О Проекте:

Цель проекта - выявление и характеристика микробных процессов, приводящих к образованию энергоносителей (углеводородов, водорода) и получению электричества в топливных элементах.

Поиск возобновляемых источников энергии микробного происхождения является актуальной задачей в связи с их экономичностью, экологической чистотой и возможностью сочетания их получения с другими биологическими процессами (использованием сельскохозяйственных и промышленных отходов, получением продуктов с высокой добавленной стоимостью). Одновременно поиск новых энергетических процессов у прокариот имеет большую ценность для фундаментальной науки, так как расширяет наши знания о многообразии микробного мира, в том числе с точки зрения энергетического метаболизма.

Исследования будут вестись в двух направлениях:

1. Исследование природных микробных сообществ, участвующих в процессах образования энергоносителей и преобразования вмещающих пород.
В рамках этого направления будет проводиться поиск новых продуцентов энергоносителей, будет исследоваться процесс современного образования высокомолекулярных углеводородов, а также будут изучаться биогеохимические механизмы образования энергоносителей микробного происхождения.

2. Разработка лабораторных моделей получения энергоносителей с помощью микроорганизмов.
В это направление входит исследование образования газообразных энергоносителей из органических отходов, исследование процессов образования водорода из сингаза и газообразных промышленных отходов, а также разработка биоэлектрохимических систем для трансформации органических отходов и биомассы в электричество и водород.

Результаты:

В первый год выполнения проекта проведен метагеномный анализ микробных сообществ грязевых вулканов Таманского полуострова и установлено, что основными группами микроорганизмов там являются сульфатредуцирующие бактерии и археи, осуществляющие анаэробное окисление метана, причем обнаруженная нами группа ANME-3 в наземных местообитаниях в качестве основного члена сообщества встречается впервые. Также проанализированы полученные ранее метагеномы микробных сообществ горячих источников Тувы и Камчатки и выявлено большое разнообразие бактерий, в том числе целевых групп, детектированных по ключевым функциональным генам искомых процессов. Получены устойчивые микробные сообщества, обогащенные метаногенами, а также СО-трофами, образующими водород или этанол. Путем высокопроизводительного секвенирования генов 16S рРНК проанализированы электрогенные накопительные культуры из источников Камчатки, где обнаружены железоредуцирующие представители филума Firmicutes, а также бактерии рода Sulfurhydrogenibium (филум Aquificeae).

Из горячего источника Солнечный (Камчатка), путем непрерывного культивирования в 3-л ферментере на минеральной среде в анаэробных условиях и в присутствии минерала сидерита (FeCO3), получена культура анаэробных бактерий рода Thermoanaerothrix, анаэробно окисляющих сидерит с образованием ацетата из СО2. Способность к анаэробному использованию сидерита выявлена также у алкалофильной бактерии рода Fuchsiella. Таким образом, нам удалось впервые продемонстрировать использование анаэробными микроорганизмами энергии закисного железа, сопряженное с ацетогенезом. Возможно использование таких микроорганизмов в топливных элементах, а также культивирование совместно с метаногенами, которые будут использовать ацетат или непосредственно образующиеся при окислении железа электроны.

Способность к образованию водорода при анаэробном использовании разнообразных биополимеров, в том числе целлюлозы и крайне устойчивых к гидролизу кератинов птичьих перьев, была выявлена у термофильных бактерий родов Dictyoglomus, Melioribacter, Thermoanaerobacterium, Thermoanaerobacter, Caldanaerobacter. Повышенная температура, при которой протекает процесс, окупается его скоростью и устойчивостью к загрязнению системы посторонней микрофлорой. Проанализирован геном первого термофильного планктомицета Thermogutta terrifontis и выявлена его способность к образованию водорода из широкого спектра полисахаридов.

Для исследования возможных источников "молодой нефти" на Камчатке из пробы грунта с Нефтяной площадки (кальдера Узон) была выделен представитель термофильных архей Thermoplasma sp. Путем экстракции гексаном, а также в результате термолиза нерастворимой фракции при 330°С из биомассы этого микроорганизма получены н-алканы состава С10–С41 и изопренаны состава С11–С20, причем распределение тех и других соответствует таковому в слабопреобразованных нефтях.

Таким образом, все задачи первого года работы были выполнены.

Публикации:

1. Гордадзе Г.Н., Пошибаева А.Р., Гируц М.В., Перевалова А.А., Кошелев В.Н. (Gordadze G.N., Poshibaeva A.R., Giruts M.V., Perevalova A.A., Koshelev V.N.) Образование нефтяных углеводородов-биомаркеров из биомассы архей Thermoplasma sp. Нефтехимия (2018 г.)
2. Gracheva M.A., Chistyakova N.I., Antonova A.V., Rusakov V.S., Zhilina T.N., Zavarzina, D.G. Mössbauer study of iron minerals transformations by Fuchsiella ferrireducens. Hyperfine Interactions (2017 г.)
3. Elcheninov A.G., Menzel P., Gudbergsdottir S.R., Slesarev A.I., Kadnikov V.V., Krogh A., Bonch-Osmolovskaya E.A., Peng X., Kublanov I.V.  Sugar metabolism of the first thermophilic planctomycete Thermogutta terrifontis: comparative genomic and transcriptomic approaches. Frontiers in Microbiology (2017 г.)

Полное описание проекта и список публикаций смотрите на сайте РНФ - http://rscf.ru/prjcard_int?17-74-30025