Аннотация

Традиционные источники энергии загрязняют окружающую среду. Для снижения экологической нагрузки предлагается использовать альтернативный источник энергии на основе микроорганизмов – микробные топливные элементы. Еще одним полезным применением микробного топливного элемента является очистка сточных вод от трудноразлагаемых отходов. Целью исследования являлось изучение ферментативной способности изолятов термального источника Абаканский Аржан.
Объектами исследования служили изоляты родов Geobacter, Thermomonas и Rhodopseudomonas. Исследование кератинолитической активности осуществляли по ГОСТ Р 55987-2014. Определение хитинолитической активности проводили путем посева бактериальной суспензии уколом на чашки Петри со средой, содержащей хитин. Оценку липолитической активности осуществляли выращиванием изолятов в бульоне Штерна. Изучение способности изолятов к гидролизу ксилана проводили путем анализа скорости образования восстанавливающих сахаров. Целлюлазную активность изолятов измеряли по стандартной методике IUPAC. Каталазную активность оценивали на средах, содержащих 1 % бензин. Активность определяли газометрическим способом. Оптимальные параметры культивирования консорциумов определяли по количеству генерируемого напряжения.
Максимальной кератинолитической активностью обладал изолят Geobacter. Однако для изолятаThermomonas отмечена максимальная степень гидролиза белка – 80,1±1,5 %. Изоляты Geobacter и Rhodopseudomonas проявляли большую литическую активность в отношении хитина – зоны лизиса превышали 3 мм. Изолят Geobacter достигал 350 ед. ксиланазной активности и 365 ед. целлюлазной активности; Thermomonas – 350 ед. ксиланазной активности и 360 ед. целлюлазной активности; Rhodopseudomonas – 310 ед. ксиланазной активности и 304 ед. целлюлазной активности. Максимальной каталазной активностью отличаются изоляты Geobacter и Thermomonas – 1,40 и 1,38 ед. активности соответственно. Максимальное генерирование энергии консорциумами изолятов осуществлялось при pH 8, температуре 45 °C и продолжительности культивирования 48 ч.
Изоляты Geobacter, Thermomonas и Rhodopseudomonas, выделенные из термального источника Абаканский Аржан, способны удалять трудноразлагаемые компоненты. Это делает перспективным их применение в биологической очистке сточных вод.

Ключевые слова

Экологически чистая энергия, экстремофильные микроорганизмы, ферментативная активность, микробный топливный элемент, трудноразлагаемые субстраты

