1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микробиология
  4. T. 92, № 3, 2023

Микробиология, 2023, T. 92, № 3, стр. 335-344

Кальцинирующие бактерии в экстремальных экосистемах Южного Приаралья

К. В. Кондрашева a, А. А. Умрузоков a, С. В. Калёнов b, А. Ю. Меркель c, Н. А. Черных c, А. И. Слободкин c, С. Н. Гаврилов c, *, К. Д. Давранов a

a Институт микробиологии АН Республики Узбекистан
100128 Ташкент, Узбекистан

b Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Кафедра биотехнологии, Факультет биотехнологии и промышленной экологии
125480 Москва, Россия

c Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского, ФИЦ Биотехнологии РАН
117312 Москва, Россия

* E-mail: sngavrilov@gmail.com

Поступила в редакцию 23.12.2022
После доработки 23.01.2023
Принята к публикации 23.01.2023

Аннотация

Процессы микробно-индуцированного осаждения карбонатов кальция широко распространены в природных условиях и являются важной частью биогеохимического цикла углерода. Эти процессы легли в основу новых технологий “биоцементирования”, разработка которых активно ведется в последнее десятилетие по всему миру. Данные технологии направлены на создание новых “самозаживляющихся” строительных материалов, а также на поддержание прочности различных сооружений и строительных конструкций. Оптимальными условиями для образования кальцитов являются повышенная соленость и щелочность среды, что вызвало интерес к поиску кальцинирующих микроорганизмов в разнообразных экосистемах, включая экстремальные. В настоящее время выделено и протестировано в полупромышленных условиях уже немало штаммов галофильных и галотолерантных бактерий, индуцирующих кальцинирование. Большинство этих бактерий обладает уреазной активностью, которая вносит основной вклад в связывание ионов кальция в нерастворимый карбонат кальция. Широкое разнообразие природных экосистем с оптимальными условиями для развития кальцинирующих уробактерий, а также экономическая востребованность технологий биоцементирования побуждает интерес к поискам все новых штаммов этих микроорганизмов. Одним из перспективных ресурсов для поиска таких организмов является экосистема высыхающего Аральского моря и прилегающего к нему пустынного и полупустынного региона Приаралья. В нашей работе мы приводим результаты скрининга различных экстремальных экосистем Аральского региона на наличие кальцинирующих микроорганизмов. Из образцов растительных остатков и почв Приаралья нами получено 28 чистых культур гетеротрофных аэробных бактерий, 4 из которых обладают уреазной и кальцинирующей активностями, дана сравнительная оценка их активности со штаммами, уже использованными для создания биоцементирующих препаратов. Методами молекулярной экологии детектированы филотипы потенциальных кальцинирующих микроорганизмов в микробных сообществах пустынной почвы, термальных вод и донных отложений соленого озера, дано описание филогенетического разнообразия этих сообществ. Полученные результаты выявили широкое распространение кальцинирующих микроорганизмов в экосистемах Южного Приаралья и показали целесообразность поиска в них новых биотехнологически значимых штаммов этих организмов.

Ключевые слова: микробно-индуцированное осаждение кальцита, экстремальные экосистемы, Аральское море, биоцементирование

Список литературы

  1. Батяновский Э.И., Гуриненко Н.С., Корсун А.М. Структура, непроницаемость и долговечность цементного бетона // Наука и техника. 2022. Т. 21. № 1. С. 19‒27.

  2. Гаврилов С.Н., Потапов Е.Г., Прокофьева М.И., Клюкина А.А., Меркель А.Ю., Маслов А.А., Заварзина Д.Г. Разнообразие новых некультивируемых прокариот в микробных сообществах минеральных подземных вод Ессентукского месторождения // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 32–49.

  3. Gavrilov S.N., Prokof’eva M.I., Klyukina A.A., Merkel A.Y., Zavarzina D.G., Potapov E.G., Maslov A.A. Diversity of novel uncultured prokaryotes in microbial communities of the Yessentukskoye underground mineral water deposit // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 28‒44.

  4. Давидюк А.А., Рыбнов Д.С., Гоглев И.Н., Соколов К.Ю., Кустикова Ю.О. Математическое моделирование динамики процесса массопереноса при коррозии цементных бетонов // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 2. С. 34‒41.

  5. Давлетмуратова В.Б. Развитие процессов опустынивания и галофитизация естественной растительности в дельте и низовьях Амударьи // Экономика и социум. 2017. Т. 37. № 6-1. С. 519‒522.

  6. Большое Аральское море в начале XXI в.: физика, биология, химия / Под ред. Завьялова П.О. и др. М.: Наука, 2012. 232 с.

  7. Калёнов С.В., Градова Н.Б., Сивков С.П., Агалакова Е.В., Белов А.А., Суясов Н.А., Хохлачёв Н.С., Панфилов В.И. Препарат на основе бактерий, выделенных из гиперсоленых сред, для улучшения функциональных и защитных характеристик бетона // Биотехнология. 2020. Т. 36. № 4. С. 21–28.

  8. Almajed A., Lateef M.A., Moghal A.A.B., Lemboye K. State-of-the-art review of the applicability and challenges of microbial-induced calcite precipitation (MICP) and enzyme-induced calcite precipitation (EICP) techniques for geotechnical and geoenvironmental applications // Crystals. 2021. V. 11. Art. 370.

