Метагеномный анализ и инженерия микробных консорциумов для промышленной микробиологии

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 21-64-00019

НазваниеМетагеномный анализ и инженерия микробных консорциумов для промышленной микробиологии

Руководитель Марданов Андрей Владимирович, Доктор биологических наук

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

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 слова геном, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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)
10.3390/microorganisms9091818

4. 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)
10.1002/9781118960608.gbm02038

5. 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)
10.1002/9781118960608

6. 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)

7. 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)

8. 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)

9. 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)

10. 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)

11. 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)

12. 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)
10.1038/s41598-022-07132-4

13. 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)
10.31857/S0026365622300176

14. 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)
10.31857/S0026365622100275

15. 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)
10.1128/mra.01046-21

16. 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)
10.3390/min12050592

17. 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)
10.3390/microorganisms10020378

18. 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)
10.31857/S0026365622300036

19. 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)
10.1016/j.carres.2022.108650

20. 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)
10.18699/SBB-2022-292

21. 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)

22. 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)

23. 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)
10.18699/SBB-2022-293

24. 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)
10.18699/SBB-2022-302

25. 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)

26. 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)
10.3390/w15152798

27. 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)
10.3390/w15203657

28. 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)

29. 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)
10.3389/fmicb.2023.1297694

30. 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)
10.3390/biology12111411

31. 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)
10.1128/mra.00941-23

32. 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)
10.1134/S0026261723603925

33. 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)
10.3390/biology12101300

34. 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)
10.3390/microorganisms11092314

35. 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)

36. Соколова Д.Ш., Бабич Т.Л., Хисаметдинов М.Р., Марданов А.В., Миних А.А., Назина Т.Н. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА САПРОПЕЛЯ И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ Микробиология (год публикации - 2024)

37. Николаев Ю.А., Канапацкий Т.А., Грачев В.А., Дорофеев А.Г., Литти Ю.В., Марданов А.В., Кожушко А.Ю., Груздев Е.В., Берестовская Ю.Ю., Пименов Н.В. Comparative Investigation of the Anammox Process Using Free-Floating Carriers of Activated Sludge-Attached Biocenosis Water (год публикации - 2024)
10.3390/w16233363

38. Пелевине А.А., Дорофеев А.Г., Груздев Е.В., Марданов А.В., Пименов Н.В. Effect of Nitrate and Nitrite on Anaerobic Phosphorus Consumption by Phosphate-Accumulating Microorganisms in a Laboratory Bioreactor Микробиология (год публикации - 2024)

39. Николаев Ю.А., Канапацкий Т.А., Грачев В.А., Дорофеев А.Г., Литти Ю.В., Груздев Е.В., Марданов А.В., Пименов Н.В. ВЛИЯНИЕ РН-ШОКОВ НА АНАММОКС-ПРОЦЕСС И СПОСОБЫ ПРЕОДОЛЕНИЯ ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ Микробиология (год публикации - 2024)

40. Биджиева С.К., Турова Т.П., Кадников В.В., Самигуллина С.Р., Соколова Д.С., Полтараус А.Б., Автух А.Н., Терешина В.М., Белецкий А.В., Марданов А.В., Назина Т.Н. Phenotypic and Genomic Characterization of a Sulfate-Reducing Bacterium Pseudodesulfovibrio methanolicus sp. nov. Isolated from a Petroleum Reservoir in Russia Biology (год публикации - 2024)
10.3390/biology13100800

41. Назина Т.Н., Турова Т.П., Груздев Д.С., Биджиева С.К., Полтараус А.Б. A Novel View on the Taxonomy of Sulfate-Reducing Bacterium ‘Desulfotomaculum salinum’ and a Description of a New Species Desulfofundulus salinus sp. nov. Microorganims (год публикации - 2024)
10.3390/microorganisms12061115

42. Елкина Ю.А., Булаев А.Г., Белецкий А.В., Марданов А.В. Draft genome sequence of Ferrimicrobium acidiphilum strain YE2023, isolated from a pulp of bioleach reactor Microbiology Resource Announcements (год публикации - 2024)
10.1128/mra.00895-24

43. Булаев А.Г., Артыкова А.В., Елкина Ю.А., Колосов А.В., Нечаева А.В., Белецкий А.В., Кадников В.В., Меламуд В.С., Марданов А.В. Bioleaching of Copper-Zinc Concentrate at Different Temperatures Микробиология (год публикации - 2024)
10.1134/S0026261724606894

