Энергоносители микробного происхождения: продуценты, пути образования, лабораторные модели получения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-74-30025

НазваниеЭнергоносители микробного происхождения: продуценты, пути образования, лабораторные модели получения

Руководитель Бонч-Осмоловская Елизавета Александровна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №25 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые слова Микроорганизмы, микробные сообщества, подземные местообитания, новые метаногены, современное образование нефти, водород из органических отходов, водород из сингаза, анаэробное окисление минералов, микробное электричество

Код ГРНТИ34.27.01

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта - выявление и характеристика микробных процессов, приводящих к образованию энергоносителей (углеводородов, водорода) и получению электричества в топливных элементах. Поиск возобновляемых источников энергии микробного происхождения является актуальной задачей в связи с их экономичностью, экологической чистотой и возможностью сочетания получения с другими биологическими процессами (разложение органических отходов, получение продуктов с высокой добавленной стоимостью). Одновременно поиск новых энергетических процессов у прокариот имеет большую ценность для фундаментальной науки, так как расширяет наши знания о многообразии микробного мира, в том числе с точки зрения энергетического метаболизма, что может быть использовано при моделировании первичной биосферы Земли или экстраполировано на гипотетические внеземные экосистемы. Исследования будут вестись в двух направлениях: (1) Исследование природных микробных сообществ, участвующих в процессах образования энергоносителей и преобразования вмещающих пород. В рамках этого направления будет проводиться поиск новых продуцентов энергоносителей, будет исследоваться процесс современного образования высокомолекулярных углеводородов, а также будут изучаться биогеохимические механизмы образования энергоносителей микробного происхождения. (2) Разработка лабораторных моделей получения энергоносителей с помощью микроорганизмов. В это направление входит исследование образования газообразных энергоносителей из органических отходов, исследование процессов образования водорода из сингаза и газообразных промышленных отходов, а также разработка биоэлектрохимических систем для трансформации органических отходов и биомассы в электричество и водород. Таким образом, каждое направление исследований будет представлено тремя конкретными научными задачами. Из поставленных задач одни являются новыми, другие входят в хорошо разработанные направления, в которых, однако, благодаря стремительному развитию новых методов исследования, в первую очередь молекулярных, возникают новые аспекты, заслуживающие первоочередного внимания (например, новые некультивируемые группы метаногенов). В отдельных случаях новизна заключается в исследуемом объекте (грязевые вулканы Тамани, газовые месторождения Ямала, сообщество, ассоциированное с "молодой" нефтью Узона) или в новом подходе (использование представителей новых филогенетических групп прокариот, сочетание культуральных и молекулярных методов исследования, использование термофильных микроорганизмов для получения микробного электричества). В каждом случае мы рассчитываем получить приоритетные результаты, важные как для фундаментальной науки, так и для разработки новых биотехнологий. Задача 1 - изучение природных микробных сообществ, участвующих в процессах образования энергоносителей и/или преобразования вмещающих пород будет решаться путем молекулярных и микробиологических исследований образцов воды и грунта из анаэробных местообитаний различной природы и географического положения: грязевых вулканов Таманского полуострова и глубинных горизонтов Средиземного моря, нефтяных скважин Западной Сибири, гидротерм Камчатки и Чукотки. Особое внимание будет уделено исследованию месторождения водорода, недавно обнаруженного в зоне провала вечномерзлотной почвы Ямала и не имеющего аналогов в истории нашей планеты. C помощью анализа генов 16S рРНК, ключевых функциональных генов и метагеномного секвенирования природных образцов ДНК будут