Аннотация

Микробная энергия – одно из перспективных направлений инновационных разработок в области био- и нанотехнологий. Результаты многочисленных исследований последних лет показывают, что микробное сообщество термальных источников представляет особый интерес в данном направлении. Цель исследования – изучение микробного разнообразия сообществ термального источника Абаканский Аржан для выявления и идентификации изолятов, потенциально применимых в технологиях микробного синтеза электроэнергии.
Объектами исследования являлись микробные изоляты, полученные в результате анализа микробиоты образцов воды и ила термального источника Абаканский Аржан. Проведены метагеномный анализ микробного сообщества и сравнение последовательностей 16S РНК с использованием библиотеки Silva. Анализ изолятов проводили с помощью экстракции нуклеиновых кислот. Применяли методы ПЦР и секвенирования, а также филогенетический и биоинформатический анализ.
Доминирующими филотипами для проб воды являются Firmicutes, Bacteroides и Proteobacteria, для проб ила – Firmicutes, Thermomonas, Gammaproteobacteria и Proteobacteria. Анализ минорных филотипов подтвердил присутствие в пробах Geobacter и Shewanella. Общее количество полученных накопительных культур – 9. В ходе работ по выделению экстремофильных железоредуцирующих изолятов получено два вида устойчивых колоний. Рост на среде, содержащей ацетат железа (III) и нитрат железа (III), свидетельствует о процессе Fe(III)-восстановления у исследуемых изолятов. Изоляты показали интенсивное восстановление железа после 72 ч культивирования: 409 и 407 мкг/мл.
Полученные изоляты способны к железоредукции, что делает их приоритетными для исследований с целью получения микробной энергии. Показано, что изоляты относятся к видам Shewanella algae и Geobacter sulfurreducens, что подтверждается результатами морфологического и филогенетического анализа 16S РНК.

Ключевые слова

Микробная энергия, микробный электросинтез, микробный топливный элемент, экстремофильные микроорганизмы, микробиота, термальный источник

