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 21-64-00019

НазваниеМетагеномный анализ и инженерия микробных консорциумов для промышленной микробиологии

РуководительМарданов Андрей Владимирович, Доктор биологических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№56 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (генетические исследования).

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

Ключевые словагеном, метагеном, микробные сообщества, очистка сточных вод, нефтеизвлечение, биовыщелачивание, ацидофильные микроорганизмы, биореакторы, биоремедиация, метатранскриптом

Код ГРНТИ34.27.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В природе микроорганизмы, как правило, развиваются в составе сообществ (консолрциумов), состав которых определяется в первую очередь условиями окружающей среды. Микроорганизмы взаимодействуют с другими членами сообщества посредством трофических цепей и/или путем передачи сигналов. За счет взаимного дополнения функций различных микроорганизмов микробные консорциумы могут выполнять различные биотехнологические задачи, которые невозможно решить с помощью монокультур. Эффективность работы таких микробных сообществ напрямую зависит от оказываемых на них внешних воздействий, что открывает возможности их направленной модификации (инженерии). Такие воздействия как модификация условий среды и/или состава сообщества за счет введения новых штаммов позволяют обогатить сообщество необходимыми для решения биотехнологических задач целевыми группами микроорганизмов и реализовать его функциональные возможности. Актуальность этого подхода обусловлена тем, что, как правило, более 99% микроорганизмов, присутствующих в экосистемах, не могут быть культивируемы в лабораторных условиях и, соответственно, остаются неизвестными и не используются в традиционных биотехнологических процессах. Молекулярно-генетические подходы (метагеномика, метатранскриптомика и др.) позволяют получить наиболее полную информацию не только о составе микробного сообщества, но и построить схемы метаболических взаимосвязей между разными группами микроорганизмов в сообществе, включая некультивируемые микроорганизмы, что создает основу для направленной инженерии этих консорциумов. Инженерия микробных сообществ, позволяющая мобилизовать их генетический потенциал для решения практических задач, является новым направлением в промышленной биотехнологии. Основная цель проекта – разработка и совершенствование новых подходов регуляции деятельности микроорганизмов в микробных сообществах, осуществляющих важные биотехнологические процессы в результате направленного воздействия на эти сообщества. В рамках проекта будут проводиться работы по анализу и инженерии микробных консорциумов по трем основным направлениям: (1) повышение эффективности очистки сточных вод от азота и фосфора, (2) разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов, (3) повышение эффективности нефтедобычи. Для решения поставленных задач наряду с классическими методами микробиологии будут использоваться современные генетические технологии. В рамках проекта планируется решить следующие задачи: I. Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора 1) Охарактеризовать состав и функциональный потенциал микробных консорциумов активных илов, удаляющих азот и фосфор из коммунальных сточных вод, методами метагеномики (объекты – микробные сообщества, удалющие аммоний с помощью процесса анаммокс и сообщества фосфат-аккумулирующих микроорганизмов). 2) Определить экофизиологические функции микроорганизмов – членов консорциумов. 3) Осуществить направленное управление микробными консорциумами (инженерия) для их обогащения целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их активности, путем изменения условий роста и/или внесения специфических субстратов и/или специализированных групп микроорганизмов. 4) Разработать технологические рекомендации и правила использования обогащенных анаммокс-бактериями и фосфат-аккумулирующими микроорганизмами консорциумов в биологической очистке коммунальных сточных вод от азота и фосфора. II. Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов 1) Выделить из техногенных экосистем микробные консорциумы, сформировавшиеся в процессах биовыщелачивания концентратов цветных и благородных металлов. 2) С помощью метагеномного анализа определить состав микробных консорциумов, расшифровать геномы основных микроорганизмов – членов консорциума, на основе геномных данных определить возможности их метаболизма, вероятные функциональные взаимосвязи между ними, выявить группы микроорганизмов, осуществляющие целевые процессы. С помощью транскриптомного подхода определить механизмы воздействия микроорганизмов, присутствующих в исследуемых консорциумах, на минералы с различной кристаллической структурой. 3) Разработать методы управления микробными консорциумами, осуществляющими биовыщелачивание металлов, посредством изменения условий проведения процесса, внесения специфических субстратов и штаммов. Разработать и исследовать способы повышения эффективности биогидрометаллургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов, осуществляющих биоокисление сульфидных минералов. III. Разработка биотехнологий для нефтедобывающей промышленности. 1) Исследовать функциональное и филогенетическое разнообразие микроорганизмов нефтяных пластов с разными физико-химическими условиями с использованием метагеномных подходов. 2) Получить микробные консорциумы, образующие биотехнологически ценные метаболиты, предсказанные на основе метагеномного анализа подземных микробных сообществ. Выделить штаммы бактерий, перспективные для создания биопрепаратов для очистки от нефтяных загрязнений. Выделить штаммы-продуценты нефтевытесняющих метаболитов (полисахаридов, биоПАВ, спиртов, органических кислот), и провести анализ их геномов для выявления генетических детерминант, ответственных за синтез целевых продуктов. 3) Провести лабораторные эксперименты по вытеснению нефти из моделей нефтяного пласта микробными консорциумами, образующими нефтевытесняющие метаболиты. 4) Провести пилотные испытания микробной биотехнологии, основанной на регуляции жизнедеятельности пластовых и/или интродуцированных микроорганизмов, на нефтяных месторождениях, и с использованием метагеномных подходов выяснить влияние биотехнологического воздействия на состав микробного сообщества и его метаболический потенциал в нефтяном пласте. Применение методов генетической инженерии в промышленной микробиологии уже привело к созданию высокоэффективных микробных штаммов-продуцентов. Мобилизация многократно большего генетического потенциала микробных консорциумов для решения задач промышленной биотехнологии является новым этапом развития этой отрасли.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны методы направленной инженерии микробных консорциумов, позволяющие мобилизовать их генетический потенциал для решения актуальных задач промышленной биотехнологии. Будут получены новые знания о составе и функционировании микробных консорциумов и разработаны новые биотехнологические процессы в трех областях: 1. Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. В разрабатываемых биотехнологиях удаление аммония будет осуществляться на основе анаммокс процесса (окисление аммония нитритом с образованием газообразного азота), а удаление фосфора – с помощью фосфат-аккумулирующих микроорганизмов (ФАО), способных к накоплению в биомассе фосфора виде полифосфатов. В результате выполнения проекта методами метагеномики будут охарактеризованы микробные консорциумы активных илов, удаляющих азот и фосфор из сточных вод (анаммокс – и ФАО-сообщества). На основании полученных данных будут определены эко-физиологически функции членов микробных консорциумов. Будут разработаны и апробированы на лабораторном реакторе пути направленной модификации (инженерии) микробных консорциумов для их обогащения целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их активности по удалению азота и фосфора, путем изменения условий роста и/или внесения специфических субстратов. На основании полученных данных будут разработаны технологические рекомендации и правила использования новых анаммокс- и ФАО-консорциумов в биологической очистке сточных вод от азота и фосфора. Практическое внедрение результатов проекта планируется на очистных сооружениях АО ”Мосводоканал”. 2. Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов. Из техногенных экосистем будут выделены микробные консорциумы, сформировавшиеся в процессах биовыщелачивания концентратов цветных и благородных металлов. Будет определен состав микробных консорциумов, осуществляющих процессы биоокисления сульфидных концентратов в разных условиях, определены корреляции между условиями проведения процесса (температура, дополнительный источник углерода) и составом консорциумов. С помощью метагеномного анализа будут определены геномы основных микроорганизмов – членов консорциума, на основе геномных данных предсказаны возможности их метаболизма, функциональные взаимосвязи между ними, выявлены группы микроорганизмов, осуществляющие целевые процессы. На основе полученных данных будут разработаны методы управления микробными консорциумами для направленного обогащения их целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их роста, путем изменения условий проведения процесса, внесения специфических субстратов или специфических штаммов, осуществляющих биоокисление. Это позволит разработать и апробировать способы повышения эффективности биогидрометаллургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов, осуществляющих биоокисление сульфидных минералов. Результаты проекта могут быть использованы партнерами ФИЦ Биотехнологии РАН – группой компаний ”Полюс“, АО НПО ”РИВС“ и другими предприятиями отрасли, разрабатывающими и/или использующими биотехнологические процессы для извлечения металлов. 3. Разработка биотехнологий для нефтедобывающей промышленности. Будет исследовано функциональное и филогенетическое разнообразие микроорганизмов нефтяных пластов с разными физико-химическими условиями с использованием молекулярно-генетических подходов. Будут выделены микробные консорциумы и штаммы-продуценты нефтевытесняющих метаболитов, а также штаммы, перспективные для создания биопрепаратов для очистки нефтяных загрязнений. В результате метагеномного анализа микробных сообществ из пластовых вод нефтяных месторождений будут выявлены группы микроорганизмов, осуществляющие в нефтяном пласте целевые процессы (восстановление сульфатов, образование метана, деградация нефтяных углеводородов), определен катаболический потенциал доминирующих компонентов сообществ и их функциональные взаимосвязи. На основе результатов исследования микробного разнообразия и метаболического потенциала микробных сообществ нефтяных пластов и лабораторного моделирования вытеснения нефти из моделей нефтяного пласта микробными консорциумами будет рекомендован метод воздействия, наиболее приемлемый для конкретного нефтяного пласта. Совместно со специалистами ООО “НТЦ Татнефть” на нефтяных пластах Татарстана будут проведены пилотные испытания микробной биотехнологии, основанной на регуляции жизнедеятельности пластовых и/или интродуцированных микроорганизмов, и установлено влияние биотехнологического воздействия на состав микробного сообщества, его метаболический потенциал и объемы извлекаемой нефти. Таким образом, полученные в рамках проекта результаты будут иметь как научную, так и практическую значимость для промышленной микробиологии. Так как на данный момент методы управления микробными консорциумами в этих областях биотехнологии не разработаны, то результаты работы будут обладать научной новизной и опережать существующий уровень развития технологий. Разработанные подходы могут быть востребованы как для повышения эффективности существующих производств, так и для создания новых предприятий.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках проекта ведется работа по трем направлением. В первый год по направлению «Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора». Выполнены задачи проекта: 1) охарактеризован состав и функциональный потенциал микробных консорциумов активных илов, удаляющих азот и фосфор из коммунальных сточных вод, методами метагеномики (объекты – микробные сообщества, удаляющие аммоний с помощью процесса анаммокс и сообщества фосфат-аккумулирующих микроорганизмов) и 2) определены экофизиологические функции микроорганизмов – членов консорциумов. Получены следующие основные результаты 1. Собраны кольцевые геномы анаммокс-бактерий видов Ca. “Jettenia asiatica” и Ca. “Brocadia fulgida”. Сравнительный геномный анализ позволил предположить у анаммокс-бактерии родов Ca. “Brocadia” и Ca. “Jettenia” разные стратегии выживания. Подвижность и хемотаксис позволяют представителям рода Ca. “Brocadia” эффективно ориентироваться в новых условиях окружающей среды и быстро занимать наиболее благоприятную нишу. Неподвижность Ca. “Jettenia” spp. заставляет ее лучше адаптироваться к изменениям окружающей среды, и на месте, при столкновении с неблагоприятным воздействием, более или менее успешно вырабатывать подходящий для ситуации защитный механизм. 2. В исследуемом микробном сообществе спутниками анаммокс-бактерий были представители филумов Chloroflexi, Bacteroidota, Ca. Armatimonadota, Patescibacteria. Роль органотрофных представителей филумов Chloroflexi, Bacteroidota и Patescibacteria в анаммокс-сообществе вероятнее всего заключается в разложении отмершей клеточной биомассы активного ила и образованных анаммокс-бактериями ЭПС. Кроме того, у представителей филумов Chloroflexi, Ignavibacteria и Ca. “Armatimonadota” выявлены различные ферменты азотного метаболизма. Они могут осуществлять процесс денитрификации, с одной стороны конкурируя с анаммокс-бактериями за нитрит, с другой - удаляя нитрат с образованием оксида азота в качестве промежуточного продукта, который дальше может использоваться анаммокс-бактериями. Данные бактерии могут служить источником вторичных метаболитов, стимулирующих активность анаммокс-бактерий. 3. Усовершенствована конструкция анаммокс-реакторов для выращивания биомассы активного ила анаммокс: 1) прикрепления активного ила анаммокс к подвижной плавающей загрузке 2) оптимизации гидродинамики 3) обеспечение в составе реактора нескольких параллельных линий для корректного сравнения исследуемых параметров; 4) использование прозрачного материала для обеспечения визуального контроля над перемешиванием содержимого реактора. В реакторах новой конструкции накоплена биомасса активного ила анаммокс для работы на следующем этапе. 