определены доминирующие группы микроорганизмов и метаболические пути образования энергоносителей. Будут получены накопительные и чистые культуры представителей новых филогенетических и метаболических групп анаэробных микроорганизмов, оценено их участие в биогеохимических процессах, протекающих в исследуемых биотопах, а также возможность использования в биотехнологии. Задача 2 - исследование процессов образования высокомолекулярных углеводородов микроорганизмами и их сообществами - будет решаться на примере современного месторождения нефти в кальдере Узон, Камчатка, возраст которого некоторыми исследователями определяется как 50 лет. Анализ ассоциированных с "молодой" нефтью микробных сообществ и сравнение их с ассоциациями микроорганизмов, развивающимися в сходных условиях, но в отсутствие нефти, позволит выявить доминирующие в нефтяном месторождении группы микроорганизмов, а также генные кластеры, обуславливающие образование углеводородов или их предшественников. Задача 3 будет заключаться в исследовании механизмов использования микроорганизмами энергии неорганических соединений и переведения ее в удобную для использования форму. Будет исследована способность микроорганизмов использовать нерастворимые доноры электронов (минералы, металлы) в качестве источников энергии в анаэробных условиях и разнообразие образующихся при этом продуктов (водород, метан). Отдельным объектом исследования будут микробные сообщества, в которых происходит межвидовой перенос водорода. Несмотря на то, что это явление известно уже много лет, последние данные говорят о существовании уникальных молекулярных механизмах межклеточного взаимодействия, которые также могут найти применение в биотехнологии. Задача 4 состоит в исследовании образования газообразных энергоносителей (водорода и метана) в результате разложения органических отходов. Наш вклад в решение этой хорошо известно и давно разрабатываемой задачи будет состоять в поисках наиболее эффективных микроорганизмов-гидролитиков, способных, с одной стороны, разлагать широкий спектр биополимеров, а с другой - образовывать молекулярный водород как основной восстановленный продукт брожения. В работе предполагается исследовать выделенные ранее термофильные бактерии, относящиеся к родам Caldicellulosiruptor и Melioribacter, а также к филуму Thermotogae, анализ секвенированных ранее геномов которых показал присутствие большого количества генов, кодирующих гидролазы. Задача 5 - получение водорода из сингаза или газообразных промышленных отходов - также базируется на имеющемся заделе: коллекции термофильных прокариот, образующих водород из воды одновременно с окислением СО до углекислоты. В рамках этой задачи будут выбраны наиболее эффективные микроорганизмы-продуценты водорода и оптимизированы условия преобразования ими в водород смеси газов, соответствующей по составу сингазу или газообразным отходам сталелитейной промышленности. Наконец, в рамках задачи 6 будут исследованы процессы и механизмы получения микробного электричества, в результате которых энергия разнообразных органических субстратов природного происхождения будет запасаться в единой и удобной для использования форме. Основными объектами в этой работе станут выделенные ранее термофильные микроорганизмы, способные к восстановлению нерастворимых акцепторов электронов, в первую очередь оксида железа. Таким образом, несмотря на разнородность и множественность поставленных задач, все они подчинены единой цели: выявлению и характеристике микробных процессов приводящих к накоплению энергии в удобной для использования форме - газообразных или высокомолекулярных углеводородов, молекулярного водорода и электричества. Полученные результаты лягут в основу создания новых технологий в области "зеленой" энергетики - экономичных и экологически чистых.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Слободкина Г.Б, Баслеров Р.В., Кострюкова Н.К., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. Tepidibaculum saccharolyticum gen. nov., sp. nov. a moderately thermophilic, anaerobic, spore-forming bacterium isolated from a terrestrial hot spring Extremophiles, Том: 22 Выпуск: 5 Стр.: 761-768 (год публикации - 2018)
10.1007/s00792-018-1036-5

