Аннотация

Бактериальная целлюлоза обладает специфическими и уникальными свойствами, которые отличают ее от растительной. Она имеет высококристаллическую наноструктуру, высокую чистоту (отсутствие лигнина и гемицеллюлозы) и более высокую степень полимеризации, что делает ее перспективной альтернативой растительной целлюлозе для специфических применений. Для того, чтобы получить бактериальную целлюлозу с заданными физико-химическими характеристиками, необходимо тщательно исследовать способность ее продуцента метаболизировать различные источники углерода и их влияние на качество синтезированной целлюлозы. Целью данного исследования являлось изучение влияния состава питательной среды, включая источники углерода, витамины, минеральные соли и кислоты, на продуктивность и свойства бактериальной целлюлозы.
Объекты исследования – уксуснокислые бактерии Acetobacterium xylinum B-12429 (национальный биоресурсный центр ВКПМ). Культуру выращивали при температуре 28 °C в течение 72 ч на питательной среде Хестрина-Шрамма в присутствии различных источников углерода, а также дополнительных факторов роста в статических условиях при периодическом культивировании. Структурные характеристики полученных пленок бактериальной целлюлозы были изучены с помощью инфракрасной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Оценивали физико-химические характеристики бактериальной целлюлозы, включая водоудерживающую способность и индексы кристалличности (I_α и I_β).
Максимальное накопление биомассы бактериальной целлюлозы на среде Хестрина-Шрамма происходило на 10 сутки культивирования в статических условиях. Наибольший выход бактериальной целлюлозы (4,4 г/л) получен с использованием фруктозы в качестве источника углерода с концентрацией 20,0 г/л. При использовании в качестве источника углерода глюкозы продуктивность бактериальной целлюлозы ниже (3,6 г/л). На продуктивность бактериальной целлюлозы оказывала влияние концентрация основного источника углерода: 10 % концентрация способствовала ее максимальному выходу. Внесение дополнительных компонентов в состав питательной среды, таких как аскорбиновая кислота и MgSO₄, эффективно влияет на продуктивность синтеза бактериальной целлюлозы. Биопленки бактериальной целлюлозы, полученные на среде HS с ксилозой и сорбитом, обладали наибольшей водоудерживающей способностью. Индексы кристалличности для всех образцов бактериальной целлюлозы были приблизительно равны 1, что свидетельствует о стабильной кристаллической структуре целлюлозы независимо от источника углерода в питательной среде.
Исследование показало, что состав питательных сред оказывает значительное влияние на биосинтез бактериальной целлюлозы. Эти результаты подчеркивают важность оптимизации состава питательных сред для повышения продуктивности ее биосинтеза, что может быть использовано в промышленности для получения высококачественной бактериальной целлюлозы.

Ключевые слова

Бактериальная целлюлоза, биосинтез, источники углерода, физико-химические свойства, Acetobacterium xylinum