44. Дорофеев А.Г., Пелевина А.В., Груздев Е.В., Марданов А.В., Пименов Н.В. Effect of pH Shift on the Phosphate-Accumulating Microorganisms- Enriched Community in a Sequencing Batch Reactor Микробиология (год публикации - 2024)

45. Груздев Е.В., Дорофеев А.Г., Пелевина А.В., Пименов Н.В., Марданов А.В. Development of a Phosphate-Accumulating Microbial Community in a Sequencing Batch Bioreactor under Cyclic Alteration of Oxic and Anoxic Conditions Микробиология (год публикации - 2024)

46. Булаев А., Артыкова А., Дюбарь А., Колосов А., Меламуд В., Колганова Т., Белецкий А., Марданов А. Biooxidation of a Pyrite-Arsenopyrite Concentrate Under Stressful Conditions Microorganisms (год публикации - 2024)
10.3390/microorganisms12122463

47. Дюбарь А.М., Артыкова А.В., Колосов А.В., Белецкий А.В., Кадников В.В., Меламуд В.С., Марданов А.В., Булаев А.Г. Biooxidation of Refractory Gold-Bearing Concentrate at Decreased Retention Time Микробиология (год публикации - 2024)

48. Биджиева С.К., Турова Т.П., Груздев Д.С., Самигуллина С.Р., Соколова Д.С., Полтараус А.Б., Автюх А.Н., Терешина В.М., Марданов А.В., Жапаров Н.С., Назина Т.Н. Sulfate-Reducing Bacteria Isolated from an Oil Field in Kazakhstan and a Description of Pseudodesulfovibrio karagichevae sp. nov. Microorganisms (год публикации - 2024)
10.3390/microorganisms12122552

