Микробиология, 2021, T. 90, № 4, стр. 387-399

Катаболический потенциал и сурфактантная активность галотолерантных углеводородокисляющих бактерий

А. Е. Иванова 1*, И. А. Борзенков 1, Д. Ш. Соколова 1

1 Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского, ФИЦ Биотехнологии РАН
119071 Москва, Россия

* E-mail: a.e.ivanova@mail.ru

Поступила в редакцию 24.11.2020
После доработки 27.02.2021
Принята к публикации 02.03.2021

Аннотация

Исследованы углеводородокисляющий потенциал, способность к синтезу биосурфактантов и устойчивость к экологически значимым факторам ранее выделенных штаммов-деструкторов: Acinetobacter seifertii WS-1, Pseudomonas extremaustralis WS-1, Dietzia maris 367-2, Rhodococcus qingshengii 367-6, Gordonia cholesterolivorans S12. Установлено, что в целом изученные штаммы способны функционировать как деструкторы углеводородов при умеренных (25–37°С) и пониженных (6–10°С) температурах, в широком диапазоне рН (4.0–11.5) и солености (0–9%) среды. Показано, что, наряду с индивидуальными н-алканами, они эффективно разлагали нефть (85–91% алифатической фракции за 5 сут), причем для разных культур бактерий биодеградация С10–С29н-алканов составила 96–100%, а С14–С20изо-алканов – 26–47%. Благодаря использованию модельной смеси н-алканов состава С10–С33 определены скорости потребления углеводородов и субстратные предпочтения штаммов. Обнаружено, что метаболизм обычно устойчивых к биодеструкции мультиразветвленных алканов, 2,2,4,4,6,8,8-гептаметилнонана (ГМН) и сквалана (С30Н62, 2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан), активировался в присутствии н-алканов, при этом изо-алканы потреблялись одновременно, но с меньшей скоростью, чем н-алканы. После полного элиминирования н-алканов окисление сквалана тормозилось, тогда как биодеструкция ГМН активно продолжалась. Штаммы использовали 48–68% сквалана за 6 сут и 28–82% ГМН за 4 сут. ГМН не мог служить единственным источником углерода и энергии для исследованных штаммов, однако длительное культивирование (30 сут) со скваланом сопровождалось резким снижением значений поверхностного и межфазного натяжения среды, слабым ростом бактерий и потреблением до 15% углеводорода . Показано, что все изученные штаммы-деструкторы являются продуцентами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Гидрофобные субстраты (жидкие парафины, сквалан, оливковое масло) индуцировали образование био-ПАВ с выраженной сурфактантной активностью, которые снижали межфазное и поверхностное натяжение до минимальных значений – 2.0 и 27.2 мН/м соответственно, тогда как водорастворимые источники углерода (этанол, бензоат, фенол) способствовали образованию эмульгаторов. Эмульгирующая активность была характерна для отдельных штаммов, проявлялась не на всех субстратах и не превышала 50%. Высокий метаболический и адаптивный потенциал исследованных штаммов может быть использован для биоремедиации нефтезагрязненных объектов.

Ключевые слова: углеводородокисляющие бактерии, биодеградация углеводородов, нефть, гептаметилнонан, сквалан, био-ПАВ, поверхностное и межфазное натяжение

DOI: 10.31857/S0026365621040054

Список литературы

  1. Иванова А.Е., Соколова Д.Ш., Канатьева А.Ю. Биодеградация углеводородов и образование поверхностно-активных соединений ацидофильными микобактериями // Микробиология. 2016. Т. 85. С. 300–308.

  2. Ivanova A.E., Sokolova D.Sh., Kanat’eva A.Yu. Hydrocarbon biodegradation and surfactant production by acidophilic mycobacteria // Microbiology (Moscow). 2016. V. 85. P. 317–324.

  3. Иванова А.Е., Борзенков И.А. Аэробная биодеградация компонентов сырой нефти ацидофильными микобактериями // Микробиология. 2018. Т. 87. С. 344–355.

  4. Ivanova A.E., Borzenkov I.A. Aerobic biodegradation of crude oil components by acidophilic mycobacteria // Microbiology (Moscow). 2018. V. 87. P. 453–462.

  5. Berekaa M.M., Steinbüchel A. Microbial degradation of the multiply branched alkane 2,6,10,15,19,23-hexamethyltetracosane (squalane) by Mycobacterium fortuitum and Mycobacterium ratisbonense // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66. P. 4462–4467.