4. Выполнен скрининг микробных сообществ активных илов аэротенков 9 автономных очистных сооружений г. Москвы (Курьяновские и Люберецкие очистные сооружения, АО Мосводоканал). Выявлены доминирующие в илах представители филумов бактерий Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteriota, Chloroflexi, Myxococcota, Firmicutes, Patescibacteria, Verrucomicrobiota, Bdellovibrionota, Nitrospirota и Planctomycetota) и архей. (Nanoarchaeota, Halobacterota, Euryarchaeota и Thermoplasmatota). Сравнение состава активных илов московских сооружений с очистными сооружениями, расположенными по всему миру, показал, что все московские образцы сгруппированы вместе. Это указывает на большее влияние культурных, социальных и экологических факторов на состав сообщества, чем технологии эксплуатации очистных сооружений. 5. Подобраны условия культивирования ДФАО - фосфат-аккумулирующих организмов, способных к использованию, как кислорода, так и альтернативных акцепторов электронов (нитратов, нитритов). В ходе культивирование наблюдалось формирование 2-х морфологически различных типов флоккул в реакторе происходило через 2 нед с момента запуска реактора. Точечный анализ элементного состава включений в клетках флоккул I типа показал наличие в них высокого содержания фосфора. Во флоккулах I типа доминировали ФАО Ca. “Accumulibacter phosphatis”, доля которых составляла 40%. Во флоккулах II типа доминировали ГАО Ca. “Competibacter”, доля которых составляла 32%. В рамках направления по «Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов» было проведено исследование биоокисления сульфидного концентрата в разных условиях. Концентрат содержал 56% пирита и 12% арсенопирита, 43 г/т золота. Концентрат относился к упорным, так как степень извлечения золота цианированием из концентрата составляла 31%. Биоокисление проводили в лабораторных реакторах в непрерывном режиме при 40, 45 и 50°С. Время пребывания составляло 6 суток, плотность пульпы 1 : 10 (Т : Ж). Исследовали влияние источников углерода на процесс биоокисления, добавляя в пульпу 0.02% мелассы или осуществляя подачу CO2. Контрольный эксперимент проводили без использования дополнительных источников углерода. Микробные популяции анализировали с помощью метабаркодинга фрагментов V3-V4 генов 16S рРНК. При 40°C дополнительные источники углерода незначительно повлияли на процесс биоокисления и не позволили увеличить извлечение золота. Степень окисления пирита при 40°C составила 89–91%, а арсенопирита во всех экспериментах более 99%. Степень извлечения золота в контрольном эксперименте составила 80%, при использовании CO2 – 72%, при использовании мелассы – 58%. При более высоких температурах применение CO2 влияло на биоокисление. Так, при 45°C использование CO2 позволило повысить степень окисления пирита. Степень окисления пирита при 45°C составила в контрольном эксперименте 61%, при использовании CO2 – 89%, при использовании мелассы – 62%. Степень окисления арсенопирита во всех вариантах эксперимента была выше и составила: в контрольном эксперименте 93%, при использовании CO2 – 98%, при использовании мелассы – 93%. Степень извлечения золота в контрольном эксперименте при 45°C составила 92%, при использовании CO2 – 91%, при использовании мелассы – 92%. При 50°C использование диоксида углерода влияло на процесс биоокисления в наибольшей степени. Степень окисления пирита при 50°C составила в контрольном эксперименте 35%, при использовании CO2 – 53%, при использовании мелассы – 36%. Степень окисления арсенопирита во всех вариантах эксперимента была выше и составила: в контрольном эксперименте 89%, при использовании CO2 – 95%, при использовании мелассы – 82%. Степень извлечения золота в контрольном эксперименте при 50°C составила 89%, при использовании CO2 – 92%, при использовании мелассы – 87%. При 40°C источники углерода практически не влияли на состав микробных популяций, а преобладали рр. Leptospirillum (34–40%), Acidithiobacillus (19–27%) и Ferroplasma (34–39%). При 45°С в популяциях всех реакторов была высока доля рр. Acidithiobacillus (26–33%), Ferroplasma (13–25%) и Acidiplasma (16–59%), а в контрольном реакторе относительно высока была также доля бактерий р. Sulfobacillus (5%). При использовании CO2 также высокой была доля архей р. Cuniculiplasma (11%) и некультивируемой группы A-plasma (11%). При 50°C во всех реакторах преобладали представители Acidithiobacillus (5–11%), Sulfobacillus (8–20%) и Acidiplasma (53–60%), а также неизвестные представители р. Acinetobacter (9–16%) При температурах 45 и 50°C в реакторе, куда подавали CO2, общая численность клеток микроорганизмов была в 2-3 раза выше, чем в других реакторах. Таким образом, полученные результаты показывают, что использование CO2 в качестве дополнительного источника углерода может рассматриваться как способ предотвращения ингибирования биоокисления сульфидных концентратов при повышении температуры, а его эффект на биоокисление может объясняться влиянием на состав микробных популяций реакторов. В рамках направления «Разработки биотехнологий для нефтедобывающей промышленности» были исследованы физико-химические характеристики пластовых вод из ряда нефтяных месторождений с песчаными и карбонатными коллекторами и высокой минерализацией пластовых вод. В результате молекулярно-экологических исследований проб пластовой воды и их биоинформатического анализа была получена информация о разнообразии бактерий и архей в нефтеносных горизонтах с разными физико-химическими условиями, температурой пласта и соленостью пластовой воды. Получены новые сведения о представленности и доминировании микроорганизмов основных метаболических групп – сульфатредуцирующих, бродильных, синтрофных и метаногенных, в нагнетаемой и пластовой воде и зависимости состава микробного сообщества от геохимических параметров местообитания. Применение микробных технологий увеличения нефтеизвлечения в пластах с высоким содержанием сульфатов может приводить к увеличению сульфидогенеза и должно сопровождаться мероприятиями по подавлению процесса сульфатредукции путем нагнетания биоцидов или нитрата. Сульфатредуцирующие и тиосульфатредуцирующие представители разных таксономических групп различаются уровнем устойчивости к биоцидам. Показано, что сульфидогенные сообщества нефтяного пласта существуют в виде биопленок, более устойчивых к воздействию биоцидов и нитратов, чем планктонные формы. Сульфатредуцирующие прокариоты обитают также в пластах, не содержащих сульфатов, и вызывают коррозию стали за счет синтрофного роста с метаногенами, в том числе с использованием электрон-проводящих нанотрубок. Бродильные бактерии филума Spirochaetes являются обычными компонентами микробных сообществ низкотемпературных нефтяных пластов. В 2020 году участниками коллектива исполнителей Проекта были выделены галотолерантные сферохеты из нефтяных пластов Татарстана и отнесены к новому виду Sphaerochaeta halotolerans (Bidzhieva et al., 2020). В рамках настоящего Проекта было выполнение обобщение результатов таксономических исследований сферохет. Полученные в ходе работ первого года результаты по составу и метаболическому потенциалу исследуемых микробных сообществ являются основой для последующих работ в области генетической инженерии этих консорциумов.

