История

Лаборатория экологической биотехнологии создана в 2021 году в рамках результата «Созданы новые лаборатории, в том числе под руководством молодых перспективных исследователей» национального проекта «Наука и университеты».

Кадровый состав

Самульцев Дмитрий Олегович, к.х.н., заведующий лабораторией

Беловежец Людмила Александровна, д.б.н., ведущий научный сотрудник

Белоусов Дмитрий Сергеевич, инженер-исследователь, аспирант

Кузнецова Виктория Сергеевна, инженер-исследователь

Малков Юрий Алексеевич, к.т.н, научный сотрудник

Матвеева Елена Александровна, к.х.н., научный сотрудник

Петрова Анна Николаевна, лаборант-исследователь

Приставка Екатерина Олеговна, младший научный сотрудник, аспирант

Старченко Инесса Владимировна, ведущий инженер

Филинова Надежда Владимировна, к.б.н., старший научный сотрудник

Тематика лаборатории

«Разработка микробиологических подходов к решениям современных проблем промышленности».  Регистрационный номер:  № 121120700091-6.

 Области исследований

Биотехнология, изучающая внедрение производственных процессов, в основе которых лежит практическое использование микроорганизмов, сегодня развивается бурными темпами. Особенно это касается таких отраслей, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры. Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучение участия микроорганизмов в биосферных процессах, и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений. С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и др. химических соединений в почве. Таким образом, основными направлениями исследований являются:

1. Разработка экологически безопасного способа (микробиологической) переработки отходов лесопиления с получением комплексного органо-минерального удобрения.

2. Получение кормового белка, в том числе для аквакультуры, на основе культур дрожжей.

3. Создание средств для защиты древесины, объединяющих фунгицидную и инсектицидную активности, а также снижающие растрескиваемость спилов.

4. Выявление микроорганизмов-деструкторов соединений, потенциально опасных для экологического равновесия в природных экосистемах (пестициды) и создание на их основе микробного препарата.

5. Поиск новых соединений с потенциальной антимикробной активностью, исследование механизма их возможного действия на микроорганизмы различных таксономических групп с актуализацией их метаболизма в микробной клетке.

6. Разработка бактериально-грибной ассоциации, способной полноценно и в короткие сроки деструктировать нефть или ее компоненты.

1. Разработка экологически безопасного способа (микробиологической) переработки отходов лесопиления с получением комплексного органо-минерального удобрения.

В Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского СО РАН разработан способ ускоренного компостирования древесных опилок с применением специально подобранной композиции дереворазрушающих грибов, позволяющий использовать отходы деревообработки в качестве единственного органического компонента с минеральными добавками. Технология основана микробной трансформации возобновляемого растительного сырья. Предложенный способ производства удобрения позволяет использовать некондиционные опилки низкого качества или лежалые опилки без какой-либо предварительной обработки в неограниченном количестве. Состав микробной ассоциации защищен патентом РФ Пат. RU 2 701 942 C1, 2019. Производимое по нашей технологии удобрение, имеющее в своей основе древесные опилки, независимо от состава субстрата, времени и места компостирования стабильно по составу и основным агрохимическим показателям. Удобрение содержит основные биогенные элементы в легко усваиваемой растениями форме и в хорошо сбалансированном виде. Удобрение не содержит фитопатогенных микроорганизмов и паразитов, а количество токсичных и опасных веществ в нем значительно меньше предельно допустимых концентраций их, установленных для почв. Использование данного компоста позволит не только увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, но и даст возможность ликвидировать многотоннажный отход лесообрабатывающих предприятий.

Применение данного способа требует промышленного культивирования грибов, входящих в состав ассоциации для компостирования. Для оптимизации этого процесса был проведен ряд экспериментов, касающихся роста исследуемых штаммов. Так, выяснялись параметры роста при изменении площади контакта раздела фаз питательная среда (с мицелием) – воздух при постоянном объеме питательной среды и изменение объема питательной среды при постоянной площади контакта с воздухом. На данном этапе работы проводится оптимизация роста грибов в 100 литровом ферментере. Варьируются перемешивание, барботаж, количество питательной среды в ферментере.