2. Фролова А.А., Слободкина Г.Б., Баслеров Р.В., Новиков А.А, Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. Thermosulfurimonas marina sp. nov. – автотрофная серодиспропорционирующая и нитратвосстанавливающая бактерия, выделенная из мелководной морской гидротермы Микробиология, т.87, №4, с.366-372 (год публикации - 2018)
10.1134/S0026365618040080

3. Бонч-Осмоловская Е.А., Ельченинов А.Г., Заюлина К.С., Кубланов И.В. New thermophilic prokaryotes with hydrolytic activities Microbiology Australia, Том: 39 Выпуск: 3 Стр.: 122-125 Специальный выпуск: SI (год публикации - 2018)
10.1071/MA18038

4. Тощаков С.В., Лебединский А.В., Соколова Т.Г., Заварзина Д.Г., Корженков А.А., Теплюк А.В., Чистякова Н.И., Русаков В.С., Бонч-Осмоловская Е.А., Кубланов И.В., Гаврилов С.Н. Genomic insights into energy metabolism of Carboxydocella thermautotrophica coupling hydrogenogenic CO oxidation with the reduction of Fe(III) minerals Frontiers in Microbiology, Том: 9 Номер статьи: 1759 (год публикации - 2018)
10.3389/fmicb.2018.01759

5. Тарновецкий И.Ю., Меркель А.Ю., Канапацкий Т.А., Иванова Е.А, Гулин М.Б., Тощаков С.В., Пименов Н.В. Decoupling between sulfate reduction and the anaerobic oxidation of methane in the shallow methane seep of the Black sea FEMS Microbiology Letters, Vol. 365, No. 21,fny235 (год публикации - 2018)
10.1093/femsle/fny235

6. Корженков А.А., Теплюк А.В., Лебединский А.В., Хващевская А.А, Копылова Ю.Г., Аракчаа К.Д., Голышин П.Н., Лунёв Е.А., Голышина О.В., Кубланов И.В., Тощаков С.В., Гаврилов С.Н. Представители некультивируемого таксона OP1 (‘Acetothermia’) доминируют в микробном сообществе щелочного горячего источника Восточно-Тувинского нагорья Микробиология, т.87, №6, с.658–673 (год публикации - 2018)
10.1134/S0026261718060115

7. Заварзина Д.Г., Гаврилов С.Н., Жилина Т.Н. Прямое восстановление Fe(III) из синтезированного ферригидрита галоалкалофильными литотрофными сульфидогенами Микробиология, т.87, №2, с.114–124 (год публикации - 2018)
10.1134/S0026261718020170

8. Пименов Н.В., Меркель А.Ю., Тарновецкий И.Ю., Малахова Т.В., Самылина О.С., Канапацкий Т.А., Тихонова Е.Н., Власова М.А. Структура микробных матов в прибрежных районах Мраморной бухты (Крымский полуостров) Микробиология, т.87, №5, с.561–572 (год публикации - 2018)
10.1134/S0026365618050142

9. Меркель А.Ю., Тарновецкий И.Ю., Тощаков С.В, Подосокорская О.А., Бонч-Осмоловская Е.А. Разработка и анализ новой системы праймеров на ген 16S рРНК для NGS-профилирования термофильных микробных сообществ Микробиология (год публикации - 2018)

10. Голышина О.В.,Баргела Р., Тощаков С.В., Черных Н.А., Рамая С., Корженков А.А., Кубланов И.В., Голышин П.Н. Diversity of "Ca. Micrarchaeota" in Two Distinct Types of Acidic Environments and Their Associations with Thermoplasmatales. Genes, Том: 10 Выпуск: 6 Номер статьи: 461 (год публикации - 2019)
10.3390/genes10060461

11. Гаврилов С.Н., Корженков А.А., Кубланов И.В., Баргела Р., Замана Л.В., Попова А.А., Тощаков С.В., Голышин П.Н., Голышина О.В. Microbial Communities of Polymetallic Deposits' Acidic Ecosystems of Continental Climatic Zone With High Temperature Contrasts Frontiers in Microbiology, том 10, номер 1573 (год публикации - 2019)
10.3389/fmicb.2019.01573

12. Ковалева О.Л., Ельченинов А.Г., Тощаков С.В., Новиков А.А., Бонч-Осмоловская Е.А., Кубланов И.В. Tautonia sociabilis gen. nov., sp. nov., a novel thermotolerant planctomycete, isolated from a 4000 m deep subterranean habitat Int J Syst Evol Microbiol., Том: 69 Выпуск: 8 Стр.: 2299-2304 (год публикации - 2019)
10.1099/ijsem.0.003467

13. Сорокин Д.Ю., Якимов М., Мессина Е., Меркель А.Ю., Бале Н.Ж., Синнинг-Дамст Дж.С., Natronolimnobius sulfurireducens sp. nov. and Halalkaliarchaeum desulfuricum gen. nov., sp. nov., the first sulfur-respiring alkaliphilic haloarchaea from hypersaline alkaline lakes INTERNATIONAL JOURNAL OF SYSTEMATIC AND EVOLUTIONARY MICROBIOLOGY, Том: 69 Выпуск: 9 Стр.: 2662-2673 (год публикации - 2019)
10.1099/ijsem.0.003506