 

Публикации

1. Каллистова А.Ю., Николаев Ю.А., Грачев В.А., Белецкий А.В., Груздев Е.В., Кадников В.В., Дорофеев А.Г., Берестовская Ю.Ю., Пелевина А.В., Зеккер И, Равин Н.В., Пименов Н.В., Марданов А.В. New Insight into the Interspecies Shift of Anammox Bacteria Ca. “Brocadia” and Ca. “Jettenia” in Reactors Fed with Formate and Folate Frontiers in Microbiology, - (год публикации - 2022)

2. Н. В. Пименов, Ю. А. Николаев, А. Г. Дорофеев, В. А. Грачёв, А.Ю. Каллистова, В. В. Миронов, А.В. Вантеева, Н.В.Григорьева, Ю.Ю. Берестовская, Груздев Е.В., Бегматов Ш.А., Н. В. Равин, А. В. Марданов ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ БИОАУМЕНТАЦИЯ АКТИВНОГО ИЛА АНАММОКС НИТРИФИЦИРУЮЩИМ СООБЩЕСТВОМ БАКТЕРИЙ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УДАЛЕНИЯ АЗОТА Микробиология, - (год публикации - 2022)

3. Назина Т.Н., Биджиева С.К., Груздев Д.С., Лёфлер Ф.Е., Sphaerochaeta Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria., 1-14 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/9781118960608.gbm02038

4. Назина Т.Н., Груздев Д.С., Биджиева С.К., Кониг Г. Parasphaerochaeta Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria, 1-8 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/9781118960608

5. Соколова Д.С., Семенова Е.М., Груздев Д.С., Биджиева С.К., Бабич Т.Л., Лойко Н.Г., Ершов А.П., Кадников В.В., Белецкий А.В., Марданов А.В., Жапаров Н.С., Назина Т.Н. Sulfidogenic Microbial Communities of the Uzen High-Temperature Oil Field in Kazakhstan Microorganisms, 9(9), 1818 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/microorganisms9091818

6. Бегматов Ш.А., Дорофеев А.Г., Кадников В.В., Белецкий А.В., Пименов Н.В., Равин Н.В., Марданов А.В. Микробные сообщества активных илов сооружений по очистке сточных вод города Москвы Сборник тезисов VII Пущинская школа-конференция «Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов», 1, стр 220-221 (год публикации - 2021)

7. Груздев Е.В., Белецкий А.В., Пелевина А.В., Дорофеев А. Г., Грачев В. А., Пименов Н. В., Равин Н. В., Марданов А.В. Новые фосфат-аккумулирующие микроорганизмы, выявленные в результате метагеномного анализа микробного сообщества лабораторного биореактора, осуществляющего удаление фосфора 3-й Российский микробиологический конгресс, стр.166 (год публикации - 2021)

8. Ершов А.П., Соколова Д.Ш., Бабич Т.Л., Семенова Е.М., Биджиева С.Х., Груздев Д.С., Жапаров Н.С., Назина Т.Н. Sulfidogenic microbial communities of the Uzen oil field and their resistance to biocides Abstract Book. 8th International Symposium on Applied Microbiology and Molecular Biology in Oil Systems, стр 34-35 (год публикации - 2021)

9. Пелевина А.В., Берестовская Ю.Ю., Грачев В.А., Дорофеева И.К., Сорокин В.В., Дорофеев А.Г., Каллистова А.Ю., Николаев Ю.А., Груздев Е.В., Белецкий А.В., Равин Н.В., Пименов Н.В., Марданов А.В. Фосфат-аккумулирующее микробное сообщество лабораторного реактора типа SBR 3-й Российский микробиологический конгресс, стр. 96 (год публикации - 2021)

10. Соколова Д.Ш., Семёнова Е.М., Бабич Т.Л., Груздев Д.С., Биджиева С.Х., Ершов А.П., Жапаров Н.С., Назина Т.Н. Функциональное и филогенетическое разнообразие микроорганизмов в нефтяном месторождении Узень (Казахстан) как основа для создания биотехнологии увеличения нефтеизвлечения 3-й Российский микробиологический конгресс, стр. 100 (год публикации - 2021)

11. Борзенков И.А., Соколова Д.Ш., Канапацкий Т.А.,Биджиева С.Х., Назина Т.Н. Штамм бактерий Virgibacillus halodenitrificans CHEL 4-5 ВКМ В-3472В для денитрификации с образованием нитрита ФИПС, - (год публикации - 2021)