  9. Alonso M.J.C., Ortiz C.E.L., Perez S.O.G. et al. Improved strength and durability of concrete through metabolic activity of ureolytic bacteria // Environ. Sci. Pollut. Res. 2018. V. 25. P. 21451−21458.

  10. Arias D., Cisternas L.A., Miranda C., Rivas M. Bioprospecting of ureolytic bacteria from Laguna Salada for biomineralization applications // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019. V. 18. Art. 209.

  11. Atkinson D.E. Functional roles of urea synthesis in vertebrates // Physiol. Zool. 1992. V. 65. P. 243‒267.

  12. Chaparro-Acuña S.P., Becerra-Jiménez M.L., Martínez-Zambrano J.J., Rojas-Sarmiento H.A. Soil bacteria that precipitate calcium carbonate: Mechanism and applications of the process // Acta Agronomica. 2020. V. 67. P. 277–288.

  13. DeJong J.T. Biogeochemical processes and geotechnical applications: progress, opportunities and challenges // Geotechnique. 2013. V. 63. P. 287–301.

  14. Ekprasert J., Fongkaew I., Chainakun P. et al. Investigating mechanical properties and biocement application of Ca-CO3 precipitated by a newly-isolated Lysinibacillus sp. WH using artificial neural networks // Sci. Rep. 2020. V. 10. Art. 16137.

  15. Frankel R.B., Bazylinski D.A. Biologically induced mineralization by bacteria // Rev. Mineral. Geochem. 2003. V. 54. P. 95–114.

  16. Galinski E.A., Trüper H.G. Microbial behaviour in saltstressed ecosystems // FEMS Microbiol. Rev. 1994. V. 15. P. 95–108.

  17. Garabito M.J., Márquez M.C., Ventosa A. Halotolerant Bacillus diversity in hypersaline environments // Can. J. Microbiol. 1998. V. 44. P. 95‒102.

  18. Jebbar M. Ectoine functions as an osmoprotectant in Bacillus subtilis and is accumulated via the ABC-transport system OpuC // FEMS Microbiol. Lett. 1997. V. 154. P. 325–330.

  19. Joshi S., Goyal S., Mukherjee A., Reddy M.S. Microbial healing of cracks in concrete: a review // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 44. P. 1511‒1525.

  20. Joshi S., Goyal S., Reddy M.S. Influence of biogenic treatment in improving the durability properties of waste amended concrete: a review // Constr. Build. Mater. 2020. V. 263. Art. 120170.

  21. Kalenov S.V., Belov A.A., Lyapkin E.I., Sachavskii A.A., Panfilov V.I. Problems of non-sterile cultivation of extremely halophilic microorganisms // Int. Multidisc. Sci. GeoConference: SGEM. 2020. V. 20. P. 105‒112.

  22. Karplus P.A., Pearson M.A., Hausinger R.P. 70 years of crystalline urease:  what have we learned? // Acc. Chem. Res. 1997. V. 30. P. 330–337.

  23. Leeprasert L., Chonudomkul D., Boonmak C. Biocalcifying potential of ureolytic bacteria isolated from soil for biocementation and material crack repair // Microorganisms. 2022. V. 10. Art. 963.

  24. Micklin P. The Aral Sea disaster // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2007. V. 35. P. 47‒72.

  25. Mutitu K.D., Munyao M.O., Wachira M.J., Mwirichia R., Thiong’o K.J., Marangu M.J. Effects of biocementation on some properties of cement-based materials incorporating Bacillus species bacteria – a review // J. Sustain. Cem. 2019. V. 8. P. 309‒325.

  26. Omoregie A.I., Palombo E.A., Nissom P.M. Bioprecipitation of calcium carbonate mediated by ureolysis: a review // Environ. Engineer. Res. 2021. V. 26. Art. 200379.

  27. Osinubi K.J., Eberemu A.O., Ijimdiya T.S., Yakubu S.E., Gadzama E.W., Sani J.E., Yohanna P. Review of the use of microorganisms in geotechnical engineering applications // SN Applied Sciences. 2020. V. 2. № 2. P. 1‒19.

  28. Pacheco V.L., Bragagnolo L., Reginatto C. et al. Microbially induced calcite precipitation (MICP): review from an engineering perspective // Geotech. Geol. Eng. 2022. V. 40. P. 2379–2396.

  29. Panosyan H., Hakobyan A., Birkeland N.K., Trchounian A. Bacilli community of saline-alkaline soils from the Ararat Plain (Armenia) assessed by molecular and culture-based methods // Syst. Appl. Microbiol. 2018. V. 41. P. 232‒240.

  30. Vahabi A., Ramezanianpour A., Sharafi H., Zahiri H., Vali H., Noghabi K. Calcium carbonate precipitation by strain Bacillus licheniformis AK01, newly isolated from loamy soil: a promising alternative for sealing cement-based materials // J. Basic Microbiol. 2015. V. 55. P. 105‒111.

  31. Ventosa A., Márquez M.C., Garabito M.J., Arahal D.R. Moderately halophilic Gram-positive bacterial diversity in hypersaline environments // Extremophiles. 1998. V. 2. P. 297‒304.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микробиология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал