://doi.org/10.1186/1754-6834-6-16

12. Górska E.B., Jankiewicz U., Dobrzyński J., Gałązka А., Sitarek M., Gozdowski D., et al. Production of ligninolytic enzymes by cultures of white rot fungi // Polish journal of microbiology / Polskie Towarzystwo Mikrobiologów = The Polish Society of Microbiologists. 2014. Vol. 63. Issue 4. P. 461–465. https://doi.org/10.33073/pjm-2014-062

13. Plácido J., Capareda S. Ligninolytic enzymes: a biotechnological alternative for bioethanol production // Bioresources and Bioprocessing. 2015. Vol. 2. 12 p. https://doi.org/10.1186/s40643- 015-0049-5

14. Sokan-Adeaga A.A., Ana Godson R.E.E., Sokan-Adeaga M.A., Sokan-Adeaga E.D. Lignocelluloses: An economical and ecological resource for bio-ethanol production. A Review // International Journal of Natural Resource Ecology and Management. 2016. Vol. 1. Issue 3. p. 128–144. https://doi.org/10.11648/j.ijnrem.20160103.18

15. Приставка А.А., Попова И.В. Влияние фторида натрия на ферментативную активность грибных целлюлаз // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 1 (12). С. 36–46.

16. Gavrilov S.N., Stracke C., Jensen K., Menzel P., Kallnik V., Slesarev A., et al. Isolation and characterization of the first xylanolytic hyperthermophilic euryarchaeon Thermococcus sp. strain 2319×1 and its unusual multidomain glycosidase // Frontiers in Microbiology. 2016. Vol. 7. Issue 75. P. 552–569. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00552

17. Peng X., Qiao W., Mi S., Jia X., Su H., Han Y. Characterization of hemicellulase and cellulase from the extremely thermophilic bacterium Caldicellulosiruptor owensensis and their potential application for bioconversion of lignocellulosic biomass without pretreatment // Biotechnology for Biofuels. 2015. Vol. 8. Issue 1. P. 131–145. https://doi.org/10.1186/s 13068-015-0313-0

18. KurtzmanC.P., Fell J.W., Boekhout T. (eds.). The Yeasts A Taxonomic Study, 5th Edition. Elsevier, Amsterdam, Netherlands. 2011. 2354 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-52149-1.00007-0

19. Mahboubi A., Ferreira J.A., Taherzadeh M.J., Lennartsson P.R. Production of fungal biomass for feed, fatty acids, and glycerol by Aspergillus oryzae from fat-rich dairy substrates // Fermentation. 2017. Vol. 3. Issue 4. P. 48–58. https://doi.org/10.3390/fermentation3040048

20. Bolotnikova O.I., Trushnikova E.P., Mikhailova N.P., Ginak A.I. Production of xylitol and ethanol and activity of the key enzymes of D-xylose consumption in Pachysolen tannophilus mutant strains // Microbiology. 2015. Vol. 84. N 4. P. 479–484. https://doi.org/10.1134/S0026261715040049

21. De Groot M.J., Prathumpai W., Visser J., Ruijter G.J. Metabolic control analysis of Aspergillus niger L-arabinose catabolism // Biotechnology Progress. 2005. Vol. 21. Issue 6. P. 1610–1616. https://doi.org/10.1021/bp050189o

22. Koirala S., Wang X., Rao C.V. Reciprocal regulation of L-arabinose and D-xylose metabolism in Escherichia coli // Journal of Bacteriology. 2016. Vol. 198. Issue 3. P. 386–393. https://doi.org/10. 1128/JB.00709-15

23. Chen X., Jiang Z.-H., Chen S., Qin W. Microbial and bioconversion production of D-xylitol and its detection and application // International Journal of Biological Sciences. 2010. Vol. 6. Issue 7. P. 834–844. https://doi.org/10.7150/ijbs.6.834

24. Saha B.C., Kennedy G.J., Qureshi N., Bowman M.J. Production of itaconic acid from pentose sugars by Aspergillus terreus // Biotechnology Progress. 2017. Vol. 33. Issue 4. P. 1059–1067. https://doi.org/10.1002/btpr.2485

25. Watanabe S., Kodaki T., Makino K. L-Arabinose 1-dehydrogenase: A novel enzyme involving in bacterial L-arabinose metabolism // Nucleic Acids Symposium Series. 2005. Vol.49. Issue 1. P. 309–310. https://doi.org/10.1093/nass/49.1.309