  6. Binazadeh M., Karimi I.A., Li Z. Fast biodegradation of long chain n-alkanes and crude oil at high concentrations with Rhodococcus sp. Moj-3449 // Enzyme Microb. Technol. 2009. V. 45. P. 195–202.

  7. Bogan B.W., Sullivan W.R., Kayser K.J., Derr K.D., Aldrich H.C., Paterek J.R. Alkanindiges illinoisensis gen. nov., sp. nov., an obligately hydrocarbonoclastic, aerobic squalane-degrading bacterium isolated from oilfield soils // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2003. V. 53. P. 1389–1395.

  8. Cooper D.G., Goldenberg D.G. Surface-active agents from two Bacillus species // Appl. Environ. Microbiol. 1987. V. 50. P. 520–529.

  9. Chen W., Li J., Sun X., Min J., Hu X. High efficiency degradation of alkanes and crude oil by a salt-tolerant bacterium Dietzia species CN-3 // Int. Biodeter. Biodegr. 2017. V. 118. P. 110–118.

  10. Desai J.D., Banat I.M. Microbial production of surfactants and their commercial potential // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1997. V. 61. P. 47–64.

  11. Francy D.S., Thomas J.M., Raymond R.L., Ward C.H. Emulsification of hydrocarbons by subsurface bacteria // J. Ind. Microbiol. 1991. V. 8. P. 237–245.

  12. Guo C., Dang Y., Wong Y., Tam N.F. Biodegradation ability and dioxygenase genes of PAN-degrading Sphingomonas and Mycobacterium strains isolated from mangrove sediments // Int. Biodeter. Biodegr. 2010. V. 64. P. 419–426.

  13. Kumar A., Bisht B.S., Joshi V.D., Dhewa T. Review on bioremediation of polluted environment: a management tool // Int. J. Environ. Sci. 2011. V. 1. P. 1079–1093.

  14. Lal B., Khanna S. Degradation of crude oil by Acinetobacter calcoaceticus and Alkaligenes odorans // J. Appl. Bacteriol. 1996. V. 81. P. 355–362.

  15. Morikawa M., Daido H., Takao T., Murata S., Shimonishi Y., Imanaka T. A new lipopeptide biosurfactant produced by Arthrobacter sp. strain MIS38 // J. Bacteriol. 1993. V. 175. P. 6459–6466.

  16. Nocentini M., Pineli D., Fava F. Bioremediation of a soil contaminated with hydrocarbon mixtures: the residual concentration problem // Chemosphere. 2000. V. 41. P. 1115–1123.

  17. Pfennig N., Lippert K.D. Uber das vitamin B12 – Bedurfnis phototropher Schweferelbakterien // Arch. Microbiol. 1966. V. 55. P. 245–256.

  18. Rayu S., Karpouzas D.G., Singh B.K. Emerging technologies in bioremediation: constraints and opportunities // Biodegradation. 2012. V. 23. P. 917–926.

  19. Rocha C.A., Pedregosa A.M., Laborda F. Biosurfactant-mediated biodegradation of straight and methyl-branched alkanes by Pseudomonas aeruginosa ATCC 55925 // AMB Express. 2011. V. 1. Art. 9. https://doi.org/10.1186/2191-085-1-9

  20. Solano-Serena F., Marchal R., Casaregola S., Vasnier C., Lebeault J.-M., Vandecasteele J.-P. Mycobacterium strain with extended capacities for degradation of gasoline hydrocarbons // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66. P. 2392–2399.

  21. Sutcliff I.C. Cell envelope composition and organization in the genus Rhodococcus // Antonie van Leeuwenhoek. 1998. V. 74. P. 49–58.

  22. Wang X.-B., Chi C.-Q., Nie Y., Tang Y.-Q., Tan Y., Wu G., Wu X.-L. Degradation of petroleum hydrocarbons (C6–C40) and crude oil by a novel Dietzia strain // Bioresour. Technol. 2011. V. 102. P. 7755–7761.

  23. Xu X., Liu W., Tian S., Wang W., Qi Q., Liang P., Gao X., Li F., Li H., Yu H. Petroleum hydrocarbon-degrading bacteria for the remediation of oil pollution under aerobic conditions: a perspective analysis // Front. Microbiol. V. 9. Art. 2885. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02885

  24. Zhang Z.Z., Hou Z.W., Yang C.Y., Ma C.Q., Tao F., Xu P. Degradation of n-alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons in petroleum by newly isolated Pseudomonas aeruginosa DQ8 // Bioresour. Technol. 2011. V. 102. P. 4111–4116.

Дополнительные материалы

скачать ESM.docx
Рис. S1. - Рис. S3.
 
Таблица S1. - Таблица S5.