Микробиология, 2021, T. 90, № 2, стр. 145-154

Выделение целлюлозолитических штаммов Thermoanaerobacterium из термофильных метаногенных сообществ

Л. И. Попова ab, Х. Баль b, М. А. Егорова a, М. Р. Леонтьева a, А. И. Нетрусов a, Е. А. Цавкелова a*

a Кафедра микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
119234 Москва, Россия

b Департамент микробиологии математического и естественно-научного факультета Университета
г. Росток, Германия

* E-mail: tsavkelova@mail.ru

Поступила в редакцию 02.09.2020
После доработки 22.10.2020
Принята к публикации 26.10.2020

Аннотация

Из двух лабораторных термофильных анаэробных целлюлозолитических метаногенных сообществ, культивируемых на различных типах бумажных субстратов, путем высева на агаризованные среды CM3 и GS2 при 55°С были получены отдельные колонии, и выделены чистые культуры, принадлежащие к роду Thermoanaerobacterium. Для трех изолятов показана их целлюлозолитическая активность при росте на плотных и жидких средах с МКЦ и фильтровальной бумагой в качестве субстратов. При исследовании филогенетического родства этих изолятов с референсными штаммами T. thermosaccharolyticum DSM 571, M0795, TG57 два изолята (I2 и I3) кластеризовались с ними, тогда как изолят I1 не попал в достоверно выделенный кластер с представителями этого вида и формировал отдельную ветвь. Отличительной особенностью изолята I2 является образование им нерастворимого желтого аффинного вещества (YAS), характерного для таких анаэробных целлюлозолитиков, как Clostridium thermocellum, и служащего связывающим агентом между целлюлазой и субстратом. Результаты, полученные нами, свидетельствуют о том, что целлюлозолитические штаммы рода Thermoanaerobacterium входят в доминирующие популяции целлюлозолитиков при биоконверсии бумажных субстратов в биогаз в термофильных условиях. Несмотря на то, что у типового штамма T. thermosaccharolyticum DSM 571 нет целлюлозолитической способности, наши результаты согласуются с недавними данными исследователей о способности ряда штаммов T. thermosaccharolyticum к деструкции целлюлозы.

Ключевые слова: анаэробное микробное сообщество, биоразложение целлюлозы, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum

DOI: 10.31857/S0026365621020105

Список литературы

  1. Великодворская Г.А., Чекановская Л.А., Лунина Н.А., Сергиенко О.В., Лунин В.Г., Дворцов И.А., Зверлов В.В. Углевод-связывающий модуль 28 семейства термостабильной эндо-глюканазы СelD из анаэробного микроорганизма Сaldicellulosiruptor bescii необходим для максимальной активности фермента и необратимо связывается с аморфной целлюлозой // Мол. биол. 2013. Т. 47. С. 667–667.

  2. Velikodvorskaya G.A., Chekanovskaya L.A., Lunina N.A., Dvortsov I.A., Zverlov V.V., Sergienko O.V., Lunin V.G. Family 28 carbohydrate-binding module of the thermostable endo-1,4-β-glucanase CelD from Caldicellulosiruptor bescii maximizes enzyme activity and irreversibly binds to amorphous cellulose // Mol. Biol. 2013. V. 47. C. 581–586.

  3. Рабинович М.Л., Мельник М.С. Прогресс в изучении целлюлолитических ферментов и механизм биодеградации высокоупорядоченных форм целлюлозы // Успехи биол. хим. 2000. Т. 40. С. 205–266.

  4. Прокудина Л.И., Осмоловский А.А., Егорова М.А., Малахова Д.В., Нетрусов А.И., Цавкелова Е.А. Биоразложение целлюлозосодержащих субстратов микромицетами с последующей биоконверсией в биогаз // Прикл. биохимия и микробиология. 2016. Т. 52. С. 200–209.

  5. Prokudina L.I., Osmolovskiy A.A., Egorova M.A., Malakhova D.V., Netrusov A.I., Tsavkelova E.A. Biodegradation of cellulose-containing substrates by micromycetes followed by bioconversion into biogas // Appl. Biochem. Microbiol. 2016. V. 52. P. 190–198.

  6. Цавкелова Е.А., Егорова М.А., Петрова Е.В., Нетрусов А.И. Образование биогаза микробными сообществами при разложении целлюлозы и пищевых отходов // Прикл. биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. С. 417–424.

  7. Tsavkelova E.A., Egorova M.A., Petrova E.V., Netrusov A.I. Biogas production by microbial communities via decomposition of cellulose and food waste // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 377–384.

  8. Цавкелова Е.А., Нетрусов А.И. Получение биогаза из целлюлозосодержащих субстратов (обзор) // Прикл. биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. С. 469–483.

  9. Tsavkelova E.A., Netrusov A.I. Biogas production from cellulose-containing substrates (a review) // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 421–433.

  10. Atlas R.M. Handbook of Microbiological Media. N.Y., USA: CRC Press, 2004. 411 p.

  11. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology: Volume 3: The Firmicutes / Eds. De Vos P., Garrity G.M., Jones D., Krieg N.R., Ludwig W., Rainey F.A., Schleifer K.-H., Whitman W.B. Athens, USA: Springer Science & Business Media, 2009. V. 3. 1422 p.