2. Биотехнологическая трансформация отходов лесообработки (стружки, опилки, щепа) с целью получения биоэтанола, кормового белка, в том числе и для аквакультуры.

Для реализации технологии щадящего гидролиза древесины с предварительной обработкой были подобраны условия кислотного гидролиза древесины (отходы лесопиления) с целью получения растворов моносахаров для их дальнейшей биохимический переработки на кормовой белок. Сырьем служили свежие древесные опилки и коммерческие пеллеты.

Оба варианта опыта были подвергнуты микробиологической обработке различными штаммами кормовых дрожжей. Контролем служил 0.5% раствор глюкозы. Анализировали набор биомассы и содержание белка в 5 суточных культурах. Показано, что, даже без оптимизации условий культивирования, выделяются несколько вариантов. Причем, если штаммы 249 и 785 активно набирали биомассу, но накопление белка шло не слишком активно, то штамм 780, отставая по количеству биомассы, набирал почти вдвое больше белкового азота. Следовательно, именно этот штамм выглядит наиболее перспективным для дальнейшей работы. Сахара, получаемые при гидролизе пеллет легче используются штаммами дрожжей. В настоящее время исследуются другие варианты гидролиза древесины – фосфорной кислотой, ферментативный.

3. Использование синтетического потенциала ИрИХ СО РАН для создания новых перспективных антисептиков для древесины с возможным инсектицидным эффектом.

Ключевым моментом в сфере решения вопроса биоразрушения древесины микроорганизмами является поиск и разработка новых высокоэффективных и безопасных для человека и окружающей среды антисептиков. Мы исследовали фунгициды, относящиеся к двум классам химических соединений – Cu-содержащий полимер (ликуприл), синтезированный в ИрИХ СО РАН, и четвертичные аммониевые соли (ЧАС). В качестве метода скрининга использовали метод тест-полосок.

Показано, что лучшие результаты отмечены для ЧАС. Исключения (слабое подавление роста F. pinicola и Т. 1) лишь подтверждают общую тенденцию. Ликуприл, показавший хорошие результаты по защите от обрастания плашек из древесины, в данном эксперименте был активен лишь против T. versicolor. Такое расхождение данных мы связываем с тем, что ликуприл хорошо адсорбируется на древесине, тем самым оказывая защитное действие за счет физико-химических взаимодействий. Вероятно, эти его свойства препятствуют диффузии в агар, что не дает возможности проявления фунгицидных свойств.

Рис. 3. Результат проверки эффективности антисептиков в отношении гриба Trametes versicolor

Способность фунгицидов защищать древесину от растрескивания важна для снижения заражения материала спорами микроскопических грибов через трещины. Это достигается созданием на поверхности спилов пленки действующего вещества, препятствующей потере влаги. Для определения активности соединений против растрескивания спилы древесины сосны диаметром 15 см и толщиной 1.5 см обрабатывались соответствующим раствором и оставлялись на воздухе при комнатной температуре на 3 недели. Затем определяли потерю массы и визуально оценивали количество крупных и мелких трещин на поверхности спила. Полученные данные свидетельствуют, что большинство соединений не оказывает эффекта по сравнению с контролем. Исключение составляет ликуприл, который снижает потери влаги из спилов древесины. Такие результаты могут говорить о способности вещества надежно закрепляться, создавать защитную пленку на поверхности материала, препятствуя излишнему испарению влаги и усыханию древесины, а также о более долгосрочном эффекте своего действия, что выгодно отличает этот антисептик от других исследованных.

Как известно, грибы являются основными деструкторами древесных остатков, которые составляют важную часть органического вещества в лесных экосистемах. Однако они - не единственные микробные обитатели гниющей древесины. Несколько исследователей изучали появление бактерий в разлагающейся древесине и показали, что взаимодействие между грибами и бактериями может быть важным для процессов биодеструкции. Соответственно, что для лучшей защиты древесины от биодеградации, тестируемые вещества должны оказывать не только фунгицидное действие, но и проявлять антибактериальную активность, охватывая самые разные таксономические группы микроорганизмов. Проверка антибактериальной активности показала, что наибольшая зона подавления роста микроорганизма наблюдается на фоне применения ликуприла в концентрации 2% (35 мм) по отношению к B. subtilis. Причем подавления грам-отрицательных микроорганизмов не наблюдается. ЧАСы закономерно эффективны против всех тестируемых микроорганизмов. Интересно, что Просепт-42 (действующее вещество - 2-октил-3(2Н)-изотиозолинон) не активен при  применении против всех видов бактериальных тест-культур.

Таким образом, нами получены данные, позволяющие предполагать, что ликуприл может быть использован в качестве антисептика для древесины, особенно при длительном хранении неокоренных стволов.

4. Выявление микроорганизмов-деструкторов соединений, потенциально опасных для экологического равновесия в природных экосистемах (пестициды) и создание на их основе микробного препарата.

В работе по модельному разложению пестицидов мы использовали ((RS)-2-(4-изопропил-4-метил-5-оксо2-имидазолин-2-ил)-5-метоксиметилнико-тиновую кислоту (имазамокс). Был проведен предварительный скрининг по выживаемости микроорганизмов в присутствии пестицида. Показано, что исследованные микроорганизмы способны к росту на среде с имазамоксом в виде единственного источника углерода в концентрации 1,44 г/л (превышение ПДК пестицида для почвы в 9 раз), утилизируя до 60% действующего вещества в течение 7 дней. Выделены 4 штамма грибов и 6 штаммов бактерий, обладающих высокой деструктивной активностью по отношению к имазамоксу. К ним относятся 4 штамма грибов (Phanerochaete sp., шт. 10, Fomitopsis sp., шт. 35, Paecilomyces sp., шт. 52, Trichaptum sр., шт.60) и 6 штаммов бактерий (Pseudomonas sp., шт. 102, Pseudomonas sp., шт. 90, Pseudomonas sp., шт. 109, Acinetobacter sp., шт. 112, Acinetobacter sp., шт. 114, Rhodococcus sp., шт. 108).

5. Поиск новых соединений с потенциальной антимикробной активностью, исследование механизма их возможного действия на микроорганизмы различных таксономических групп с актуализацией их метаболизма в микробной клетке.

В настоящее время во всем мире наблюдается глобальный рост антибиотикорезистентности микроорганизмов. Несмотря на значительный прогресс в медицине, интенсивность разработки новых антибиотиков за последние 30 лет значительно снизилась. Сложившийся кризис беспокоит специалистов в области бактериологии, осознающих, что создается катастрофическое положение в области лечения инфекционных заболеваний. С этой точки зрения, поиск новых антибактериальных средств из новых классов соединений, является перспективным. В течение года в среднем анализируются более 50 синтезированных в ИрИХ соединений, имеющих разную химическую природу. Среди них выявлены перспективные вещества с антимикробными свойствами. Для наиболее активных соединений минимальная ингибирующая концентрация против исследованных микроорганизмов не превышает 0.06 мкг/мл действующего вещества.

Особый интерес представляет исследование антимикробной активности широкого ряда соединений, отличающихся функциональными группами или их расположением. В этом случае можно соотнести строение химического соединения и его антимикробную активность. Так, например, был исследован ряд водорастворимых коньюгатов 3-органил-5-(хлорметил)изоксазолов с аминокислотами, аминами и сераорганическими соединениями:

 Все синтезированные соединения исследовались в концентрациях 0.06-1000 мкг/мл водного раствора относительно непатогенных микроорганизмов различных таксономических групп: Enterococcus durans, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Rhodococcus erythropolis. Показано, что изотиурониевые соли не обладают активностью в отношении Escherichia coli, а их воздействие на тестовые грам-положительные микроорганизмы сильно зависит от заместителя. Так, изотиурониевые соли 1a и 1b незначительно активны против Enterococcus durans, в то же время сильно подавляют рост сенной палочки. Особенно это заметно для образца 1b, минимальная концентрация которого, эффективно замедляющая рост Bacillus subtilis, составляет всего 6.2 мкг/мл. Особняком в этом ряду стоят образцы 1c и 1d, чрезвычайно активные по отношению к обоим тестовым грам-положительным микроорганизмам. Интересно отметить, что изотиурониевые соли, не содержащие в структуре изоксазольный цикл, не обладают антибактериальной активностью. Сочетание в одной молекуле фрагментов изоксазола и аминокислоты не только значительно увеличивает бактериостатическую активность, но и расширяет спектр воздействия. Так, производные пролина 2a и N-ацетилцистеина 2b проявляют высокую активность по отношению ко всем исследованным грам-положительным микроорганизмам, включая Rhodococcus erythropolis. Вместе с тем, для изоксазола 2a наблюдается расширение спектра воздействия и на Escherichia coli.

6. Разработка бактериально-грибной ассоциации, способной полноценно и в короткие сроки деструктировать нефть или ее компоненты.

Нефть и нефтепродукты являются одними из самых распространенных загрязнителей окружающей среды. Разливы нефти, вызываемые авариями при ее добыче и переработке, при разгерметизации нефтепроводов наносят ощутимый вред экосистеме. При этом основную техногенную нагрузку испытывает почва. В настоящее время наиболее эффективным, экономичным, экологически безопасным методом по очистке нефтезагрязненных территорий является биоремедиация на основе микроорганизмов, способных разлагать углеводороды нефти. Поэтому поиск новых ассоциаций микроорганизмов, особенно районированных, приведет к снижению экологической нагрузки на нефтезагрязненные районы. В ходе работы были выявлены перспективные грибы-нефтедеструкторы - шесть высших базидиальных грибов, убыль нефти в субстрате (стерильные опилки) для которых за два месяца культивирования превышала 45 %. Наиболее высокие результаты были получены для грибных штаммов, проявляющих максимальную дереворазрушающую активность. Вероятно, это связано с ко-метаболизмом древесины и нефти в данном эксперименте. В обоих случаях синтезируются внеклеточные оксидо-редуктазные ферменты, способные разрушать как структурные единицы лигнина, так и ароматические соединения нефти. Тест на совместимость наиболее активных грибов с выделенными ранее бактериями-нефтедеструкторами показал полное отсутствие подавления роста всех культур. Это открывает перспективы создания комплексного препарата, включающего как бактериальные, так и грибные культуры.

Защиты диссертаций

Беловежец Людмила Александровна Эколого-биохимические процессы, протекающие при трансформации органических субстратов, и возможности их практического использования для биоремедиации почв. Диссертация на соискание ученой степени доктора биологический наук по специальности 03.02.08 – экология (биологические науки).

Основные публикации

Статьи в зарубежных журналах

1. Sergey N. Adamovich, Evgeniy V. Kondrashov, Igor A. Ushakov, Nina S. Shatokhina, Elizaveta N. Oborina, Alexander V. Vashchenko, Lydmila A. Belovezhets, Igor B. Rozentsveig, Francis Verpoort Isoxazole derivatives of silatrane: synthesis, characterization, in silico ADME profile, prediction of potential pharmacological activity and evaluation of antimicrobial action // Appl Organomet Chem. 2020. e5976. Р. 1-12. doi.org/10.1002/aoc.5976
2. Grishchenko L.A., Parshina L.N., Larina L.I., Belovezhets L.A., Trofimov B.A., Klimenkov I.V., Ustinov A.Y. Arabinogalactan propargyl ethers: au-catalysed hydroamination by imidazols // Carbohydrate Polymers. 2020. Т. 246. С. 116638.
3. Belovezhets L.A., Tretyakova M.S., Markova Yu.A., Oznobikhina L.P. Physicochemical properties of biosurfactants produced by oil destructor microorganisms // Chemistry for Sustainable Development. 2021. Т. 29. № 1. С. 20-25.
4. Potapov, V.A.; Ishigeev, R.S.; Belovezhets, L.A.; Amosova, S.V. A Novel Family of [1,4]Thiazino[2,3,4-ij]quinolin-4-ium Derivatives: Regioselective Synthesis Based on Unsaturated Heteroatom and Heterocyclic Compounds and Antibacterial Activity. Molecules 2021, 26, 5579. https://doi.org/10.3390/ molecules26185579
5. Potapov, V.A.; Ishigeev, R.S.; Belovezhets, L.A.; Shkurchenko, I.V.; Amosova, S.V. New WaterSoluble Condensed Heterocyclic Compounds with Antimicrobial Activity Based on Annulation Reactions of 8-Quinolinesulfenyl Halides with Natural Products and Alkenes. Appl. Sci. 2021, 11, 8532.
6. Petrushin, I.S., Markova, Y.A., Karepova, M.S., Zaytsev, Y.V., Belovezhets, L.A. Complete genome sequence of rhodococcus qingshengii strain VKM Ac-2784D, isolated from elytrigia repens rhizosphere // Microbiology Resource Announcements, 2021, 10(11), e00107-21.
7. Adamovich S.N., Sadykov E.K., Ushakov I.A., Oborina E.N., Belovezhets L.A. Antibacterial activity of new silatrane pyrrole-2-carboxamide hybrids // Mendeleev Communications. 2021. Т. 31. № 2. С. 204-206.

