Биологічні науки / 6. Мікробіологія

Мащенко О. Ю., Шулякова М. О., Пирог Т. П, Шевчук Т. А.

Національний університет харчових технологій, Україна

Синтез поверхнево-активних речовин Rhodococcus erythropolis ІМВ Ас-5017, Acinetobacter calcoaceticus ІМВ

В-7241 і Nocardia vaccinii К-8 на відходах виробництва біодизелю

Окрім відомих кожному безперечних переваг використання альтернативних джерел енергії також може створювати певні екологічні проблеми, наприклад, утворення та накопичення гліцерину – побічного продукту виробництва біодизелю [1, 5]. Щорічне збільшення потреби і, відповідно, обсягів виробництва цього біопалива лише загострює питання утилізації його відходів. Пошук нових, сучасніших методів застосування технічного гліцерину дозволить не тільки позбавитись від проблеми його накопичення, а й підвищити рентабельність виробництва біодизелю. Одним з можливих шляхів утилізації цього відходу є його використання як ростового субстрату у технологіях мікробного синтезу для отримання практично цінних метаболітів, в тому числі й поверхнево-активних речовин (ПАР) [2], які широко застосовуються у різних галузях народного господарства, а також у природоохоронних технологіях для очищення довкілля від ксенобіотиків [1]. При цьому необхідно звернути увагу на можливість використання саме утворюваної неочищеної гліцеринової фракції, що містить ряд потенційних інгібіторів росту і біосинтетичних процесів деяких мікроорганізмів, оскільки необхідність додаткового очищення гліцерину ускладнює технологію та підвищує її вартість.

Отже, основною метою даної роботи було дослідження можливості біоконверсії гліцерину різного ступеня очищення у мікробні ПАР Rhodococcus erythropolis ІМВ Ас-5017, Acinetobacter calcoaceticus ІМВ В-7241 та Nocardia vaccinii K-8.

Як субстрат використовували три види гліцерину: «очищений» – гліцерин як хімічний реактив (ступінь чистоти 99,5%); «модифікований» – штучна модифікація середнього складу гліцеринової фракції, що утворюється при виробництві біодизелю, внесенням у відповідні мінеральні середовища з очищеним гліцерином NaCl або KCl – 2,5 % (масова частка), та метанолу або етанолу – 0,3 % (об’ємна частка); «технічний» – гліцерин, отриманий на підприємстві ТОВ «Запорізький біопаливний завод» як реальний відход виробництва біодизелю.

Раніше нами було встановлено можливість використання очищеного гліцерину як джерела вуглецю та енергії для синтезу ПАР штамами ІМВ Ас-5017, ІМВ В-724, K-8 [3].

У ході ензиматичних аналізів [4] було виявлено широку субстратну специфічність нітрозо-N,N-диметиланілін- (НДМА)-залежних алкогольдегідрогеназ R. erythropolis ІМВ Ас-5017 і A. calcoaceticus ІМВ В-7241, що свідчить про можливість використання даними штамами суміші ростових субстратів як джерела вуглецю та енергії і, відповідно, росту на модифікованому та технічному гліцерині.

З літературних даних відомо [5], що середній склад технічного гліцерину залежить від технології виробництва біодизелю і може містити в своєму складі, крім гліцерину (65 – 92 %), додатково метанол чи етанол (0,3 – 1%), солі калію або натрію (2,5 %), вільні та зв’язані жирні кислоти та воду (6 – 26 %). Виходячи з цього, нами було змодельовано середній склад гліцеринової фракції («модифікований гліцерин») за кількістю залишкових спиртів (метанол, етанол) і солей калію або натрію (у вигляді хлоридів) як основних можливих інгібіторів мікробного росту.

Внесення у середовище культивування усіх штамів KCl або NaCl у концентрації 2,5 % не тільки не пригнічувало ріст продуцентів, а й приводило до підвищення показників синтезу ПАР на 4–35%, а наявність у середовищі з очищеним гліцерином та солями 0,3 % метанолу або етанолу супроводжувалася збільшенням рівнів синтезу на 11–77 % у порівнянні з культивуванням бактерій на очищеному гліцерині.

Далі в якості субстрату використовували технічний гліцерин і досліджували вплив різних його концентрацій (1 – 10 %, об’ємна частка) на накопичення цільового продукту (ПАР). Варто зазначити, що в усіх варіантах спостерігали значно вищі показники синтезу ПАР досліджуваним штамами у порівнянні з культивуванням продуцентів на очищеному та модифікованому гліцерині. Так, для A. calcoaceticus ІМВ В-7241 найвищий рівень синтезу ПАР становив 5,6 г/л за концентрації субстрату 2 %, а для N. vaccinii K-8 – 4,24 г/л за присутності 4% технічного гліцерину. Варто зазначити, що для згаданих штамів подальше збільшення вмісту субстрату у середовищі супроводжувалось зниженням концентрації цільового продукту в 1,5 – 2 рази. Встановлено, що за подовження тривалості культивування до 7 діб спостерігається підвищення синтезу ПАР штамами ІМВ Ас-5017, ІМВ В-7241 та K-8, у той час як збільшення цього часу до 12 виявилось недоцільним.

У попередніх дослідженнях було визначено, що оптимальна кількість інокуляту для A. calcoaceticus ІМВ В-7241 становить 5 % від об’єму поживного середовища. Було припущено, що для забезпечення повноти перетворення технічного гліцерину у ПАР необхідні вищі концентрації посівного матеріалу. Показано, що у разі внесення 15% інокуляту на 5 добу росту було досягнуто максимального значення ПАР (5,7 г/л), при цьому концентрація технічного гліцерину у середовищі становила 5 %.

Наразі проводяться аналогічні дослідження для R. erythropolis ІМВ Ас-5017 та N. vaccinii K-8.

Отже, біоконверсія гліцерину у мікробні поверхнево-активні речовини дозволить здешевити технологію одержання ПАР у результаті використання як субстрату дешевої сировини, а також підвищити рентабельність виробництва біодизелю за рахунок утилізації побічного продукту – гліцерину.

Література:

1. da Silva G., Mack M., Contiero J. Glycerol: A promising and abundant carbon source for industrial microbiology // Biotechnol. Adv. – 2009. – V.27, № 1. – P. 30–39.

2. Yazdani S., Gonzalez R. Anaerobic fermentation of glycerol: a path to economic viability for the biofuels industry // Curr. Opin. Biotechnol. – 2007. – V.18, №3. – P. 213–219.

3. Пирог Т.П., Шевчук Т.А., Конон А.Д., Шулякова М.А., Иутинская Г.А. Глицерин как субстрат для синтеза поверхностно-активных веществ Acinetobacter calcoaceticus ИМВ В-7241 и Rhodococcus erythropolis ИМВ Ас-5017 // Микробиол. журнал. – 2012. – Т. 74, № 1. – С. 20–27.

4. Пирог Т.П., Шевчук Т.А., Конон А.Д., Шулякова М.А., Иутинская Г.А. Глицерин как субстрат для синтеза поверхностно-активных веществ Acinetobacter calcoaceticus ИМВ В-7241 и Rhodococcus erythropolis ИМВ Ас-5017 // Мікробіол. журнал. – 2012. – 74, № 1. – С. 20−27.

5. Almeida J. R., Favaro L. C., Quirino B. F. Biodisel biorefinery: opportunities and challenges for microbial production of fuels and chemicals from glycerol waste// Biotechnol. Biofuels. – 2012. – Vol.5, № 48. – In press.