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барышников Г. Я., Елисеев В. А. Термальные лечебные воды кремнистого состава Алтае-Саянской горной страны // Известия Алтайского государственного университета. 2009. Т. 63. № 3. С. 41–47.
2. Алекин О. А. Термальный источник Абаканский Аржан // Известия государственного гидрологического института. 1932. № 47. С. 41–53.
3. Олигер Т. А. Минеральный источник Абаканский. Барнаул, 1981. 204 с.
4. Анаэробная деструкция органического вещества микробных матов источника Термофильного (кальдера Узон, Камчатка) / Е. А. Бонч-Осмоловская [и др.] // Микробиология. 1987. № 56. С. 1022–1028.
5. Jiang Y, Song R, Cao L, Su Z, Ma Y, Liu Y. Harvesting energy from cellulose through Geobacter sulfurreducens in Unique ternary culture. Analytica Chimica Acta. 2019;1050:44–50. https://doi.org/10.1016/j.aca.2018.10.059
6. Gul H, Raza W, Lee J, Azam M, Ashraf M, Kim K-H. Progress in microbial fuel cell technology for wastewater treatment and energy harvesting. Chemosphere. 2021;281. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130828
7. Wang H, Qi X, Chen S, Wang X. The efficient treatment of breeding wastewater by an electroactive microbial community in microbial fuel cell. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022;10(2). https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107187
8. Liang P, Duan R, Jiang Y, Zhang X, Qiu Y, Huang X. One-year operation of 1000-L modularized microbial fuel cell for municipal wastewater treatment. Water Research. 2018;141:1–8. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.04.066
9. Singh V. Microbial cell factories engineering for production of biomolecules. Academic Press; 2021. 462 р. https://doi.org/10.1016/C2019-0-03952-0
10. Sánchez C, Dessì P, Duffy M, Lens PNL. Microbial electrochemical technologies: Electronic circuitry and characterization tools. Biosensors and Bioelectronics. 2020;150. https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111884
11. Greenman J, Gajda I, You J, Mendis BA, Obata O, Pasternak G, et al. Microbial fuel cells and their electrified biofilms. Biofilm. 2021;3. https://doi.org/10.1016/j.bioflm.2021.100057
12. Ishii S, Shimoyama T, Hotta Y, Watanabe K. Characterization of a filamentous biofilm community established in a cellulose-fed microbial fuel cell. BMC Microbiology. 2008;8. https://doi.org/10.1186/1471-2180-8-6
13. Rismani-Yazdi H, Christy AD, Dehority BA, Morrison M, Yu Z, Tuovinen OH. Electricity generation from cellulose by rumen microorganisms in microbial fuel cells. Biotechnology and Bioengineering. 2007;97(6):1398–1407. https://doi.org/10.1002/bit.21366
14. Ye Y, Liu X, Nealson KH, Rensing C, Qin S, Zhou S. Dissecting the structural and conductive functions of nanowires in Geobacter sulfurreducens electroactive biofilms. mBio. 2022;13(1). https://doi.org/10.1128/mbio.03822-21
15. Hu Y, Wang Y, Han X, Shan Y, Li F, Shi L. Biofilm biology and engineering of Geobacter and Shewanella spp. for energy applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2021;9. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.786416
16. Lovley DR, Walker DJF. Geobacter protein nanowires. Frontiers in Microbiology. 2019;10. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.02078
17. Toporek YJ, Mok JK, Shin HD, Lee BD, Lee MH, DiChristina TJ. Metal reduction and protein secretion genes required for iodate reduction by Shewanella oneidensis. Applied and Environmental Microbiology. 2019;85(3). https://doi.org/10.1128/AEM.02115-18
18. Jing X, Wu Y, Shi L, Peacock CL, Ashry NM, Gao C, et al. Outer membrane c-type cytochromes OmcA and MtrC play distinct roles in enhancing the attachment of Shewanella oneidensis MR-1 cells to goethite. Applied and Environmental Microbiology. 2020;86(23):1–17. https://doi.org/10.1128/AEM.01941-20
19. Zarei M, Mir-Derikvand M, Hosseinpour H, Samani TR, Ghasemi R, Fatemi F. U (VI) tolerance affects Shewanella sp. RCRI7 biological responses: growth, morphology and bioreduction ability. Archives of Microbiology. 2021;204(1). https://doi.org/10.1007/s00203-021-02716-6
20. Thulasinathan B, Nainamohamed S, Ebenezer Samuel JO, Soorangkattan S, Muthuramalingam JB, Kulanthaisamy M, et al. Comparative study on Cronobacter sakazakii and Pseudomonas otitidis isolated from septic tank wastewater in microbial fuel cell for bioelectricity generation. Fuel. 2019;248:47–55. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.03.060
21. Pankan AO, Yunus K, Fisher AC. Mechanistic evaluation of the exoelectrogenic activity of Rhodopseudomonas palustris under different nitrogen regimes. Bioresource Technology. 2020;300. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122637
22. Liu C-H, Lee S-K, Ou I-C, Tsai K-J, Lee Y, Chu Y-H, et al. Essential factors that affect bioelectricity generation by Rhodopseudomonas palustris strain PS3 in paddy soil microbial fuel cells. International Journal of Energy Research. 2021;45(2):2231–2244. https://doi.org/10.1002/er.5916
23. Angelia C, Sanjaya A, Aida, Tanudjaja E, Victor H, Cahyani AD, et al. Characterization of alpha-amylase from aspergillus niger aggregate F isolated from a fermented cassava gatot grown in potato peel waste medium. Microbiology and Biotechnology Letters. 2019;47(3):364–371. https://doi.org/10.4014/mbl.1811.11011
24. Yang Y, Xu P, Dong S, Yu Y, Chen H, Xiao J. Using watermelon rind and nitrite-containing wastewater for electricity production in a membraneless biocathode microbial fuel cell. Journal of Cleaner Production. 2021;307. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127306
25. Otero FJ, Chan CH, Bond DR. Identification of different putative outer membrane electron conduits necessary for Fe(III) Citrate, Fe(III) Oxide, Mn(IV) oxide, or electrode reduction by Geobacter sulfurreducens. Journal of Bacteriology. 2018;200(19). https://doi.org/10.1128/JB.00347-18
26. Boedicker JQ, Gangan M, Naughton K, Zhao F, Gralnick JA, El-Naggar MY. Engineering biological electron transfer and redox pathways for nanoparticle synthesis. Bioelectricity. 2021;3(2):126–135. https://doi.org/10.1089/bioe.2021.0010
27. Liu X, Holmes DE, Walker DJF, Li Y, Meier D, Pinches S, et al. Cytochrome OmcS is not essential for extracellular electron transport via conductive pili in Geobacter sulfurreducens strain KN400. Applied and Environmental Microbiology. 2022;88(1). https://doi.org/10.1128/AEM.01622-21
28. Fernandes TM, Morgado L, Turner DL, Salgueiro CA. Protein engineering of electron transfer components from electroactive Geobacter bacteria. Antioxidants. 2021;10(6). https://doi.org/10.3390/antiox10060844
29. Boone DR, Castenholz RW, Garrity GM. Bergey's manual of systematic bacteriology. Volume One: The Archaea and the deeply branching and phototrophic bacteria. New York: Springe; 2001. 722 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-21609-6
30. Andreeva A, Budenkova E, Babich O, Sukhikh S, Ulrikh E, Ivanova S, et al. Production, purification, and study of the amino acid composition of microalgae proteins. Molecules. 2021;26(9). https://doi.org/10.3390/molecules26092767
31. Gadol HJ, Elsherbini J, Kocar BD. Methanogen productivity and microbial community composition varies with iron oxide mineralogy. Frontiers in Microbiology. 2022;12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.705501
32. Zhan Y, Yang M, Zhang Y, Yang J, Wang W, Yan L, et al. Iron and total organic carbon shape the spatial distribution pattern of sediment Fe(III) reducing bacteria in a volcanic lake, NE China. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2021;37(9). https://doi.org/10.1007/s11274-021-03125-z
33. Merino C, Kuzyakov Y, Godoy K, Jofré I, Nájera F, Matus F. Iron-reducing bacteria decompose lignin by electron transfer from soil organic matter. Science of the Total Environment. 2020;761. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143194
34. Muyizer G, De Waal EC, Uitterlinden AG. Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA. Applied and Environmental Microbiology. 1993;59(3):695–700. https://doi.org/10.1128/aem.59.3.695-700.1993
35. Prosekov AYu, Babich OO, Bespomestnykh KV. Identification of industrially important lactic acid bacteria in foodstuffs. Foods and Raw Materials. 2013;1(2):42–45. https://doi.org/10.12737/2053
36. Quast C, Pruesse E, Yilmaz P, Gerken J, Schweer T, Yarza P, et al. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Research. 2013;41:D590–D596. https://doi.org/10.1093/nar/gks1219
37. Schmidt TM, Arieli B, Cohen Y, Padan E, Strohl WR. Sulfur metabolism in Beggiatoa alba. Journal of bacteriology. 1987;169(12):5466–5472. https://doi.org/10.1128/jb.169.12.5466-5472.1987
38. Prosekov AYu, Timoshchuk IV, Gorelkina AK. On the issue of the use of waste from water desalting ion exchange units of power plants. Theoretical and Applied Ecology. 2021;(4):127–132. (In Russ.). https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-4-127-132