Биотехнологический потенциал клостридий - продуцентов сырья для производства биотоплива

Biotechnologically significant microorganisms, as producers of biologically active substances on the example of clostridium

Anna Nukolova

student of Petrozavodsk State University, Russia, Petrozavodsk

Andrey Savushkin

Leading biotechnologist of LLC "Microbiom", Russia, Petrozavodsk

Аннотация. Данная статья является обзорной. В ней рассмотрены перспективы использования микроорганизмов рода Clostridium в био­технологических процессах. В рамках обзора был проделан анализ требований к штаммам микроорганизмов рода Clostridium при исполь­зовании их в биотехнологических процессах.

Abstract. This article is a review. The prospects of using microorganisms of the Clostridium genus in biotechnological processes are considered in it. As part of the review, an analysis of the requirements for strains of microorganisms of the Clostridium genus was made when used in biotechnological processes.

Ключевые слова: биотехнология; биоконверсия; биотрансфор­мация; род Clostridium; Cl. Acetonobutylicum; Cl. Tyrobutyricym; Cl. Thermocellum; Cl. Cellulolyticum; Cl. Stercorarium.

Keywords: biotechnology; bioconversion; biotransformation; genus Clostridium; Cl. Acetonobutylicum; Cl. Tyrobutyricym; Cl. Thermocellum; Cl. Cellulolyticum; Cl. Stercorarium.

В настоящее время существует проблема истощаемости ископаемых топливных ресурсов, которая, в свою очередь приводит к возможности появления энергетического кризиса. Данное явление влечет за собой необходимость использования новых технологий для получения высококачественного топлива из возобновляемых ресурсов, в том числе и к биотехнологиям. Биоконверсия или биотрансформация – один из разделов биотехнологии, основой которого является процесс превращения веществ в другие с использованием ферментативных систем организмов, в том числе микроорганизмов [13].

Одной из перспективных групп микроорганизмов в целях био­конверсии является род Clostridium.

Представители данного рода являются спорообразующими грам­положительными бактериями, как правило, облигатными анаэробами.

Род Clostridium распространен повсеместно, бактерии встречаются в воде, почве, в материалах разложения растений и животных [11].

В данной области перспективными считаются виды Cl. acetonobutylicum, Cl. tyrobutyricym, Cl. thermocellum, Cl. Cellulolyticum и Cl.stercorarium.

Краткая характеристика промышленно значимых видов:

Clostridium acetonobutylicum. В процессе своего метаболизма сбраживают углеводы до бутанола, ацетона и этанола, при этом Cl. acetonobutylicum обладает высокой резистентностью к неблаго­приятным факторам среды, а именно к повышенной концентрации продуктов собственного метаболизма. Для целей биотехнологии разрабатываются наиболее эффективные штаммы данного вида [12]. Изучались перспективы использования данного вида для биоконверсии целлюлозы с целью получения бутанола, но, на данный момент выяснено, что данные микроорганизмы не имеют целлюлолити­ческой активности, тем не менее, данный вид может быть использован для утилизации лигноцеллюлозного сырья до бутанола, этанола и ацетона после предварительной его трансформации. Бутанол – насыщенный спирт с молекулярной формулой C₄H₉(OH). Может быть использован в широком спектре задач в химической и текстильной промышленности, а также спирт имеет значение как потенциальное топливо или топливная присадка [5].

Clostridium tyrobutyricum. Типичный представитель рода Clostridium. В процессе своего метаболизма имеет способность к расщеплению углеводов до масляной и уксусной кислот. Наиболее интересным продуктом жизнедеятельности Cl. tyrobutyricum в промышленном масштабе является масляная кислота. Данная кислота используется в химической, пищевой и фармацевтической промышленностях. Традиционный процесс получения масляной кислоты не является экономически целесообразным, вследствие относительно низкого выхода конечного продукта и величины затрат на ее производство. В качестве альтернативы рассматриваются перспективы микробной конверсии отходов сельскохозяйственного производства. В то же время исполь­зование Cl. tyrobutyricum в биотехнологическом процессе получения масляной кислоты повышает выход конечного продукта [6-10].

Clostridium thermocellum. Единственное отличие от типичных представителей рода Clostridium – термофильность. Интерес к данному виду бактерий заключается в использовании его целлюлолитической активности, а также в способности к превращению целлюлозного субстрата в этанол путем консолидированной биообработки [1].

Этанол – одноатомный спирт с молекулярной формулой C₂H₅(OH). Имеет больше промышленное значение в пищевой, фармацевтической и других отраслях. В том числе, как и бутанол, может быть использован в качестве биотоплива. Как и многие плесневые грибы, Cl. thermocellum имеет целлюлозолитические системы, но в ходе исследований было выяснено, что бактериальная система в сравнении с ними, значительно активнее, это выражается в способности полностью расщепить кристаллические источники целлюлозы, например, хлопок. При этом, есть существенные недостатки, которые на данный момент не дают использовать Cl. thermocellum на практике, так как в процессе конверсии наблюдается низкий выход этанола [2].

Clostridium cellulolyticum. Данный вид впервые был выделен из компоста, содержащего гнилую траву. Интерес к изучению данного вида привлекла его способность к биодеградации целлюлозы и получению в качестве продуктов метаболизма этанола и водорода. Как было сказано ранее, этанол имеет большое промышленное значение, а водород относится к альтернативным источникам энергии. Продукты метаболизма Cl. cellulolyticum можно отнести к чистым носителям энергии [2-3].

Clostridium stercorarium. Данный вид представляет собой термофильную бактерию. Также, что немаловажно, он распространен повсеместно. Cl. stercorarium деградирует полисахариды, содержащиеся в растительной биомассе, и производит: ацетат, этанол, CO₂ и H₂, незначительные количества лактата и 1-аланина. В ходе изучения Cl. stercorarium обнаружилось, что данный вид клостридий синтезирует большое количество гидролитических ферментов, что позволяет рас­сматривать его в качестве перспективного для разработки биотехноло­гических процессов конверсии лигноцеллюлозного сырья в различные виды биотоплива [6].

В обзоре представлены краткие характеристики биотехнологи­ческого потенциала некоторых видов рода Clostridium. В зависимости от потребности в том или ином целевом продукте могут быть использованы различные продуценты, представители клостридий. Их эффективность в технологических процессах биоконверсии напрямую зависит от качества исходного субстрата.