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, соглашение № 24-24-00169.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ul-Islam M, Ha JH, Khan T, Park JK. Effects of glucuronic acid oligomers on the production, structure and properties of bacterial cellulose. Carbohydrate Polymers. 2013;92(1):360-366. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.09.060
2. Moran-Mirabal JM, Cranston ED. Cellulose nanotechnology on the rise. Industrial Biotechnology. 2015;11(1):14-15. https://doi.org/10.1089/ind.2015.1501
3. Ullah H, Santos HA, Khan T. Applications of bacterial cellulose in food, cosmetics and drug delivery. Cellulose. 2016;23:2291-2314. https://doi.org/10.1007/s10570-016-0986-y
4. Park SU, Lee BK, Kim MS, Park KK, Sung WJ, et al. The possibility of microbial cellulose for dressing and scaffold materials. International Wound Journal. 2014;11(1):35-43. https://doi.org/10.1111/j.1742-481X.2012.01035.x
5. Almihyawi RAH, Musazade E, Alhussany N, Zhang S, Chen H. Production and characterization of bacterial cellulose by Rhizobium sp. isolated from bean root. Scientific Reports. 2024;14:10848. https://doi.org/10.1038/s41598-024-61619-w
6. Mohammad NH, Hammad AA, Nour SA, Askar AA, Gamal E. Optimization of bacterial cellulose production using Plackett-Burman and response surface methodology. Egyptian Journal of Medical Microbiology. 2021;30(4):93-101. https:// doi.org/10.21608/ejmm.2021.197467
7. Lin S-P, Liu C-T, Hsu K-D, Hung Y-T, Shih T-Y, et al. Production of bacterial cellulose with various additives in a PCS rotating disk bioreactor and its material property analysis. Cellulose. 2016;23:367-377. https://doi.org/10.1007/ S10570-015-0855-0
8. Али А-Г. А., Кригер О. В. Получение и применение бактериальной целлюлозы. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2025. № 1. С. 82-102. https://doi.org/10.5922/vestniknat-2025-1-6
9. Saavedra-Sanabria OL, Durán D, Cabezas J, Hernández I, Blanco-Tirado C, et al. Cellulose biosynthesis using simple sugars available in residual cacao mucilage exudate. Carbohydrate Polymers. 2021;274:118645. https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2021.118645
10. Digel I, Akimbekov N, Rogachev E, Pogorelova N. Bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii on glucose and sucrose: biosynthesis and structural properties. Cellulose. 2023;30:11439-11453. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05592-z
11. Abdelraof M, Hasanin MS, Farag MM, Ahmed HY. Green synthesis of bacterial cellulose/bioactive glass nanocomposites: Effect of glass nanoparticles on cellulose yield, biocompatibility and antimicrobial activity. International Journal of Biological Macromolecules. 2019;138:975-985. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.07.144
12. Abol-Fotouh D, Hassan MA, Shokry H, Roig A, Azab MS, et al. Bacterial nanocellulose from agro-industrial wastes: Low-cost and enhanced production by Komagataeibacter saccharivorans MD1. Scientific Reports. 2020;10:3491. https:// doi.org/10.1038/s41598-020-60315-9
13. Sutthiphatkul T, Suwanposri A, Ochaikul D. Optimization of bacterial cellulose production from wastewater of noodle processing by Komagataeibacter sp. PAP1 and bio-cellulose paper production. Walailak Journal of Science and Technology. 2020;17(11):1241-1251. https://doi.org/10.48048/wjst.2021.6508
14. Khattak WA, Khan T, Ul-Islam M, Ullah MW, Khan S, et al. Production, characterization and biological features of bacterial cellulose from scum obtained during preparation of sugarcane jaggery (gur). Journal of Food Science and Technology. 2015;52(12):8343-8349. https://doi.org/10.1007/S13197-015-1936-7
15. Ciolacu D, Ciolacu F, Popa VI. Amorphous cellulose - Structure and characterization. Cellulose Chemistry and Technology. 2011;45(1):13-21.
16. Szymańska-Chargot M, Cybulska J, Zdunek A. Sensing the structural differences in cellulose from apple and bacterial cell wall materials by raman and FT-IR spectroscopy. Sensors. 2011;11(6):5543-5560. https://doi.org/10.3390/s110605543
17. Hanemann T, Szabó DV. Polymer-nanoparticle composites: From synthesis to modern applications. Materials. 2010; 3(6):3468-3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468
18. Liu M, Liu L, Jia S, Li S, Zou Y, et al. Complete genome analysis of Gluconacetobacter xylinus CGMCC 2955 for elucidating bacterial cellulose biosynthesis and metabolic regulation. Scientific Reports. 2018;8:6266. https://doi.org/10.1038/ s41598-018-24559-w
19. Mohammadkazemi F, Azin M, Ashori A. Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media. Carbohydrate Polymers. 2015;117:518-523. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.10.008
20. Casaburi A, Rojo ÚM, Cerrutti P, Vázquez A, Foresti ML. Carboxymethyl cellulose with tailored degree of substitution obtained from bacterial cellulose. Food Hydrocolloids. 2018;75:147-156. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2017.09.002
21. Гладышева Е. К. Исследование структуры и химического строения бактериальной целлюлозы. Ползуновский вестник. 2015. № 4-2. С. 100-103. https://elibrary.ru/VMDLLL