Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона

  • К. С. Болотова Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0002-7916-2410
  • О. В. Травина Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова РАН https://orcid.org/0000-0001-7049-9271
  • А. С. Аксенов Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0003-1013-1357
  • М. В. Емельянова Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0001-6600-6526
  • В. А. Рудакова Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0002-3447-4226
  • А. В. Канарский Казанский национальный исследовательский технологический университет https://orcid.org/0000-0002-3541-2588
Ключевые слова: биоразложение целлюлозосодержащих материалов, бактериальная целлюлоза, ферментативный гидролиз, целлюлаза

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.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

К. С. Болотова, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: G-1760-2019

О. В. Травина, Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова РАН

стажер-исследователь; ResearcherID: T-2952-2018

А. С. Аксенов, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. техн. наук, зав. кафедрой; ResearcherID: C-7289-2015

М. В. Емельянова, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. техн. наук, доц.

В. А. Рудакова, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. техн. наук, доц.

А. В. Канарский, Казанский национальный исследовательский технологический университет

д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-8113-2016

Литература

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.

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

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

Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.

Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. Т. 1. Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2: Производство полуфабрикатов. СПб.: Политехника, 2003. 633 с.

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.

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.

Чертовской В.Г. Еловые леса европейской части СССР: моногр. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 176 с.

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

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.

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.

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

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.

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

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

Опубликован
2019-07-11
Как цитировать
Болотова, К., О. Травина, А. Аксенов, М. Емельянова, В. Рудакова, и А. Канарский. Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона. Лесной журнал, вып. 4, July 2019, с. 179, doi:10.17238/issn0536-1036.2019.4.179.
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)