Ферментативная активность мицелиального гриба Trichoderma reesei M18 при культивировании на питательной среде из целлолигнина торфа

УДК

552.577:676.01: 577.152.3

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.6.142

Аннотация

Комплексная переработка торфа является важной хозяйственной проблемой. Методом электрохимического синтеза авторами получены хелатные соединения железа с гуми- новыми кислотами, которые рекомендуется использовать в качестве кормовой добавки. В связи с образованием вторичного ресурса (целлолигнина) возникает проблема создания технологии его переработки на экономически эффективные продукты. Целлолигнин содержит большое количество целлюлозы, что делает его привлекательным сырьем для биотехнологической переработки микроорганизмами. Однако в целлолигнине содержится лигнин, препятствующий ферментативному гидролизу целлюлозы до простых сахаров, что обусловливает необходимость поиска способов его предварительной обработки. Целлолигнин может использоваться в качестве питательного субстрата для культивирования мицелиальных грибов рода Trichoderma, так как для них характерно проявление ксиланазной и целлюлазной активности, которая способствует ферментативному гидролизу целлолигнина. Цель работы – определение ферментативной активности при культивировании штамма мицелиального гриба Trichoderma reesei M18 на питательных средах из целлолигнина торфа. Для повыше- ния ферментативной активности мицелиального гриба в питательную среду, содержащую целлолигнин торфа в твердой фазе, вводили мультиэнзимный комплекс, включающий целлюлазные и ксиланазные ферменты и редуцирующие вещества. Также в экспериментах целлолигнин обрабатывали бисульфитном натрия, после чего лигнин растворялся и клетчатка становилась более доступной для ассимилирования грибом. Установлена целесообразность культивирования мицелиального гриба Trichoderma reesei M18 на питательных средах из целлолигнина торфа, предваритель- но обработанного бисульфитом натрия. Показано, что внесение в питательную среду на основе целлолигнина, обработанного бисульфитом натрия, мультиэнзимных ком- плексов, содержащих целлюлазы и ксиланазы, способствует повышению фермента- тивной активности Trichoderma reesei M18, что увеличивает синтез белка и, соответ- ственно, биомассы. Предварительная обработка целлолигнина торфа бисульфитом натрия рекомендуется для биоконверсии мицелиальным грибом Trichoderma reesei M18 с получением из биомассы адсорбента микотоксинов. Биомасса мицелиальных грибов Trichoderma reesei M18, выращенная на целлолигнине торфа, использована для получения адсорбентов микотоксинов, которые успешно испытаны in vivo.

Сведения об авторах

С.В. Гаврилов1, асп.

А.В. Канарский1, д-р техн. наук, проф. 

Е.В. Скворцов2, канд. биол. наук

Ю.В. Севастьянова3, канд. техн. наук, доц.

1Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. Кар- ла Маркса, д. 72, г. Казань, Россия, 420015; e-mail: ser-gavr@mail.ru

2Казанский (Приволжский) федеральный университет, ул. Кремлевская, д. 18, г. Ка-

зань, Россия, 420000; e-mail: eskvortsov@rambler.ru

3Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Се- верной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: j.sevastyanova@narfu.ru

Ключевые слова

торф, целлолигнин, обработка бисульфитом натрия, ксиланазы, целлюлазы, культивирование Trichoderma reesei M18

Для цитирования

Гаврилов С.В., Канарский А.В., Скворцов Е.В., Севастьянова Ю.В. Ферментативная активность мицелиального гриба Trichoderma reesei М18 при куль-тивировании на питательной среде из целлолигнина торфа // Лесн. журн. 2016. № 6. С. 142–152. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.142

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаврилов С.В., Канарская З.А. Адсорбционные свойства торфа и продуктов его переработки // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 2. С. 422–427.

2. Гаврилов С.В., Канарский А.В., Сидоров Ю.Д. Получение хелатных соедине- ний железа с гуминовыми кислотами методом электрохимического синтеза // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15, № 9. С. 165–168.

3. Грекова А.А. Мальцев А.Н. Дремза И.К. Протективное действие суспензии торфа при микотоксикозах // Сб. науч. тр. Ставропольского НИИ животноводства и

кормопроизводства. 2011. № 4–1 (1). С. 136–140.

4. Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Канарский А.В. Биосинтез кси- ланаз и целлюлаз грибами рода Trichoderma на послеспиртовой барде // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15, № 19 (15). C. 120–122.

5. Немашкалов В.А., Кошелев А.В., Окунев О.Н. Биосинтез карбогидраз гриба Penicillium verruculosum при культивировании на различных целлюлозосодержащих субстратах // Тез. 13-й Междунар. Пущинской шк.-конф. молодых ученых «Биология – наука ХХI века». Пущино, 2009. С. 174.

6. Халимова Л.Х., Шараева А.В., Соколова С.Ю., Петухова Н.И., Зорин В.В. Ис- следование влияния индукторов на синтез лакказ мицелиальными грибами // Башк. хим. журн. 2010. Т. 17, № 5. С. 46–49.