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Минобрнауки России) (стипендия Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляю- щим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2021–2023 гг., приказ Минобрнауки России от 26.01.2021 № 54, тема проекта «Энергоэффективная экологически чистая технология получения электроэнергии с использованием биомассы термальных источников»).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Owusu PA, Asumadu-Sarkodie S. A review of renewable energy sources, sustainability issues and climate change mitigation. Cogent Engineering. 2016;3. https://doi.org/10.6084/M9.FIGSHARE.3381454
2. Halkos GE, Gkampoura E-C. Reviewing usage, potentials, and limitations of renewable energy sources. Energies. 2020;13(11). https://doi.org/10.3390/en13112906
3. Elhenawy S, Khraisheh M, AlMomani F, Al-Ghouti M, Hassan MK. From waste to watts: Updates on key applications of microbial fuel cells in wastewater treatment and energy production. Sustainability. 2022;14(2). https://doi.org/10.3390/su14020955
4. Kurniawan TA, Othman MHD, Singh D, Avtar R, Goh HH, Setiadi T, et al. Technological solutions for long-term management of partially used nuclear fuel: A critical review. Annals of Nuclear Energy. 2022;166. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108736
5. Ivanova S, Vesnina A, Fotina N, Prosekov A. An overview of carbon footprint of coal mining to curtail greenhouse gas emissions. Sustainability. 2022;14(22). https://doi.org/10.3390/su142215135
6. Levitan O, Dinamarca J, Hochman G, Falkowski PG. Diatoms: A fossil fuel of the future. Trends in Biotechnology. 2014;32(3):117–124. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2014.01.004
7. Guo Y, Wang J, Shinde S, Wang X, Li Y, Dai Y, et al. Simultaneous wastewater treatment and energy harvesting in microbial fuel cells: An update on the biocatalysts. RSC Advances. 2020;10:25874–25887. https://doi.org/10.1039/D0RA05234E
8. Din MI, Nabi AG, Hussain Z, Khalid R, Iqbal M, Arshad M, et al. Microbial fuel cells – A preferred technology to prevail energy crisis. International Journal of Energy Research. 2021;45(6):8370–8388. https://doi.org/10.1002/er.6403
9. He L, Du P, Chen Y, Lu H, Cheng X, Chang B, et al. Advances in microbial fuel cells for wastewater treatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017;71:388–403. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.069
10. Chettri D, Verma AK, Sarkar L, Verma AK. Role of extremophiles and their extremozymes in biorefinery process of lignocellulose degradation. Extremophiles. 2021;25:203–219. https://doi.org/10.1007/s00792-021-01225-0
11. Faskhutdinova ER, Fotina NV, Neverova OA, Golubtsova YuV, Mudgal G, Asyakina LK, et al. Extremophilic bacteria as biofertilizer for agricultural wheat. Foods and Raw Materials. 2024;12(2):348–360. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2024-2-613
12. Gallo G, Puopolo R, Carbonaro M, Maresca E, Fiorentino G. Extremophiles, a nifty tool to face environmental pollution: From exploitation of metabolism to genome engineering. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021;18(10). https://doi.org/10.3390/ijerph18105228
13. Breheny M, Bowman K, Farahmand N, Gomaa O, Keshavarz T, Kyazze G. Biocatalytic electrode improvement strategies in microbial fuel cell systems. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2019;94(7):2081–2091. https://doi.org/10.1002/jctb.5916
14. Pandit S, Savla N, Sonawane JM, Sani AM, Gupta PK, Mathuriya AS, et al. Agricultural waste and wastewater as feedstock for bioelectricity generation using microbial fuel cells: Recent advances. Fermentation. 2021;7(3). https://doi.org/10.3390/fermentation7030169
15. Shestakova A, Timorshina S, Osmolovskiy A. Biodegradation of keratin-rich husbandry waste as a path to sustainable agriculture. Sustainability. 2021;13(16). https://doi.org/10.3390/su13168691
16. Stingone JA, Wing S. Poultry litter incineration as a source of energy: Reviewing the potential impacts on environmental health and justice. New Solutions: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy. 2011;21(1):27–42. https://doi.org/10.2190/NS.21.1.g
17. Tesfaye T, Sithole B, Ramjugernath D. Valorisation of chicken feathers: a review on recycling and recovery route – current status and future prospects. Clean Technologies and Environmental Policy. 2017;19:2363–2378. https://doi.org/10.1007/s10098-017-1443-9
18. Pahua-Ramos ME, Hernández-Melchor DJ, Camacho-Pérez B, Quezada-Cruz M. Degradation of chicken feathers: A review. BioTechnology: An Indian Journal. 2017;13(6):1–24.
19. Gasmi M, Kitouni M, Carro L, Pujic P, Normand P, Boubakri H. Chitinolytic actinobacteria isolated from an Algerian semi-arid soil: Development of an antifungal chitinase-dependent assay and GH18 chitinase gene identification. Annals of Microbiology. 2019;69:395–405. https://doi.org/10.1007/s13213-018-1426-z
20. Borić M, Puliyalil H, Novak U, Likozar B. An intensified atmospheric plasma-based process for the isolation of the chitin biopolymer from waste crustacean biomass. Green Chemistry. 2018;20:1199–1204. https://doi.org/10.1039/c7gc03735j
21. Sharma S, Kaur N, Kaur R, Ramande K. A review on valorization of chitinous waste. Journal of Polymer Research. 2021;28. https://doi.org/10.1007/s10965-021-02759-9
22. Lopes M, Miranda SM, Alves JM, Pereira AS, Belo I. Waste cooking oils as feedstock for lipase and lipid‐rich biomass production. European Journal of Lipid Science and Technology. 2019;121(1). https://doi.org/10.1002/ejlt.201800188
23. Kumar R, Singh L, Zularisam AW, Hai FI. Microbial fuel cell is emerging as a versatile technology: A review on its possible applications, challenges and strategies to improve the performances. International Journal of Energy Research. 2018;42(2):369–394. https://doi.org/10.1002/er.3780
24. Mukherjee A, Patel R, Zaveri P, Shah MT, Munshi NS. Microbial fuel cell performance for aromatic hydrocarbon bioremediation and common effluent treatment plant wastewater treatment with bioelectricity generation through series‐parallel connection. Letters in Applied Microbiology. 2022;75(4):785–795. https://doi.org/10.1111/lam.13612
25. Dmitrieva AI, Faskhutdinova ER, Drozdova MYu, Kutuzov SS, Proskuryakova LA. Phylogenetic diversity of microorganisms from the Abakan Arzhan thermal spring: Potential producers of microbial energy. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(3):458–468. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-3-2384
26. 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
27. 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).
28. 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
29. 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(D1):D590–D596. https://doi.org/10.1093/nar/gks1219
30. König J, Grasser R, Pikor H, Vogel K. Determination of xylanase, β-glucanase, and cellulase activity. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2002;374:80–87. https://doi.org/10.1007/s00216-002-1379-7
31. Ghose TK. Measurement of cellulase activities. Pure and Applied Chemistry. 1987;59(2):257–268.
32. Галстян А. Ш. Унификация методов исследования активности ферментов почв // Почвоведение. 1978. № 2. С. 107–113.
33. Cavello I, Urbieta MS, Cavalitto S, Donati E. Bacillus cytotoxicus isolated from a pristine natural geothermal area reveals high keratinolytic activity. Microorganisms. 2020;8(6). https://doi.org/10.3390/microorganisms8060796
34. Dhole NP, Dar MA, Pandit RS. Recent advances in the bioprospection and applications of chitinolytic bacteria for valorization of waste chitin. Archives of Microbiology. 2021;203:1953–1969. https://doi.org/10.1007/s00203-021-02234-5
35. Evvyernie D, Morimoto K, Karita S, Kimura T, Sakka K, Ohmiya K. Conversion of chitinous wastes to hydrogen gas by Clostridium paraputrificum M-21. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2001;91(4):339–343. https://doi.org/10.1016/s1389-1723(01)80148-1
36. Выделение и изучение липидоокисляющих микроорганизмов – обитателей северного Каспия / О. В. Колотова [и др.] // Вестник Технологического Университета. 2017. Т. 20. № 6. С. 135–138. https://elibrary.ru/YIXKJP