14. Подосокорская О.А., Теплюк А.В., Заюлина К.С., Копицын Д.С., Доминова И.Н., Ельченинов А.Г., Тощаков С.В., Кубланов И.В. The metabolism of thermophilic hydrolytic bacterium Thauera hydrothermalis strain par-f-2 isolated from the West Siberian subsurface biosphere. Microbiology, Том: 88 Выпуск: 5 Стр.: 556-562 (год публикации - 2019)
10.1134/S0026261719050126

15. ТАРНОВЕЦКИЙ И.Ю., МЕРКЕЛЬ А.Ю., ПИМЕНОВ Н.В. АНАЛИЗ КУЛЬТИВИРУЕМЫХ ФОРМ МЕТАНОГЕННЫХ АРХЕЙ ПРИБРЕЖНЫХ МЕТАНОВЫХ СИПОВ ПОЛУОСТРОВА ТАРХАНКУТ. MICROBIOLOGY, Vol. 13, No. 6, pp. 665–672. (год публикации - 2019)
10.1134/S0026365619060181

16. Фролов Е.Н., Кубланов И.В., Тощаков С.В., Лунев Е.А., Пименов Н.В., Бонч-Осмоловская Е.А., Лебединский А.В., Черных Н.А. Form III RubisCO-mediated transaldolase variant of the Calvin cycle in a chemolithoatotrophic bacterium Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Том: 116 Выпуск: 37 Стр.: 18638-18646 (год публикации - 2019)
10.1073/pnas.1904225116

17. Заварзина Д., Гаврилов С., Чистякова Н., Антонова А., Грачева М., Меркель А., Перевалова А., Чернов М., Жилина Т., Бычков А., Бонч-Осмоловская Е.А. SYNTROPHIC GROWTH OF ALKALIPHILIC ANAEROBES CONTROLLED BY FERRIC AND FERROUS MINERALS TRANSFORMATION COUPLED TO ACETOGENESIS. The ISME Journal (год публикации - 2019)
10.1038/s41396-019-0527-4

18. Кочеткова Т.В., Тощаков С.В., Заюлина К.С., Ельченинов А.Г., Заварзина Д.Г., Лаврушин В.Ю., Бонч-Осмоловская Е.А., Кубланов И.В. Hot in Cold: Microbial Life in the Hottest Springs in Permafrost. Microorganisms, 8 (9), 1308 (год публикации - 2020)
10.3390/microorganisms8091308

19. Гаврилов С.Н., Заварзина Д.Г., Елизаров И.М., Тихонова Т.В., Дергоусова Н.И., Попов В.О., Ллойд Дж. Р.,Кнайт Д., Эль-Наггар М.Ю., Льюнг К.М., Робб Ф.Т., Захарцев М.В., Бретшгер О., Бонч-Осмоловская Е.А. Novel extracellular electron transfer channels in a Gram-positive thermophilic Bacterium. Frontiers in Microbiology (год публикации - 2021)
10.3389/fmicb.2020.597818

20. Кочеткова Т.В., Марданов А.В., Соколова Т.Г., Бонч-Осмоловская Е.А., Кубланов И.В., Кевбрин В.В., Белецкий А.В., Равин Н.В., Лебединский А.В. The first crenarchaeon capable of growth by anaerobic carbon monoxide oxidation coupled with H2 production. Systematic and Applied Microbiology, Volume 43, Issue 2: 126064. (год публикации - 2020)
10.1016/j.syapm.2020.126064

21. Антонова А.В., Чистякова Н.И, Грачева М.А., Русаков В., Кокшаров Ю., Жилина Т.Н., Заварзина Д.Г. Mössbauer and EPR study of ferrihydrite and siderite biotransformations by syntrophic culture of alkaliphilic bacteria. Journal of Molecular Structure, Volume 1206, 127606 (год публикации - 2020)
10.1016/j.molstruc.2019.127606