26. Bajerski F., Ganzert L., Mangelsdorf K., Lipski A., Busse H.-J., Padur L., et al. Herbaspirillum psychrotolerans sp. nov., a member of the family Oxalobacteraceae from a glacier forefield // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2013. Vol. 63. Issue 9. P. 3197–3203. https://doi.org/10.1099/ijs.0.046920-0

27. Zhao B., Chen S. Alkalitalea saponilacus gen.nov., sp. nov., an obligately anaerobic, alkaliphilic, xylanolytic bacterium from a meromictic soda lake // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2012. Vol. 62. Issue 11. P. 2618–2623. https://doi.org/10.1099/ijs.0.038315-0

28. Zhilina T.N., Kevbrin V.V., Tourova T., Lysenko A.M., Kostrikina N.A., Zavarzin G.A. Clostridium alkalicellum sp. nov., an obligately alkaliphilic cellulolytic bacterium from a soda lake in the baikal region // Microbiology. 2005. Vol. 74. Issue 5. P. 557–566. https://doi.org/10.1007/s11021-005-0103-y

29. Pugin B., Blamey J.M., Baxter B.K., Wiegel J. Amphibacillus cookii sp. nov., a facultatively aerobic, spore-forming, moderately halophilic, alkalithermotolerant bacterium // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2012. Vol. 62. Issue 9. P. 2090–2096. https://doi.org/10. 1099/ijs.0.034629-0

30. Choudhury D., Gayen K., Saini S. Dynamic control of arabinose and xylose utilization in E. coli // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2018. Vol. 96. Issue 9. P. 1881–1887. https://doi.org/10.1002/cjce.23197

31. Luo H., Wu Y., Kole C. Compendium of Bioenergy Plants: Switchgrass. CRC Press. 2014. 464 p.

32. ZimmermannF.K., Entian K.-D. Yeast Sugar Metabolism. Biochemistry, Genetics, Biotechnology and Application. CRC Press, 1997. 567 p.

33. Gupta R., Mehta G., Kuhad R.C. Fermentation of pentose and hexose sugars from corncob, a low cost feedstock into ethanol // Biomass and Bioenergy. 2012. Vol. 47. P. 334–341. https://doi.org/10. 1016/j.biombioe.2012.09.027

34. Скиба Е.А., Миронова Г.Ф. Преимущества совмещения биокаталических стадий в синтезе биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 4. С. 53–60. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6- 4-53-60

35. Козлов И.А., Гарипов Р.М. Катализ и его роль в процессах глубокой переработки растительной биомассы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. С. 188–191. https://doi.org/10.21285/2227-2925- 2017-7-1-188-191

36. Макарова Е.И., Будаева В.В. Оценка эффективности ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса с подпиткой при высоких начальных концентрациях субстрата // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т.7. N4. С.51–57. https://doi.org/10.21285/2227- 2925-2017-7-4-51-57

37. Молокова К.В., Привалова Е.А., Гиль Т.А. Культивирование Clostridium acetobutylicum ВКМ 1787 – продуцента бутанола, ацетон а и этанола. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. N 1 (4). С. 87–91.

38. Raganati F., Olivieri G., Russo M.E., Marzocchella A. Butanol production by Clostridium acetobutylicum in a continuous packed bed reactor fed with cheese whey // Chemical Engineering Transactions. 2013. Vol. 32. P. 937–642. https://doi.org/10.3303/CET1332157

39. Sousa J.A.B., Sorokin D.Y., Bijmans M.F.M., Plugge C.M., Stams A.J.M. Ecology and application of haloalkaliphilic anaerobic microbial communities // Applied Microbiology and Biotechnology. 2015. Vol. 99. Issue 22. P. 9331–9336. https://doi.org/10.1007/s00253-015-6937-y

40. JungM.-Y., MazumdarS., ShinS.H., Yang K.-S., Lee J., Oh M.-K. Improvement of 2,3-butanediol yield in Klebsiella pneumoniae by deletion of the pyruvate formate-lyase gene // Applied and Environmental Microbiology. 2014. Vol. 80. Issue 19. P. 6195–6203. https://doi.org/10.1128/AEM.02069-14

41. Gupta A., Murarka A., Campbell P., Gonzalez R. Anaerobic fermentation of glycerol in paenibacillus macerans: Metabolic pathways and environmental determinants // Applied and Environmental Microbiology. 2009. Vol. 75. Issue 18. P. 5871– 5883. http://dx.doi.org/10.1128/AEM.01246-09