Статьи в отечественных журналах

8. Толстикова Л.Л., Шаинян Б.А., Стерхова И.В., Беловежец Л.А. N,N'-бис(трифторметилсульфонил)амиды дикарбоновых кислот // Журнал органической химии, 2020, том 56, № 1, с. 83–87.
9. Беловежец Л.А., Третьяков А.В. Агрохимические показатели компоста на основе древесных опилок // Химия в интересах устойчивого развития 28 (2020) 124–130.
10. Третьякова М.С., Беловежец Л.А., Соколова Л.Г., Зорина С.Ю., Маркова Ю.А. Влияние ризосферных бактерий-нефтедеструкторов на биологическое состояние почвы, загрязнённой нефтью // Теоретическая и прикладная экология, 2021, № 2, С. 156-162.
11. Беловежец Л.А., Третьякова М.С., Маркова Ю.А., Ознобихина Л.П. Физико-химические свойства биосурфактантов, продуцируемых микроорганизмами-нефтедеструкторами // Химия в интересах устойчивого развития. 2021. Т. 29. № 1. С. 21-26.
12. Беловежец Л.А., Маркова Ю.А., Третьякова М.С., Клыба Л.В., Санжеева Е.Р. Деструкция парафиновой фракции нефти микроорганизмами // Химия и технология топлив и масел. – 2020 – N 6 – С. 25-29.

Патенты

Беловежец Л.А. Способ утилизации древесных опилок с применением композиции дереворазрушающих микроорганизмов для получения комплексного органо-минерального удобрения // РФ Пат. RU 2 701 942 C1, 1019.

Беловежец Л. А., Третьякова М. С., Маркова Ю. А. Микробный препарат для защиты растений, произрастающих на нефтезагрязненных почвах Патент РФ № 2744094. – Опубл. 2021 г.

Гранты и контракты

Грант РФФИ № 20-016-00114 «Механизм действия протатранов на физиологические и биохимические свойства микроорганизмов – стимуляторов роста растений и их способность к биодеструкции углеводородов нефти» (Руководитель Беловежец Л.А.)

Договор на оказание услуг по переработке отходов лесопиления с ООО «Красноярская экспортная компания»

Договор НИР «Усовершенствование технологии микробной модификации отходов лесопиления для условий заказчика» с ООО «МагистральЛес»

Договор НИР Разработка и написание концепции переработки отходов лесопиления, принадлежащих Заказчику с ООО «Енисейская лесозаготовительная компания»

Договор НИР «Адаптация технологии микробной модификации древесных вторичных ресурсов к условиям заказчика» с одним из крупнейших  предприятий «Segezha group» - ООО «ТимберТранс».

Договор о научно-практическом сотрудничестве «Определение антимикробного потенциала производных изоксазола» с ФГБНУ НЦ ПЗСРЧ.