22. Заварзина Д.Г., Кочеткова Т.В., Чистякова Н.И., Грачева М.А., Антонова А.В., Меркель А.Ю., Перевалова А.А., Чернов М.С., Кокшаров Ю.А., Бонч-Осмоловская Е.А., Гаврилов С.Н., Бычков А.Ю. Siderite-based anaerobic iron cycle driven by autotrophic thermophilic microbial consortium. Scientific Reports, 10:21661 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-78605-7

23. Хомякова М.А., Меркель А.Ю., Петрова Д.А., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. Alkalibaculum sporogenes sp. nov., isolated from a terrestrial mud volcano and emended description of the genus Alkalibaculum. Int J Syst Evol Microbiol, 70(9):4914-4919 (год публикации - 2020)
10.1099/ijsem.0.004361

24. Хомякова М.А., Меркель А.Ю., Копицин Д.С., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. Calorimonas adulescens gen. nov., sp. nov., an anaerobic thermophilic bacterium utilizing methoxylated benzoates. Int J Syst Evol Microbiol, 70(3):2066-2071 (год публикации - 2020)
10.1099/ijsem.0.004019

25. Ратникова Н.М., Слободкин А.И., Меркель А.Ю., Копицын Д.С., Кевбрин В.В., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкина Г.Б. Sulfurimonas crateris sp. nov., a facultative anaerobic sulfur-oxidizing chemolithoautotrophic bacterium isolated from a terrestrial mud volcano. Int J Syst Evol Microbiol, Volume 70, Issue 1, 487–492 (год публикации - 2020)
10.1099/ijsem.0.003779

26. Слободкина Г.Б., Меркель А.Ю., Новиков А.А., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. Pelomicrobium methylotrophicum gen. nov., sp. nov. a moderately thermophilic, facultatively anaerobic, lithoautotrophic and methylotrophic bacterium isolated from a terrestrial mud volcano. Extremophiles, 24:177–185 (2020) (год публикации - 2020)
10.1007/s00792-019-01145-0

27. Черных Н.А., Ньюкирхен С., Фролов Е.Н., Соуса Ф.Л., Мирошниченко М.Л., Меркель А.Ю., Пименов Н.В., Сорокин Д.Ю., Сиордия С., Мена М.С., Феррер М., Голышин П.Н., Лебединский А.В., Перейра И.А.С., Dissimilatory sulfate reduction in the archaeon 'Candidatus Vulcanisaeta moutnovskia' sheds light on the evolution of sulfur metabolism. Nature Microbiology, 5, 1428–1438 (год публикации - 2020)
10.1038/s41564-020-0776-z

28. Каллистова А.Ю., Меркель А.Ю., Канапацкий Т.А., Болтянская Ю.В., Тарновецкий И., Перевалова А.А., Кевбрин В.В., Самылина О.С., Пименов Н.В. Methanogenesis in the Lake Elton saline aquatic system. Extremophiles, 24(4):657-672 (год публикации - 2020)
10.1007/s00792-020-01185-x

29. Грачева М.А., Чистякова Н.И., Антонова А.В., Русаков В.С., Жилина Т.Н., Заварзина Д.Г. Mössbauer study of iron minerals transformations by Fuchsiella ferrireducens Hyperfine Interactions, Номер 238, стр. 1–8. (год публикации - 2017)
10.1007/s10751-017-1460-4

30. Гордадзе Г.Н., Пошибаева А.Р., Гируц М.В., Перевалова А.А., Кошелев В.Н. Образование нефтяных углеводородов-биомаркеров из биомассы архей Thermoplasma sp. Нефтехимия (год публикации - 2018)

31. Ельченинов А.Г., Мензель П., Гудбергдоттир С.Р., Слесарев А., Кадников В.В., Крог А., Бонч-Осмоловская Е.А., Кубланов И.В. Sugar metabolism of the first thermophilic planctomycete Thermogutta terrifontis: comparative genomic and transcriptomic approaches Frontiers in Microbiology, Том 8, номер статьи 2140 (год публикации - 2017)
10.3389/fmicb.2017.02140

Публикации