42. SravanthiT.,Tushar L., Sasikala Ch., Ramana Ch.V. Alkalispirochaeta cellulosivorans gen. nov., sp. nov., a cellulose-hydrolysing, alkaliphilic, halotolerant bacterium isolated from the gut of a woodeating cockroach (Cryptocercus punctulatus), and reclassification of four species of Spirochaeta as new combinations within Alkalispirochaeta gen. nov. // Inter-national Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2016. Vol. 66. Issue 4. P. 1612–1619. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.000865

43. Balasubramanian N., Kim J.S., Lee Y.Y. Fermentation of xylose into acetic acid by Clostridium thermoaceticum // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2001. Vol. 91. Issue 1-9. P. 367– 376. https://doi.org/10.1385/abab:91-93:1-9:367

44. Liu H., Wang W., Deng L., Wang F., Tan T. High production of fumaric acid from xylose by newly selected strain Rhizopus arrhizus RH 7-13-9# // Bioresource Technology. 2015. Vol. 186. P. 348–350. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.109

45. Anasontzis G.E, Christakopoulos P. Challenges in ethanol production with Fusarium oxysporum through consolidated bioprocessing // Bioengineered. 2014. Vol. 5. Issue 6. P. 393–395. https://doi.org/10.4161/bioe.36328

46. Assis L.F., Kagohara E., Omori Á.T., Comasseto J.V., Andrade L.H., Porto A.L.M. Deracemization of (RS)-1-[(4-methylselanyl)phenyl]ethanol and (rs)-1-[(4-ethylselanyl)phenyl]ethanol by strains of Aspergillus terreus // Food Technology and Biotechnology. 2007. Vol. 45. Issue 4. P. 415–419.

47. Chandel A.K., Kapoor R.K., Singh A., Kuhad R.C. Detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate improves ethanol production by Candida shehatae NCIM 3501 // Bioresource Technology. 2007. Vol. 98. Issue 10. P. 1947–1950. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.07.047

48. Agbogbo F.K., Coward-Kelly G. Cellulosic ethanol production using the naturally occurring xylose-fermenting yeast, Pichia stipitis // Biotechnology Letters. 2008. Vol. 30. Issue 9. P. 1515–1524. https://doi.org/10.1007/s10529-008-9728-z

49. Prakash G., Varma A.J., Prabhune A., Shouche Y., Rao M. Microbial production of xylitol from D-xylose and sugarcane bagasse hemicellulose using newly isolated thermotolerant yeast Debaryomyces hansenii // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102. Issue 3. P. 3304–3308. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.10.074

50. ZouY.Z., QiK., ChenX., MiaoX.L., Zhong J.J. Favorable effect of very low initial KLa value on xylitol production from xylose by a self-isolated strain of Pichia guilliermondii // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2010. Vol. 109. Issue 2. P. 149–152. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2009.07.013

51. Dashtban M., Schraft H., Qin W. Fungal bioconversion of lignocellulosic residues; Opportunities & Perspectives // International Journal of Biological Sciences. 2009. Vol. 5. Issue 6. P. 578–595. https://doi.org/10.7150/ijbs.5.578

52. Вазетдинова А.А., Харина М.В., Логинова И.В., Клещевников Л.И. Ферментолиз целлюлозосодержащих остатков производства фурфурола из отходов растительного сырья // Башкирский химический журнал. 2017. Т.24. N 1. С. 27–31.

53. Харина М.В., Григорьева О.Н. Особенности конструкции реакторов для кислотного гидролиза лигноцеллюлозосодержащего сырья // Вестник Технологического университета. 2017. Т. 20. N 13. С. 143–150.

54. Фазлиев И.И., Минзанова С.Т., Ахмадуллина Ф.Ю., Мухачев С.Г. Влияние кислот различной природы на гидролиз пивной дробины // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2012. N 2 (3). С. 50–53.

55. Григорьева О.Н., Харина М.В. Кислотный гидролиз лигноцеллюлозосодержащего сырья в технологии получения биоэтанола // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. N 10. С. 128–132.

56. Логинова И.В., Харина М.В. Исследование высокотемпературного автогидролиза лигноцеллюлозного сырья // Вестник Технологического университета. 2017. Т. 20. N 6. С. 143–145.

57. Болотникова О.И., Михайлова Н.П., Гинак А.И. Сравнительный анализ физиологии роста ксилозоассимилирующих дрожжей Candida shehatae и Pachysolen tannophilus // Микология и фитопатология. 2013. Т. 47. N 5. С. 329–332.