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получены следующие основные результаты. I. «Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора» Сообщество бактерий, осуществляющих анаммокс процесс, по-разному реагирует на закисление и защелачивание среды. Кислотный шок вызывает временное ингибирование активности бактерий без их гибели. Щелочной шок приводит к гибели большей части популяции бактерий-нитрификаторов и анаммокс-бактерий. Для преодоления или недопущения кислотного шока достаточно использовать добавку порошкового мела в качестве забуферивающего агента. Для быстрого восстановления активности после щелочного шока эффективна модификация сообщества путем внесения дополнительного активного ила анаммокс. При этом применение ила, идентичного присутствующему в реакторе, более эффективно, чем ила, выращенного в других условиях. Установлено, что сдвиг рН существенно влияет на состав фосфат-аккумулирующего (ФАО) сообщества, и доминирующие в слабощелочных условиях ФАО Ca. Accumulibacter замещается представителями Decloromonas. Эффективность удаления фосфора не снижается. Эти результаты расширяют технологические пределы рН, пригодные для использования биологического удаления фосфора. При длительном (до 300 суток) культивировании в реакторах последовательно-периодического действия получены обогащенные денитрифицирующими ФАО культуры (ДФАО), способные к одновременному удалению фосфора и азота. Молекулярными методами установлено, что основными ДФАО в этих условиях были представители Dechloromonas, составляющие около 30% от микробного сообщества. Обогащенные Dechloromonas культуры способны к накоплению аномально высоких концентраций фосфатов (до 9-10%) и характеризовались высокой зольностью биомассы (30%). Таким образом, выбор в качестве конечного акцептора электронов кислорода или нитратов приводит к отбору различных представителей ФАО, относящихся к родам Ca. Accumulibacter или Dechloromonas, соответственно. Это дает ключ к направленной модификации (инженерии) микробных сообществ, ведущей к повышению эффективности удаления фосфора и азота в условиях, определяемых технологическими нуждами. Результаты исследований текущего года, а также полученные в ходе выполнения предыдущих этапов, легли в основу Рекомендаций по практическому применению процесса анаммокс, Регламента технологического процесса очистки сточных вод от азота по технологии анаммокс и Технологические рекомендации использования обогащенных ФАО консорциумов в биологической очистке коммунальных сточных вод от азота и фосфора. II. «Разработка биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов» Проведены испытания по биоокислению пирит-арсенопиритного концентрата с использованием диоксида углерода в качестве дополнительного источника углерода с целью определения влияния времени пребывания на процесс биоокисления, биоокисление исследуемого концентрата проведено с параметрами, используемыми в промышленных условиях (время пребывания 5 и 3 сут, а также с уменьшенным временем пребывания - не более 3 сут). Применение диоксида углерода в качестве источника углерода для микробной популяции реакторов биоокисления позволило сократить время пребывания в процесс биоокисления пирит-арсенопиритного концентрата в 1.7 раза и проводить стабильный процесс биоокисления при снижении времени пребывания, что в свою очередь, может решить одну из ключевых проблем биоокисления сульфидных концентратов – очень высокую длительность процесс биоокисления, что приводит к относительно низкой производительности на единицу объема биореакторов. Проведены испытания по биовыщелачиванию медно-цинкового концентрата с модификацией процесса. Было показано, что наиболее рациональным подходом для биовыщелачивания медно-цинковых сульфидных концентратов может быть двухэтапное биовыщелачивание, которое предполагает на 1-ом этапе биовыщелачивание при более низкой температуре, что способствует наращиванию биомассы микроорганизмов, а затем проведение на 2 этапе биовыщелачивания при более высокой температуре и в присутствии хлорид натрия, что способствует увеличению степени выщелачивания металлов. Полученные экспериментальные результаты позволяют предложить подходы для модификации используемых промышленных процессов биоокисления сульфидных концентратов, чтобы преодолеть их ключевые недостатки (длительное время пребывания, относительно низкая производительность, нестабильность процесса при колебаниях таких параметров как температура). III. “Разработка биотехнологий для нефтедобывающей промышленности” С использованием современных молекулярных методов определен состав микроорганизмов ряда нефтяных пластов Татарстана, характеризующихся разным составом и соленостью пластовой воды, типом нефти и вмещающих пород. Показано, что в нефтяных пластах с карбонатными коллекторами, генетически связанных с древними морскими осадками, и содержащих сульфат и сульфид в пластовой воде, доминируют сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ). В этой связи необходимо нагнетание в нефтяной пласт органических субстратов для активации анаэробных бродильных бактерий с одновременным подавлением роста сульфидогенов. Совместно со специалистами ООО “НТЦ Татнефть” показано, что сапропель может быть использован в качестве источника бродильных бактерий и дисперсанта, закупоривающего высокопроницаемые пропластки, в биотехнологиях увеличения нефтеотдачи пластов с карбонатными коллекторами. Выбор субстрата для бродильных бактерий был выполнен на основе результатов определения состава микроорганизмов сапропеля и пластовой воды и последующего биоинформатического анализа их потенциальной активности. Предсказано, что крахмал может оптимально использоваться микробными сообществами пластовой воды и сапропеля, что было экспериментально подтверждено в лабораторных условиях. На Архангельском нефтяном месторождении с карбонатными коллекторами (ПАО «Татнефть») выполнены опытно-промышленные испытания биотехнологии увеличения нефтеотдачи, включающие нагнетание сапропеля, крахмала и диаммоний фосфата в нагнетательную скважину, что позволило получить около 5970 т дополнительной нефти. На предыдущем этапе работы в результате метагеномного анализа пластовой воды из нефтяных пластов Татарстана было получено 75 геномов прокариот, собранных из метагеномов. Результаты метагеномного анализа были подтверждены выделением чистых культур СВБ, изучением их физиологии и чувствительности к биоцидам. Выполнены детальные исследования фенотипических признаков и геномный и филогеномный ряда СВБ, и описаны новые виды Pseudodesulfovibrio methanolicus sp. nov., Desulfofundulus salinus sp. nov. и Pseudodesulfovibrio karagichevae sp. nov. Выделенные культуры могут быть использованы в качестве тест-культур для оценки эффективности биоцидов, применяемых в нефтяной промышленности.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты имеют как фундаментальную значимость, так и практическую ценность для развития промышленной микробиологии. Результаты работы выявили взаимосвязи между различными функциональными группами в составе исследованных микробных сообществ. На основании этого разработаны новые методы управления микробными консорциумами для осуществления биотехнологических процессов, в частности, разработаны более эффективные способы очистки сточных вод, усовершенствованы биогидрометаллургические технологии извлечения цветных и благородных металлов, разработаны биотехнологии для нефтедобывающей промышленности. Данные результаты могут быть применены как для оптимизации процессов действующих производств, так и для создания новых (подробная информация приведена в п.п. 5.10 и 5.11).