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Во второй год выполнения проекта в рамках направления «Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора» было исследовано влияние изменения режима аэрации на анаммокс процесс и состав микробного консорциума. С использованием лабораторной установки определена концентрация растворенного О2, при которой эффективность удаления азота снижалась более чем на 50%. После восстановления в реакторе оптимального уровня кислорода наблюдалось быстрое (в течение 4 сут) восстановление эффективности удаления азота до исходного уровня, что свидетельствует об обратимости ингибирования. После 24 ч инкубации при ингибирующих концентрациях О2, во внешней биопленке на загрузке снижется доля анаммокс-бактерий (с 6.4 до 3.2%). Такой результат может быть связан как с гибелью и вымыванием мертвых клеток с загрузки, так и с миграцией клеток во внутренние слои биопленки, где концентрация кислорода ниже. Также снизились доли представителей семейств Leptospiraceae, Terrimicrobiaceae, Micavibrionaceae, Rhizobiaceae и др. что указывает на чувствительность этих бактерий к кислороду. Напротив, увеличилась в 2 и более раз доля бактерий семейств Rhodocyclaceae, Opitutaceae, Competibacteraceae, Phycisphaeraceae, Xanthobacteraceae и некультивируемых планктомицетов, что указывает на аэробный и/или факультативно анаэробный метаболизм представителей данных семейств. Выявлена стратификация прикрепленного на загрузке активного ила. Основная масса анаммокс-бактерий располагалась в толще носителя, куда затруднена диффузия О2. Снаружи носителя нарастал толстый слой биомассы, состоящей преимущественно из аэробных и факультативно анаэробных бактерий. Проведено секвенирование метатранскриптома анаммокс-сообщества в условиях нормальной и повышенной аэрации. В условиях длительного культивирования в биореакторе последовательно-периодического действия получено стабильно функционирующее микробное сообщество, обогащенное фосфат-аккумулирующими организмами (ФАО). Сообщество обладало высоким отношением количества выброшенного фосфора к потребленному ацетату в анаэробную фазу цикла, высокой зольностью биомассы, высоким содержанием в ней фосфора и удаляло фосфор из среды с эффективностью 86.4%. Клетки ФАО содержали одно включение, занимающее почти весь внутриклеточный объем. Установлено, что фосфор в клетках ФАО находится в виде полифосфата. Установлено, что ФАО, доминирующие в реакторе, принадлежали к типам IIB, IC и IIC Ca. Accumulibacter. Известно, что ФАО, относящиеся к типу I, способны сочетать восстановление нитратов с поглощением фосфора. В результате метагеномного анализа были реконструированы пути метаболизма микроорганизмов, доминирующих в сообществе. Собранные геномы Ca. Accumulibacter содержали гены транспорта и усвоения ацетата. В геноме Ca. Accumulibacter IC обнаружен ген acdAB (acetate-CoA ligase), продукт которого участвует в обратном превращении ацетил-КоА в ацетат. Все геномы Ca. Accumulibacter содержат полный набор генов пути синтеза и расщепления гликогена, транспорта фосфатов и синтеза полифосфатов. В рамках направления Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов» было проведено биовыщелачивание медно-цинкового концентрата в разных условиях. Концентрат содержал 16% меди, 5.3% цинка, 1.7% мышьяка, 28% железа, 33.2% сульфидной серы. Основными минералами концентрата были халькопирит, теннантит, сфалерит, пирит и кварц. Исследовали влияние источников углерода на процесс биовыщелачивания меди и цинка, добавляя в пульпу мелассу или CO2 при разных температурах биоокисления (45 и 55°С) При 45°C в непрерывном режиме различие в выщелачивании меди и цинка было малозначительным. Извлечение меди в контроле, при использовании CO2 и мелассы в непрерывном режиме составило 27.3, 28.1 и 25.1 %, а цинка - 53.2, 64 и 54.9%. При 45°C во всех вариантах эксперимента активность процесса биовыщелачивания была высокой. Микробные популяции в реакторах также различались в незначительной степени. В непрерывном режиме при 45°C во всех реакторах была высока доля архей рода Cuniculiplasma и Ferroplasma. Среди бактерий доминировали Sulfobacillus во всех экспериментах. А доли бактерий рода Acidithiobacillus в реакторах значительно различалась от 0.5% (контроль) до 9.9% (меласса). При 55°C влияние дополнительных источников углерода на процесс биовыщелачивания отличалось от эффекта, который наблюдался при 45°C. При этом степень извлечение металлов во всех вариантах было выше, чем при 45°C, что может говорить о влиянии температуры на процесс окисления минералов. При 55°C различие в выщелачивании меди и цинка было более значительным. Извлечение меди в контроле, при использовании CO2 и мелассы в непрерывном режиме составило 43.1, 36.0 и 52.2 %, а цинка составило 58.3, 91.4 и 57.6%, соответственно. При 55°C во всех вариантах эксперимента активность процесса биовыщелачивания была ниже: поддержание pH во всех реакторах требовало внесения серной кислоты, Eh жидкой фазы пульпы во всех вариантах был выше 730 мВ при использовании CO2 и в остальных 600-630 мВ. Общие концентрации ионов железа были примерно в 2 раза ниже, чем при 45°C. Таким образом, активность биоокисления пирита при 55°C была ниже, тогда как выщелачивание меди и цинка происходило активно несмотря снижение активности микробных популяций, что возможно за счет повышения температуры. Микробные популяции в реакторах также различались в незначительной степени. В непрерывном режиме при 55°C во всех реакторах была высока доля архей рода Ferroplasma. Среди бактерий доминировали рода Sulfobacillus и Leptospirillum . Доля архей рода Cuniculiplasma в реакторах значительно различалась от 0,96% (CO2) до 7.7% (контроль). В результате метагеномного анализа ацидофильного микробного консорциума осуществляющего биоокисление при 45С были собраны геномы основных микроорганизмов и реконструированы пути их метаболизма. В рамках направления «Разработка биотехнологий для нефтедобывающей промышленности» были выполнены исследования микробных сообществ с использованием метагеномных подходов. Показано, что в пластовой воде из добывающей скважины 15500, доминирует бактерия рода Desulfovibrionales. В пробе нагнетаемой воды 1, представленной пластовой водой, отделенной от нефти, состав сообщества был близок к составу прокариот в воде из добывающей скважины. В исследуемом образце доминировали бактерии рода Halanaerobium, способные вызывать коррозию нефтепромыслового оборудования. В целом, было собрано 72 генома бактерий и архей, имеющих полноту сборки более 80% и загрязнение менее 10%. Выявлены прокариоты, осуществляющие в нефтяном пласте ключевые микробные процессы и реконструирован их метаболизм. Из нефтяных пластов получены консорциумы анаэробных бактерий, включающие бродильные и сульфатвосстанавливающие бактерии, и определен их состав. Биоинформатический анализ показал потенциальную способность бактерий, входящих в консорциумы, осуществлять брожение ряда сахаров и белковых субстратов и участвовать в метаболизме серных соединений. Консорциумы, продуцирующие наибольшие количества спиртов и летучих кислот, были использованы для подбора субстратов роста, позволяющих получить максимальное количество нефтевытесняющих метаболитов и для выделения чистых культур. Из анаэробных консорциумов выделено и идентифицировано 20 чистых культур анаэробных бродильных и сероредуцирующих бактерий, а также бактерий родов Mesobacillus, Cytobacillus и Bacillus, растущих аэробно на н-алканах нефти. Выделенные штаммы бродильных бактерий восстанавливали сульфит и/или тиосульфат с образованием сульфида и являются потенциальными агентами коррозии нефтепромыслового оборудования, а также могут снижать качество нефти и газа. Показана принадлежность трех штаммов к новому виду рода Sphaerochaeta. Выделены два штамма 5S69 и 9FUS сульфатвосстанавливающих бактерий, секвенированы и депонированы в GenBank их геномы. Сравнительный филогеномный анализ показал принадлежность штаммов к двум новым видам рода Pseudodesulfovibrio.

 

Публикации

1. Бегматов Ш.А., Дорофеев А.Г., Кадников В.В., Белецкий А.В., Пименов Н.В., Равин Н.В., Марданов А.В. The structure of microbial communities of activated sludge of large-scale wastewater treatment plants in the city of Moscow Scientific Reports, 12, 3458 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1038/s41598-022-07132-4

2. Булаев А.Г., Каныгина А.В., Марданов А.В. Draft genome sequence of Acidiplasma aeolicum strain V1T, isolated from a hydrothermal pool Microbiology resource announcements, Т. 11. № 2. С. e01046-21 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1128/mra.01046-21

3. Ёлкина Ю., Нечаев А., Артыкова А., Колосов А., Меламуд В., Марданов А., Булаев А., Бугубаева А. Continuous bioleaching of arsenic-containing copper-zinc concentrate and shift of microbial population under various conditions Minerals, Т. 12. № 5. 592. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/min12050592

4. Пелевина А.В., Берестовская Ю.Ю., Грачёв В.А., Дорофеев А.Г., Слатинская О.В., Максимов Г.В., Каллистова А.Ю., Николаев Ю.А., Груздев Е.В., Равин Н.В., Пименов Н.В., Марданов А.В. Микробное сообщество, аккумулирующее фосфат в лабораторном биореакторе с доминированием “Candidatus Accumulibacter” Микробиология, т. 91, № 5, с. 631-637 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0026365622100275

5. Перепелов А.В., Соколова Д.С., Турова Т.П., Шашков А.С., Касимова А.А., Назина Т.Н. Structure elucidation and gene cluster annotation of the O-antigen of Halomonas titanicae TAT1 containing three residues of 2,3-diacetamido-2,3-dideoxy-D-glucuronic acid. Carbohydrate research, 521, 108650 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.carres.2022.108650

6. Пименов Н.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Грачев В.А., Каллистова А.Ю., Канапацкий Т.А., Литти Ю.В., Груздев Е.В., Бегматов Ш.А., Равин Н.В., Марданов А.В. Внесение экзогенного активного ила как способ повышения эффективности удаления азота в процессе анаммокс Микробиология, том. 91, №4 с. 410-418 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0026365622300176

7. Семенова Е.М., Груздев Д.С., Соколова Д.С., Турова Т.П., Полтараус А.Б., Потехина Н.В., Шишина П.Н., Большакова М.А., Автюх А.Н., Янучевиц Е.А., Терешина В.М., Назина Т.Н. Physiological and genomic characterization of Actinotalea subterranean sp. nov. from oil-degrading methanogenic enrichment and reclassification of the family Actinotaleaceae Microorganisms, 10, 378 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/microorganisms10020378

8. Турова Т.П., Соколова Д.С., Семенова Е.М., Ершов А.П., Груздев Д.С., Назина Т.Н. Геномные и физиологические характеристики галофильных бактерий родов Halomonas и Marinobacter из нефтяных пластов. Микробиология, том 91, № 3, с. 285–299 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0026365622300036

9. Бегматов Ш., Дорофеев А., Кадников В., Белетский А., Пименов Н., Равин Н., Марданов А. Microbial communities of activated sludge of large-scale wastewater treatment plants of Moscow city on a global scale. Electronic abstract book: The 2nd FEMS Conference on Microbiology, P. 463 (год публикации - 2022)

10. Биджиева С., Бабич Т., Соколова Д., Семенова Е., Ершов А., Назина Т. Sulfate-reducing and fermentative bacteria from petroleum reservoirs Electronic abstract book: The 2nd FEMS Conference on Microbiology, - (год публикации - 2022)

11. Елкина Ю., Артыкова А., Колосов А., Нечаева А., Белетский А., Груздев Е., Меламуд В., Марданов А., Булаев А. Temperature and carbon source as factors affecting the biooxidation of sulfide concentrate Сборник тезисов Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology (BGRS/SB-2022), стр. 520 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18699/SBB-2022-292

12. Ершов А., Соколова Д., Семенова Е., Турова Т., Груздев Д., Назина Т. Halophilic bacteria of the genera Halomonas and Marinobacter from petroleum reservoirs and their possible applications in biotechnology. Сборник тезисов Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology (BGRS/SB-2022): The Thirteenth International Multiconference, стр. 521-522 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18699/SBB-2022-293

13. Ершов А.П., Соколова Д.Ш., Семенова Е.М., Турова Т.П., Груздев Д.С., Назина Т.Н. Галофильные бактерии родов Halomonas и Marinobacter из нефтяных пластов России и Казахстана и их биотехнологический потенциал Сборник тезисов XXXIV международная зимняя молодёжная научная школа "Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии", стр. 98 (год публикации - 2022)

14. Пелевина А.В., Берестовская Ю.Ю., Груздев Е.В., Сорокин В.В., Слатинская О.В., Марданов А.В. Особенности формирования фосфат-аккумулирующего микробного сообщества в лабораторном биореакторе последовательно-периодического действия Сборник тезисов XIII Молодежной Школы-конференции с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», стр. 197-199 (год публикации - 2022)

15. Пименов Н.В., Каллистова А.Ю., Николаев Ю.А., Равин Н.В., Марданов А.В. Microbial anammox communities: structure, physiological and biochemical characteristics, and possibilities of directed modification Сборник тезисов Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology (BGRS/SB-2022): The Thirteenth International Multiconference, стр. 532-533 (год публикации - 2022)

16. Соколова Д., Бабич Т., Семенова Е., Биджиева С., Ершов А., Груздев Д., Хисаметдинов М., Назина Т. Microorganisms of low temperature oil field with high-salinity formation water in Tatarstan (Russia) and their potential for MEOR application. Сборник тезисов Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology (BGRS/SB-2022): The Thirteenth International Multiconference, стр. 537-538 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18699/SBB-2022-302

17. Борзенков И.А., Соколова Д.Ш., Канапацкий Т.А., Биджиева С.Х., Назина Т.Н. Штамм бактерий Virgibacillus halodenitrificans CHEL 4-5 ВКМ B-3472D для денитрификации с образованием нитрита -, 2774191 C1 (год публикации - )

18. - Какие микроорганизмы лучше всего очищают московские сточные воды Коммерсантъ, - (год публикации - )

19. - Какие микроорганизмы лучше всего очищают московские сточные воды РНФ, - (год публикации - )

20. - Для очистки сточных вод в Москве выявили наиболее эффективные микроорганизмы ТАСС, - (год публикации - )

21. - Биологи определили микроорганизмы, живущие в очистных сооружениях Москвы Газета.RU, - (год публикации - )

22. - Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН определили, какие микроорганизмы лучше всего очищают сточные воды города Москвы Научная Россия, - (год публикации - )

23. - Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН определили группы микроорганизмов, населяющих активный ил девяти крупных очистных сооружений Москвы и обеспечивающих стадию биологической очистки сточных вод. Российский микробиологический портал, - (год публикации - )

24. - Состав сточных вод зависит от экономических и культурных особенностей Метеовести, - (год публикации - )

25. - Биологи определили микроорганизмы, живущие в очистных сооружениях Москвы Рамблер.Новости, - (год публикации - )

26. - Биологи определили микроорганизмы, живущие в очистных сооружениях Москвы Russia24.pro, - (год публикации - )

27. - Биологи определили микроорганизмы, живущие в очистных сооружениях Москвы Moscow.media, - (год публикации - )

28. - Для очистки сточных вод в Москве выявили наиболее эффективные микроорганизмы. Advis, - (год публикации - )

29. - Состав сточных вод зависит экономических и культурных особенностей Ecocommunity, - (год публикации - )

30. - Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН определили, какие микроорганизмы лучше всего очищают сточные воды города Москвы Биотех2030, - (год публикации - )

31. - Ученые ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН определили лучшую технологию очистки сточных вод In-power, - (год публикации - )

32. - Ученые ФИЦ "Фундаментальные основы биотехнологии" РАН определили лучшую технологию очистки сточных вод Watermagazine, - (год публикации - )

33. - Микробиологи выяснили, кто обеспечивает эффективность очистных сооружений Москвы CoLab, - (год публикации - )

34. - И малым найдут работу… Создание биотехнологий идет полным ходом ПОИСК, - (год публикации - )

35. - И малым найдут работу… Создание биотехнологий идет полным ходом РНФ, - (год публикации - )

36. - Ученые помогли обитателям биореактора для очистки сточных вод справиться со стрессом Научная Россия, - (год публикации - )

37. - Ученые помогли обитателям биореактора для очистки сточных вод справиться со стрессом Seldon.News, - (год публикации - )

38. - Ученые помогли обитателям биореактора для очистки сточных вод справиться со стрессом Nanonewsnet, - (год публикации - )

39. - Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН выяснили, как добавки фолиевой и муравьиной кислоты влияют на активность анаэробных анаммокс-бактерий и помогают им справляться со стрессовыми условиями. Российский микробиологический портал, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения проекта в рамках направления «Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора» были получены следующие основные результаты. На двух типах реакторов с плавающим и стационарным носителями прикрепленного биоценоза, работающими в циклически-периодическом режиме, экспериментально апробированы подходы по инженерии анаммокс-сообществ путем воздействия физических и химических факторов. Анализ метатранскриптомных данных, полученных при эксплуатации реактора в режиме нормальной и повышенной аэрации показал, что через сутки после воздействия изменялось количество транскриптов генов метаболизма аминокислот, углеводов, ко-факторов и витаминов, ксенобиотоков, энергетического метаболизма, сигнальной трансдукции, трансляции и др. У анаммокс-бактерий при повышенной аэрации возрастала экспрессия генов, кодирующих шапероны и белки теплового шока, кислород-связывающий белок гемеритин, мультимедные оксидазы, трансмембранные рецепторы хемотаксического ответа, нитрит/нитрат оксидоредуктазы (NXR); нитритредуктазы (NirB) диссимиляционного восстановления нитрата в аммоний, гидроксиламиноксидоредуктазы (Hao). В условиях повышенной аэрации происходило переключение процесса нитритации/анаммокс на циркуляцию окисленных форм азота – продуктов окисления аммония. Также продемонстрировано, что эффективность удаления азота в зависимости от концентрации сульфида. Выявлено, что чувствительность к сульфиду обусловлена воздействием на нитрификаторов I стадии, у которых ниже порог чувствительности, чем у анаммокс-бактерий. Метатранскриптомный анализ ответа микробного сообщества на возрастание концентрации сульфида выявил снижение транскрипции ключевых генов анаммокс-реакции – нитрит редуктаз и гидразин синтаз. При этом уровень транскрипции гидразин дегидрогеназы не изменяется. Добавление сульфида привело к значительному снижению транскрипции генов аммоний-монооксигеназы у нитрификаторов порядка Nitrosomonodales. Транскрипция большинства генов цикла серы после добавления сульфида увеличилась в два и более раза. Выявлено полное ингибирование процесса анаммокс через 24 ч после повышения рН до 9. Сравнение трех видов плавающих носителей прикрепленного биоценоза выявило более быстрое накопление массы активного ила при запуске реакторов на новых ЭТЕК-биочипсах по сравнению с известными носителями (БФ33 и MutagBioChip), более высокую удельную активность при использовании ЭТЕК-биочипсов. Проведены исследования по определению спектра органических веществ, используемых Ca. accumulibacter. С этой целью определены скорости поглощения кислорода (СПК) обогащенной Ca. accumulibacter культурой после добавления 17 органических субстратов. Показано, что все указанные субстраты вызывают циклирование фосфатов, а в результате анализа генома Ca. Accumulibacter были обнаружены гены их транспортных систем. Расширение спектра используемых Ca. Accumulibacter субстратов позволит оптимизировать технологию удаления биогенных элементов из сточных вод. В рамках направления «Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов» были получены следующие основные результаты: 1. В модельных экспериментах было изучено биоокисление сульфидных минералов типичных для золотосодержащих концентратов: пирита, арсенопирита, а также пирротина, и полиметаллических медно-цинковых руд и концентратов: халькопирита и сфалерита выделенным штаммом Acidiplasma sp. и умеренно-термофильныи сероокисляющим автотрофным штаммом Acidithiobacillus caldus MBC-1. Штамм A. сaldus практически не выщелачивал пирит, что объясняется тем фактом, что данный штамм не способен к биоокислению двухвалентного железа. Исследуемый штамм Acidiplasma sp. окислял пирит в чистой культуре с достаточно низкой скоростью, во всех вариантах эксперимента несмотря на то, что штамм способен окислять двухвалентное железо, что является наиболее важным для биоокисления пирита. Самые высокие степени выщелачивания пирита были достигнуты в экспериментах со смешанными культурами, при этом степень выщелачивания зависела от концентрации ДЭ в среде. Окисление пирита, арсенопирита и пирротина в разных условиях показало, что зависимость степени выщелачивания от состава микробной культуры, температуры, присутствия ДЭ, различались, что может объясняться различиями кристаллического строения данных минералов и механизмов их окисления. При биоокислении сфалерита и халькопирита изучаемым штаммом было выщелочено 4,8 и 7,0% цинка и меди соответственно. При этом на 8-10 сут эксперимента происходило замедление скорости извлечения металлов, что свидетельствует о снижении активности штамма. Биоокисление минералов сопровождалось активным ростом штамма. Был проведен транскриптомный анализ в процессе окисления сульфидных минералов культурой Acidiplasma sp. E1. Полученные данные о механизмах биовыщелачивания являются основой для дальнейших работ в области генной инженерии, направленной на улучшение бивыщелачивания. Было проведено исследование влияния разных концентраций органического источника углерода на биоокисление золотосодержащего пирит-арсенопиритного флотоконцентрата, а также на состав микробных популяций, которые сформировались в процессе биоокисления. Активность биоокисления повышалась с повышением концентрации мелассы в среде. Таким образом, результаты работы на данном этапе указывают на то, что активность биоокисления пирит-арсенопиритного концентрата зависела от концентрации мелассы в среде, при этом в большей степени зависело окисление пирита. В непрерывном режиме концентрация мелассы в значительной степени влияла на общую численность микроорганизмов, тогда как относительная численность микроорганизмов различных групп была близкой. Результаты данной работы показали, что можно повысить эффективность биогидрометаллургических процессов за счет применения дешевых органических субстратов. В рамках направления «Разработка биотехнологий для нефтедобывающей промышленности» были выполнены исследования микробных сообществ из нефтяных пластов с использованием микробиологических и метагеномных подходов и физического моделирования вытеснения нефти. Выделены накопительные и чистые культуры бродильных бактерий, образующих значимые количества нефтевытесняющих соединений – летучих кислот, спиртов и углекислоты. На моделях нефтяных пластов, имитирующих условия карбонатных нефтяных коллекторов, проверено влияние микробных композиций на вытеснение нефти. Нагнетание культуральной жидкости штамма Sphaerochaeta sp. 1S37 в модели приводило к дополнительному вытеснению от 10.4% до 16% нефти по сравнению с заводнением. Это свидетельствует о перспективности использования штамма для дальнейших исследований, а также возможности применения на нефтяных пластах с высокой минерализацией закачиваемых и пластовых вод. Исследованы морфология, физиология и спектр используемых субстратов трех штаммов (1S37, 1S48 и 4SSU) бродильных бактерий рода Sphaerochaeta. Штаммы характеризуются высокой скоростью роста при повышенной солености среды, образуют этанол, ацетат, пропионат, и углекислоту в процессе сбраживания ряда сахаров. Геномный анализ штаммов 1S37 и 1S48 показал их принадлежность к новому виду рода Sphaerochaeta. С использованием метагеномных подходов показано, что сульфатвосстанавливающие бактерии родов Desulfoplanes, Desulfotignum и Pseudodesulfovibrio доминируют в составе микробных сообществ нефтяных пластов с высокой соленостью пластовой воды и высоким содержанием сульфатов и сероводорода. Анализ фенотипических признаков и филогеномный анализ умеренно галофильной сульфатвосстанавливающей бактерии, позволяет отнести штамм 5S69 к новому виду рода Pseudodesulfovibrio. Штаммы сульфатвосстанавливающих бактерий могут быть использованы для определения их коррозионной активности и оценки эффективности биоцидов, применяемых при добыче нефти. Выделена из нефтяных пластов и описана новая углеводородокисляющая бактерия Ensifer oleiphilus sp. nov.

