Российские ученые выделили новый штамм бактерий, который эффективно перерабатывает жировые отходы рыбопереработки в ценный биопластик и белок одноклеточных (биопротеин). Такой подход не только дает дешевое сырье для производства экологичных пластиков и белковых продуктов, но и решает проблему утилизации крупнотоннажных отходов рыбоконсервной промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymer Journal.
В настоящее время сельское хозяйство покрывает лишь 40 % мировой потребности в белке, а пластик, разлагающийся десятилетиями, продолжает накапливаться в океанах и почвах. На первый взгляд, эти проблемы не связаны между собой, однако их можно решить одновременно с помощью микробиологического синтеза. Дело в том, что некоторые бактерии, потребляя углерод, способны производить как белок, так и биоразлагаемые полимеры, но у этого подхода есть серьезные ограничения. Во-первых, промышленное производство упирается в дороговизну сырья — затраты на углеродный субстрат (чаще всего сахара или масла) составляют 45—50 % всех расходов. Во-вторых, подходящими метаболическими свойствами обладает далеко не каждая бактерия.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета выделили новый штамм бактерии Cupriavidus necator B-15081, способный эффективно расщеплять жиры. Специалисты впервые показали, что этот штамм может производить биоразлагаемые полимеры и одноклеточный белок при выращивании на жире, извлекаемом из отходов промысловых рыб: скумбрии и кильки. Использование такого сырья позволяет вовлекать трудноутилизируемые отходы в биотехнологические процессы и формировать замкнутые производственные циклы.
Штамм C. necator был выделен из почвы полевого чернозема. Эксперименты показали, что он стабильно растет при комнатной температуре и на различных углеродных субстратах, включая жиросодержащие компоненты, извлекаемые из рыбных отходов. Варьирование и подбор условий выращивания бактерий нового штамма позволили контролировать и переключать внутриклеточный метаболизм: на полной среде в проточной культуре получена суперпродукция белка; в периодическом режиме при дефиците азота в среде бактерии накапливали биополимеры. Биотехнологи получили высокое содержание разрушаемых полимеров (полигидроксиалканоатов), которые имели низкую кристалличность и высокую молекулярную массу, что делает их одновременно гибкими и прочными. Также штамм оказался способным производить большое количество белка, который представлен полным набором аминокислот, включая незаменимые.
Чтобы оценить перспективность нового штамма C. necator B-15081, исследователи сравнили полученные результаты с данными для других штаммов, выращенных на тех же типах отработанного растительного масла. Оказалось, что новый штамм значительно превосходит предшественника по всем ключевым показателям. Бактерии утилизировали более 80 % предложенного им отработанного жира в качестве нового биотехнологического субстрата. Это позволяет экономить сырье и качественно перерабатывать отходы. Результаты показали, что новый штамм C. necator B-15081 перспективен для производства актуальных и востребованных продуктов — биоразлагаемого пластика и биопротеина. А исследованные жировые отходы рыбопереработки могут стать крупномасштабным и возобновляемым ресурсом для производства целевых продуктов.
«Мы получили стабильную культуру нового штамма Cupriavidus necator B-15081. Микроорганизмы накапливают внутри клеток до 83 % ценного биопластика. Это очень высокий показатель выхода готового продукта. Синтезированный бактериями белок можно использовать в кормах сельскохозяйственных животных и аквакультуры вместо дефицитных соевых шротов или мясокостной муки. Такое производство позволяет получать белок, не расширяя пашни и не тратя огромное количество воды, как это происходит в традиционном сельском хозяйстве. Важно, что в качестве питания для бактерий используются отходы. Это способ снижения затрат на сырье, а также решения экологических проблем, связанных с сокращением отходов и переходом к циклической экономике. К слову, отходы, например, в производстве шпротов из килечных видов рыб содержат коптильные компоненты, поэтому не используются в традиционных технологиях получения рыбной муки и вывозятся на свалки для захоронения или утилизации, что сопровождается значительными затратами. При этом экономические коэффициенты переработки такого сырья оказались в 1,5—2 раза выше, чем при кормлении бактерий обычными сахарами. То есть жир из отходов рыбопереработки гораздо выгоднее для биотехнологического производства биопластика. Такой подход убивает двух зайцев: решает экологическую проблему утилизации отходов и дает дешевое сырье для биотехнологий. В дальнейшем мы планируем получить более быстрорастущую культуру этого штамма, чтобы еще больше повысить экономическую эффективность», — заключила руководитель работы заведующая лабораторией Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН доктор биологических наук Татьяна Григорьевна Волова.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
Фото Анастасии Тамаровской
