Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона

УДК

504.064.2

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.4.179

Аннотация

Районы Крайнего Севера и Арктики (в состав территории которой входит Архангельская область) характеризуются экстремальными природно-климатическими факторами: низкими температурами зимой, большим суточным перепадом температур, частыми метелями зимой и дождями в летний период. Такие условия существенно влияют на ферментативную активность почвенных микроорганизмов. Цель работы – оценка влияния температуры ферментативной обработки на начальные этапы биоразложения целлюлозосодержащих материалов. В исследовании использовали образцы картонно-бумажной продукции: газетную бумагу с цветной печатью, тарный картон и белую офисную бумагу. Бактериальную целлюлозу получали, культивируя симбиоз бактерий рода Acetobacter и дрожжей на глюкозной среде в статических условиях при температуре 25 °С. Для моделирования биоразложения использовали лабораторный ферментный препарат, продуцируемый штаммом микроскопического гриба P. Verruculosum. Активность почвенных целлюлаз, инициирующих биоконверсию целлюлозосодержащих материалов в грунтах полигонов хранения твердых бытовых отходов Архангельской области, оказалась низкой и составила менее 10 мкг глюкозы/10 г почвы за 48 ч экспозиции. Определяющим фактором для процесса биоконверсии в условиях Арктического региона является температура почвы. Показано, что при снижении температуры до 5...15 °С скорость биоконверсии целлюлозосодержащих материалов растительного происхождения уменьшается в 2...8 раз по сравнению с температурой 30...50 °С, оптимальной для многих ферментативных процессов. Установлено, что биоконверсия бактериальной целлюлозы до глюкозы слабо зависит от температуры ферментативной обработки в диапазоне 5...15 °С и составляет в среднем 20 % за 1 сутки.
Для цитирования: Болотова К.С., Травина О.В., Аксенов А.С., Емельянова М.В., Рудакова В.А., Канарский А.В. Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона // Лесн. журн. 2019. № 4. С. 179–186. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.179
Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-33-00855 «Надмолекулярная организация целлюлозных микрофибрилл растительного и бактериального происхождения» с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова и ферментного препарата, предоставленного Институтом биохимии им. А.Н. Баха.

*Статья опубликована в рамках реализации программы развития научных журналов в 2019 г.

Сведения об авторах

К.С. Болотова¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: G-1760-2019, ORCID: 0000-0002-7916-2410
О.В. Травина², стажер-исследователь; ResearcherID: T-2952-2018, ORCID: 0000-0001-7049-9271
А.С. Аксенов¹, канд. техн. наук, зав. кафедрой; ResearcherID: C-7289-2015, ORCID: 0000-0003-1013-1357
М.В. Емельянова¹, канд. техн. наук, доц.; ORCID: 0000-0001-6600-6526
В.А. Рудакова¹, канд. техн. наук, доц.; ORCID: 0000-0002-3447-4226
А.В. Канарский³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-8113-2016, ORCID: 0000-0002-3541-2588
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: k.bolotova@narfu.ru, a.s.aksenov@narfu.ru, m.emelyanova@narfu.ru, v.rudakova@narfu.ru
²Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова РАН, наб. Северной Двины, д. 23, г. Архангельск, Россия, 163000; e-mail: travina.oksana136@yandex.ru
³Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан, Россия, 420015; e-mail: alb46@mail.ru

Ключевые слова

биоразложение целлюлозосодержащих материалов, бактериальная целлюлоза, ферментативный гидролиз, целлюлаза

Для цитирования

Болотова К.С., Травина О.В., Аксенов А.С., Емельянова М.В., Рудакова В.А., Канарский А.В. Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона // Лесн. журн. 2019. № 4. С. 179–186. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.179

Литература

1. Алимова Ф.К., Тухбатова Д.И., Тазетдинова Д.И. Методы определения гидролаз почв и почвенных микроорганизмов: учебно-метод. пособие. Казань: Казан. ун-т, 2010. 67 с.
2. Болотова К.С., Новожилов Е.В. Применение ферментных технологий для повышения экологической безопасности целлюлозно-бумажного производства // Химия растительного сырья. 2015. № 3. C. 5–23. DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.201503575
3. Болотова К.С., Чухчин Д.Г., Майер Л.В., Гурьянова А.А. Морфологические особенности фибриллярной структуры растительной и бактериальной целлюлозы // Лесн. журн. 2016. № 6. C. 153–165. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.153
4. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.
5. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. Т. 1. Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2: Производство полуфабрикатов. СПб.: Политехника, 2003. 633 с.
6. Титова В.И., Козлов А.В. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества. Н. Новгород: Нижегородская гос. с.-х. академия, 2012. 64 с.
7. Чекушина А.В. Целлюлолитические ферментные препараты на основе грибов Trichoderma, Penicillium и Myceliophtora с увеличенной гидролитической активностью: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: Ин-т биохимии им. А.Н. Баха РАН, 2013. 23 с.
8. Чертовской В.Г. Еловые леса европейской части СССР: моногр. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 176 с.
9. Chatterjee S., Sharma S., Prasad R.K., Datta S., Dubey D., K Meghvansi M.G., Vairale M., Veer V. Cellulose Enzyme Based Biodegradation of Cellulosic Materials: An Overview (2015). South Asian J Exp. Biol., 5 (6), pp. 271–282, DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-10-7485-1_14
10. Kadere T.T., Miyamoto T., Oniang`o R.K., Kutima P.M., Njoroge S.M. Isolation and Identification of the Genera Acetobacter and Gluconobacter in Coconut Toddy (Mnazi). African J Biotechnol, 2008. Vol. 7 (16). Pp. 2963–2971.
11. Kawecki M., Krystynowicz A., Wysota K., Czaja W., Sakiel S. et al. Bacterial Cellulose Biosynthesis, Properties and Applications. Proceedings of the International Review Conference Biotechnology, Vienna, Austria, 2004. Pp. 14–18.
12. Lynd L.R, Weimer P.J., van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals and Biotechnology Microbiol Mol Biol Rev, 2002. vol. 66(3), pp. 506–577. DOI: 10.1128/MMBR.66.3.506-577.2002
13. Ojumu T., Solomon V., Bamidele O., Betiku E., Layokun S.K, et al. Cellulose Production by Aspergillus Flavus Linn Isolate NSPR 101 Fermented in Sawdust, Bagasse and Corncob. African J Biotechnol, 2003. vol. 2, pp. 150–152.
14. Perez J., Munoz-Dorado J., Rubia T. de la, Martınez J. Biodegradation and Biological Treatments of Cellulose, Hemicelluloses and Lignin: an overview. International Microbiology, 2002. vol. 5, isue 2, pp.53–63, DOI: https://doi.org/10.1007/s10123-002-0062-3
15. Wierzba S., Nabrdalik M. Biodegradation of Cellulose in Bottom Sediments of Turawa lake. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 2007. vol. 41 (1), pp. 227–235.

Поступила 19.09.18

Ссылка на английскую версию:

Bioconversion of the Cellulose-containing Materials in the Arctic Region Conditions

UDC 504.064.2
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.179

Bioconversion of the Cellulose-containing Materials in the Arctic Region Conditions*

K.S. Bolotova¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: G-1760-2019, ORCID: 0000-0002-7916-2410
O.V. Travina², Intern-researcher; ResearcherID: T-2952-2018, ORCID: 0000-0001-7049-9271
A.S. Aksenov¹, Candidate of Engineering, Head of the department; ResearcherID: C-7289-2015, ORCID: 0000-0003-1013-1357
M.V. Emelyanova¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ORCID: 0000-0001-6600-6526
V.A. Rudakova¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ORCID: 0000-0002-3447-4226
A.V. Kanarskiy³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: O-8113-2016, ORCID: 0000-0002-3541-2588
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, 17 Naberezhnaya Severnoy Dviny, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: k.bolotova@narfu.ru, a.s.aksenov@narfu.ru, m.emelyanova@narfu.ru, v.rudakova@narfu.ru
²Federal State Budgetary Institution of Science of the Federal Research Centre for Arctic Integrated Research named after academician N.P. Laverov, Russian Academy of Sciences, 23 Naberezhnaya Severnoy Dviny, Arkhangelsk, 163000, Russian Federation; e-mail: travina.oksana136@yandex.ru
³Kazan National Research Technological University, 68 K. Marx str., Kazan, 420015, Russian Federation; e-mail: alb46@mail.ru

The regions of the Far North and the Arctic (the territory of which includes the Arkhangelsk region) are characterized by extreme natural and climatic factors: low temperatures in winter, a large daily temperature drop, frequent snowstorms in winter and rains in summer. These conditions significantly affect the enzymatic activity of soil microorganisms. The aim of the work is to assess the effect of the enzymatic treatment temperature on the initial stages of biodegradation of the cellulose – containing materials. The study used samples of cardboard and paper products: newspaper paper with color printing, container cardboard and white office paper. Bacterial cellulose was obtained by cultivating a symbiosis of the genus Acetobacter bacteria and yeast on a glucose medium in static conditions at 25 °C. to simulate biodegradation, a laboratory enzyme preparation was used, produced by a strain of a microscopic fungus. The activity of soil cellulases initiating bioconversion of cellulose-containing materials in soils of municipal solid waste storage areas of the Arkhangelsk region was low and amounted to less than 10 μg of glucose/10 g of soil per 48 hours of exposure. The determining factor for the bioconversion process in the Arctic region is the soil temperature. It is shown that while a decrease in temperature to 5...15 °C, the bioconversion rate of cellulose-containing materials of plant origin is reduced by 2...8 times compared to the temperature of 30...50 °C, which is optimal for many enzymatic processes. It was found that bioconversion of bacterial cellulose to glucose is weakly dependent on the temperature of enzymatic treatment in the range of 5...15 °C and averages 20% for 1 day.
For citation: Bolotova K.S., Travina O.V., Aksenov A.S., Emelyanova M.V., Rudakova V.A., Kanarskiy A.V. Bioconversion of Cellulose-containing Materials in the Arctic Region Conditions. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 4, pp. 179–186. DOI: 10.17238/issn0536- 1036.2019.4.179
Funding: The research was financed by the RFBR within the framework of the scientific project № 18-33-00855 “The supramolecular organization of the cellulose microfibrils of phytogenous and bacterial origin” hardware-assisted by the “Arctic” SC of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, with the use of enzymatic agent provided by the Institute of biochemistry named after A.N. Bach.
Keywords: biodegradation of cellulose-containing materials, bacterial cellulose, enzymatic hydrolysis, cellulose.

*The article was published in the framework of implementation the development program of scientific journals in 2019.

REFERENCES

1. Alimova F.K., Tuhbatova D.I., Tazetdinova D.I. Methods for Determination of the Hydrolases of Soils and Soil Microorganisms: Study Guide. Kazan, Kazan University Publ., 2010, 67 p.
2. Bolotova K.S., Novozhilov E.V. Application of Enzymatic Technologies to Improve the Environmental Safety of Pulp and Paper Production. Khimija rastitel’nogo syrya [Chemistry of the Vegetable Stock], 2015, no. 3, pp 5–23. DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.201503575
3. Bolotova K.S., Chukhchin D.G., Mayer L.V., Gurya A.G. Morphological features of the fibrous structure of plant and bacterial cellulose. Lesnoy Zhurnal [Forest journal], 2016, no. 6, pp. 153–165. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.153
4. Obolenskaya A.V., Elnitskaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratory Works on Chemistry of Wood and Cellulose. Moscow, Ecology Publ., 1991. 320 p.
5. Technology of Pulp and Paper Production. In 3 vol. Vol. 1 – Raw Materials and Semi-finished Products, Part 2 – Pproduction of Semi-finished Products. St. Petersburg, Polytechnic Publ., 2003. 633 p.
6. Titova V.I., Kozlov A.V. Methods of Evaluation of the Soil Microbiocenosis Functioning, Involved in the Transformation of an Organic Matter. Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Agricultural Academy Publ., 2012. 64 p.
7. Chekushina A.V. The Cellulolytic Enzymatic Preparations Based on the Hydrolytic Activity-enhanced Trichderma, Penicillium and Myceliophtora Fungi: Cand. Eng. Sci. Diss. (abstract). Moscow, 2013. 23 p.
8. Chertovskaya V.G. Spruce Forests of the European Part of the USSR. Moscow, Forest Industry Publ., 1978. 176 p.
9. Chatterjee S., Sharma S., Prasad R.K., Datta S., Dubey D., K Meghvansi M., G Vairale M., Veer V. Cellulose Enzyme Based Biodegradation of Cellulosic Materials: An Overview (2015) South Asian J Exp. Biol., 5 (6), pp. 271–282, DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-10-7485-1_14
10. Kadere T.T., Miyamoto T., Oniang`o R.K., Kutima P.M., Njoroge S.M., Isolation and Identification of the Genera Acetobacter and Gluconobacter in Coconut Toddy (Mnazi). African J Biotechnol, 2008. Vol. 7 (16). Pp. 2963–2971.
11. Kawecki M., Krystynowicz A., Wysota K., Czaja W., Sakiel S. et al. Bacterial Cellulose Biosynthesis, Properties and Applications. Proceedings of the International Review Conference Biotechnology, Vienna, Austria, 2004. Pp. 14–18.
12. Lynd L.R, Weimer P.J., van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals and Biotechnology Microbiol Mol Biol Rev, 2002. Vol. 66(3). Pp. 506–577. DOI: 10.1128/MMBR.66.3.506-577.2002
13. Ojumu T., Solomon V., Bamidele O., Betiku E., Layokun S.K, et al. Cellulose Production by Aspergillus Flavus Linn Isolate NSPR 101 Fermented in Sawdust, Bagasse and Corncob. African J Biotechnol, 2003. Vol. 2. Pp. 150–152.
14. Perez J., Munoz-Dorado J., Rubia T. de la, Martınez J. Biodegradation and Biological Treatments of Cellulose, Hemicelluloses and Lignin: an overview. International Microbiology, 2002. Vol. 5. Isue 2. Pp.53–63, DOI: https://doi.org/10.1007/s10123-002-0062-3
15. Wierzba S., Nabrdalik M. Biodegradation of Cellulose in Bottom Sediments of Turawa lake. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 2007. Vol. 41 (1). Pp. 227–235.

Received on September 19, 2018