 

Публикации

1. Булаев А., Кадников В.В., Елкина Ю., Белецкий А., Меламуд А., Равин Н., Марданов А. Shifts in the Microbial Populations of Bioleach Reactors Are Determined by Carbon Sources and Temperature Biology, 12(11), 1411 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/biology12111411

2. Булаев А.Г., Артыкова А.В., Колосов А.В., Нечаева А.В., Белецкий А.В., Кадников В.В., Меламуд В.С., Марданов А.В. Influence of organic carbon source on biooxidation of sulfide concentrate Микробиология, 92, 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0026261723603925

3. Булаев А.Г., Каныгина А.В., Марданов А.В. Draft genome sequence of Acidiplasma cupricumulans strain BH2T, isolated from a pregnant leachate solution of heap Microbiology Resource Announcements, 00941-23 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1128/mra.00941-23

4. Дорофеев А., Пелевина А., Николаев Ю., Берестовская Ю., Груздев Е., Марданов А., Пименов Н. Oxygen Uptake Rate as an Indicator of the Substrates Utilized by Candidatus Accumulibacter Water, 15, 3657. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/w15203657

5. Ершов А.П., Бабич Т.Л., Груздев Д.С., Соколова Д.С., Семенова Е.М., Автух А.Н., Полтараус А.Б., Ианутцевич Е.А., Назина Т.Н. Genome Analysis and Potential Ecological Functions of Members of the Genus Ensifer from Subsurface Environments and Description of Ensifer oleiphilus sp. nov. Microorganisms, 11, 2314 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/microorganisms11092314

6. Кадников В.В., Равин Н.В., Соколова Д.С., Семенова Е.М., Биджиева С.К., Белецкий А.В., Ершов А.П., Бабич Т.Л., Хисаметдинов М.Р., Марданов А.В., Назина Т.Н. Metagenomic and Culture-Based Analyses of Microbial Communities from Petroleum Reservoirs with High-Salinity Formation Water, and Their Biotechnological Potential Biology, 12(10) 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/biology12101300

7. Пелевина А., Груздев Е., Берестовская Ю., Дорофеев А., Николаев Ю., Каллистова А., Белецкий А., Равин Н., Пименов Н., Марданов А. New insight into the granule formation in the reactor for enhanced biological phosphorus removal Frontiers in Microbiology, 14:1297694 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1297694

8. Пелевина А.В., Берестовская Ю.Ю., Дорофеев А.Г., Николаев Ю.А., Груздев Е.В., Пименов Н.В., Марданов А.В. Формирование микробным сообщество агрегатов в процессе его развития и удаления фосфора в лабораторном реакторе Микробиология, - (год публикации - 2023)

9. Пименов Н.В., Николаев Ю.А., Грачев В.А., Каллистова А.Ю., Дорофеев А.Г., Литти Ю.В., Груздев Е.В., Белецкий А.В., Равин Н.В., Марданов А.В. Effect of Sulfide on the Processes of Transformation of Nitrogen Compounds and the Microbial Community Composition in the Anammox Bioreactor Water, 15, 2798 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/w15152798

10. - Метагеномные технологии помогают понять, как увеличить эффективность нефтедобычи Российский микробиологический портал, - (год публикации - )

11. - Метагеномные технологии помогают понять, как увеличить эффективность нефтедобычи InScience, - (год публикации - )

12. - Метагеномные технологии помогают понять, как увеличить эффективность нефтедобычи NEWS, - (год публикации - )

13. - Сульдфиды подавляют, но не блокируют окисление аммония бактериями при очистке сточных вод Российская академия наук, - (год публикации - )

14. - Сульфиды - не помеха для бактерий, очищающих сточные воды Поиск, - (год публикации - )

15. - Сульфиды - не помеха для бактерий, очищающих сточные воды О химии и химиках, - (год публикации - )

16. - Сульфиды - не помеха для бактерий, очищающих сточные воды Indicator, - (год публикации - )