7. Чухарева Н.В. Исследование группового состава торфов месторождений

Томской области // Вестн. Красноярского гос. аграрного унта. 2013. № 7. С. 65–71.

8. Burba P., Jakubowski B., Kuckuk R., Kullmer K., Heumann K.G. Characterization of Aquatic Humic Substances and Their Metal Complexes by Immobilized Metal-Chelate Affinity Chromatography on Iron (III) – Loaded Ion Exchangers. Fresenius' J. of Analytical Chemistry, 2000, vol. 7(386), pp. 689–696.

9. Camassola M., Dillon A.J.P. Production of Cellulases and Hemicellulases by Pen-

icillium Echinulatum Grown on Pretreated Sugar Cane Bagasse and Wheat Bran in Solid- State Fermentation. Journal of Applied Microbiology, 2007, no. 103(6), pp. 2196–2204.

10. Islam K.M.S., Schuhmacher A., Gropp J.M. Humic Acid Substances in Animal

Agriculture. Pakistan Journal of Nutrition, 2005, vol. 4(3), pp. 126–134.

11. Measurement of Cellulase Activities. Ed. by T.K. Ghose. Pure & Appl. Chem.,

1987, no. 2, pp. 257–268.

12. Mezes M., Erdélyi M., Balogh K. Deposition of Organic Trace Metal Complexes as Feed Additives in Farm Animals. Eur. Chem. Bull., 2012, vol. 1(10), pp. 410–413.

13. König J., Grasser R., Pikor H., Vogel K. Determination of Xylanase, β-Glucanase, and Cellulase Activity. Anal. Bioanal. Chem., 2002, vol. 374, no. 1, pp. 80–87.

14. Sloneker J.H. Determination of Cellulose and Apparent Hemicellulose in Plant Tissue by Gas-Liquid Chromatography. Analytical Biochemistry, 1971, no. 2(43), pp. 539–546.

Поступила 08.06.16

Ссылка на английскую версию:

Enzymatic Activity of Filamentous Fungus Trichoderma reesei M18 in Culture in the Nutrient Solution Based on Peat Lignocellulose

UDC 552.577:676.01: 577.152.3

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.142

Enzymatic Activity of Filamentous Fungus Trichoderma reesei M18 in Culture in the Nutrient Solution Based on Peat Lignocellulose

S.V. Gavrilov1, Postgraduate Student

A.V. Kanarskiy1, Doctor of Engineering Sciences, Professor

E.V. Skvortsov2, Сandidate of Biological Sciences

Yu.V. Sevast'yanova3, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

1Kazan National Research Technological University, ul. K. Marksa, 72, Kazan, 420015, Russia Federation; e-mail: ser-gavr@mail.ru

2Kazan Federal University, Kremlyovskaya str., 18, Kazan, 420000, Russian Federation;

e-mail: eskvortsov@rambler.ru

3Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russia Federation; e-mail: j.sevastyanova@narfu.ru

Integrated processing of peat is an important economic issue. The authors have obtained the iron chelates with humic acids by the electrochemical synthesis method. The acids are recommended for use as a feed additive. Due to the formation of the secondary resource – lignocellulose we have encountered a problem of the technology of its processing into the cost-effective products. Lignocellulose contains a large amount of pulp that makes it an attractive material for the biotechnological processing by microorganisms. However, li g- nocellulose contains lignin, which prevents the enzymatic hydrolysis of cellulose into simple sugars. This fact demands the ways of its pretreatment. Lignocellulose can be used as a nutrient substrate for the cultivation of filamentous fungi of the Trichoderma genus, since they are characterized by the expression of xylanase and cellulase activities , which promote the enzymatic hydrolysis of lignocellulose. The work objective is a definition of the enzyme activity in culture of the strain of filamentous fungus Trichoderma reesei M18 in the nutrient solution based on peat lignocellulose. To enhance th e enzymatic activity of filamentous fungus we injected a multi-enzymic complex comprising cellulase and xy- lanase enzymes and reducing agents into the nutrient solution with peat lignocellulose in a solid phase. Lignocellulose was also treated with sodium b isulfite in the experiments; lignin was dissolved and cellulose became more accessible for assimilating by fungus. The expediency of filamentous fungus Trichoderma reesei M18 cultivation in the nutrient solution based on peat lignocellulose, pre-treated with sodium bisulfite, is established. The introduction of multi-enzymic complexes, containing cellulase and xylanase, into the nutrient solution based on lignocellulose, treated with sodium bisulfite, improves the e n- zyme activity of Trichoderma reesei M18, which increases the protein and biomass syn- thesis. The pretreatment of peat lignocellulose by sodium bisulfite is recommended for the

For citation: Gavrilov S.V., Kanarskiy A.V., Skvortsov E.V., Sevast’yanova Yu.V. Enzy- matic Activity of Filamentous Fungus Trichoderma reesei M18 in Culture in the Nutrient Solution Based on Peat Lignocellulose. Lesnoy zhurnal, 2016, no. 6, pp. 142–152. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.142

bioconversion by mycelial fungus Trichoderma reesei M18 with adsorbent of mycotoxins obtaining from biomass. The biomass of filamentous fungi Trichoderma reesei M18, grown on peat lignocellulose, is used to produce the adsorbents of mycotoxins, which successfully have been tested in vivo.