  12. He Q., Hemme C.L., Jiang H., He Z., Zhou J. Mechanisms of enhanced cellulosic bioethanol fermentation by co-cultivation of Clostridium and Thermoanaerobacter spp. // Bioresour. Technol. 2011. V. 102. P. 9586–9592.

  13. Jiang H., Gadow S.I., Tanaka Y., Cheng J., Yu-You L. Improved cellulose conversion to bio-hydrogen with thermophilic bacteria and characterization of microbial community in continuous bioreactor // Biomass Bioenergy. 2015. V. 75. P. 57−64.

  14. Johnson E.A., Madia A., Demain A.L. Chemically defined minimal medium for growth of the anaerobic cellulolytic thermophile Clostridium thermocellum // Appl. Environ. Microbiol. 1981. V. 41. P. 1060.

  15. Koeck D.E., Maus I., Wibberg D., Winkler A., Zverlov V.V., Liebl W., Pühler A., Schwarz W.H., Schlüter A. Draft genome sequence of Herbinix hemicellulosilytica T3/55T, a new thermophilic cellulose degrading bacterium isolated from a thermophilic biogas reactor // J. Biotechnol. 2015. V. 214. P. 59–60.

  16. Koeck D.E., Pechtl A., Zverlov V.V., Schwarz W.H. Genomics of cellulolytic bacteria // Curr. Opin. Biotechnol. 2014. V. 29. P. 171–183.

  17. Kopečný J., Hodrova B. The effect of yellow affinity substance on cellulases of Ruminococcus flavefaciens // Lett. Appl. Microbiol. 1997. V. 25. P. 191–196.

  18. Li T., Zhang C., Yang K L., He J. Unique genetic cassettes in a Thermoanaerobacterium contribute to simultaneous conversion of cellulose and monosugars into butanol // Sci. Adv. 2018. V. 4. e1701475.

  19. Ljungdahl L.G., Pettersson B., Eriksson K.E., Wiegel J. A yellow affinity substance involved in the cellulolytic system of Clostridium thermocellum. // Curr. Microbiol. 1983. V. 9. P. 195–199.

  20. Lv W., Yu Z. Isolation and characterization of two thermophilic cellulolytic strains of Clostridium thermocellum from a compost sample // J. Appl. Microbiol. 2013. V. 114. P. 1001–1007.

  21. Lynd L.R., Weimer P.J., Van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology // Mi-crobiol. Mol. Biol. R. 2002. V. 66. P. 506–577.

  22. O-Thong S., Prasertsan P., Karakashev D., Angelidaki I. Thermophilic fermentative hydrogen production by the newly isolated Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum PSU-2 // Int. J. Hydrogen Energ. 2008. V. 33. P. 1204–1214.

  23. Pei J., Pang Q., Zhao L., Fan S., Shi H. Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum β-glucosidase: a glucose-tolerant enzyme with high specific activity for cellobiose // Biotechnol. Biofuels. 2012. V. 5. P. 31.

  24. Podosokorskaya O.A., Merkel A.Y., Kolganova T.V., Chernyh N.A., Miroshnichenko M.L., Bonch-Osmolovskaya E.A., Kublanov I.V. Fervidobacterium riparium sp. nov., a thermophilic anaerobic cellulolytic bacterium isolated from a hot spring // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2011. V. 61. P. 2697–2701.

  25. Shaw A.J., Hogsett D.A., Lynd L.R. Natural competence in Thermoanaerobacter and Thermoanaerobacterium species // Appl. Environ. Microbiol. 2010. V. 76. P. 4713–4719.

  26. Sizova M.V., Izquierdo J.A., Panikov N.S., Lynd L.R. Cellulose-and xylan-degrading thermophilic anaerobic bacteria from biocompost // Appl. Environ. Microbiol. 2011. V. 77. P. 2282–2291.

  27. Sun Y., Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review // Bioresour. Technol. 2002. V. 83. P. 1–11.

  28. Tsavkelova E., Prokudina (Popova) L., Egorova M., Leontieva M., Malakhova D., Netrusov A. The structure of the anaerobic thermophilic microbial community for the bioconversion of the cellulose-containing substrates into biogas // Process Biochem. 2018. V. 66. P. 183–196.

  29. VanFossen A.L., Lewis D.L., Nichols J.D., Kelly R.M. Polysaccharide degradation and synthesis by extremely thermophilic anaerobes // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008. V. 1125. P. 322–337.

  30. Vishnivetskaya T.A., Hamilton-Brehm S.D., Podar M., Mosher J.J., Palumbo A.V., Phelps T.J., Keller M., Elkins J.G. Community analysis of plant biomass-degrading microorganisms from Obsidian Pool, Yellowstone National Park // Microb. Ecol. 2015. V. 69. P. 333–345.

  31. Zarafeta D., Kissas D., Sayer C., Gudbergsdottir S.R., Ladoukakis E., Isupov M.N., Chatziioannou A., Peng X., Littlechild J.A., Skretas G., Kolisis F.N. Discovery and characterization of a thermostable and highly halotolerant GH5 cellulase from an icelandic hot spring isolate // PLoS One. 2016. V. 11. e0146454.

Дополнительные материалы отсутствуют.