Keywords: peat, lignocellulose, sodium bisulfite treatment, xylanase, cellulase, Trichoderma reesei M18 cultivation.

REFERENCES

1.    Gavrilov S.V., Kanarskaya Z.A. Adsorbtsionnye svoystva torfa i produktov ego pererabotki [The Adsorption Properties of Peat and Its Derivative Products]. Vestnik Ka- zanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2015, vol. 18, no. 2, pp. 422–427.

2.     Gavrilov S.V., Kanarskiy A.V., Sidorov Yu.D. Poluchenie khelatnykh soedi- neniy zheleza s guminovymi kislotami metodom elektrokhimicheskogo sinteza [Preparation of Iron Chelating with Humic Acids by Electrochemical Synthesis]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2012, no. 9(15), pp. 165–168.

3.     Grekova A.A., Mal'tsev A.N., Dremza I.K. Protektivnoe deystvie suspenzii torfa pri mikotoksikozakh [The Protective Effect of Peat Suspension on Mycotoxicoses]. Sb. nauch. tr. Stavropol'skogo NII zhivotnovodstva i kormoproizvodstva [Proc. Stavropol Re- search Institute of Livestock and Fodder Production], 2011, no. 4–1(1), pp. 136–140.

4.    Morozova Yu.A., Skvortsov E.V., Alimova F.K., Kanarskiy A.V. Biosintez ksi- lanaz i tsellyulaz gribami roda Trichoderma na poslespirtovoy barde [The Biosynthesis of Xylanase and Cellulase by Fungi of Trichoderma Genus on DDGS]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2012, vol. 15, no. 19, pp. 120–122.

5.    Nemashkalov V.A., Koshelev A.V., Okunev O.N. Biosintez karbogidraz griba Penicillium verruculosum pri kul'tivirovanii na razlichnykh tsellyulozosoderzhashchikh sub- stratakh [Carbohydrases Biosynthesis of Penicillium verruculosum Fungus when Cultured on Different Cellulosic Substrates]. Tez. 13-y Mezhdunar. Pushchinskoy shk.-konf. mo- lodykh uchenykh “Biologiya – nauka XX veka” [Proc. 13th Intern. Pushchino School-Conf. of Young Scientists “Biology is the Science of the 20th Century”]. Pushchino, 2009, p. 174.

6.    Khalimova L.Kh., Sharaeva A.V., Sokolova S.Yu., Petukhova N.I., Zorin V.V. Issledovanie vliyaniya induktorov na sintez lakkaz mitselial'nymi gribami [The Effect of Inductors on the Synthesis of Laccases by Filamentous Fungi]. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2010, no. 5(17), pp. 46–49.

7.      Chukhareva N.V. Issledovanie gruppovogo sostava torfov mestorozhdeniy

Tomskoy oblasti [The Study of the Peat Group Composition of Deposits of Tomsk Region]. Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [The Bulletin of KrasGAU], 2013, no. 7, pp. 65–71.

8.    Burba P., Jakubowski B., Kuckuk R., Kullmer K., Heumann K.G. Characteriza- tion of Aquatic Humic Substances and Their Metal Complexes by Immobilized Metal- Chelate Affinity Chromatography on Iron (III) – Loaded Ion Exchangers. Fresenius' J. of Analytical Chemistry, 2000, vol. 7(386), pp. 689–696.

9.    Camassola M., Dillon A.J.P. Production of Cellulases and Hemicellulases by Penicillium Echinulatum Grown on Pretreated Sugar Cane Bagasse and Wheat Bran in Sol- id-State Fermentation. Journal of Applied Microbiology, 2007, no. 103(6), pp. 2196–2204.

10.  Islam K.M.S., Schuhmacher A., Gropp J.M. Humic Acid Substances in Animal

Agriculture. Pakistan Journal of Nutrition, 2005, vol. 4(3), pp. 126–134.

11.  Measurement of Cellulase Activities. Ed. by T.K. Ghose. Pure & Appl. Chem.,

1987, no. 2, pp. 257–268.

12.  Mezes M., Erdélyi M., Balogh K. Deposition of Organic Trace Metal Complex- es as Feed Additives in Farm Animals. Eur. Chem. Bull., 2012, vol. 1(10), pp. 410–413.

13.  König J., Grasser R., Pikor H., Vogel K. Determination of Xylanase, β-Glucanase, and Cellulase Activity. Anal. Bioanal. Chem., 2002, vol. 374, no. 1, pp. 80–87.

14.  Sloneker J.H. Determination of Cellulose and Apparent Hemicellulose in

Plant Tissue by Gas-Liquid Chromatography. Analytical Biochemistry, 1971, no. 2(43), pp. 539–546.

Received on June 08, 2016