Биологи из ФИЦ Биотехнологии РАН изучили бактерии, найденные в реакторе для очистки городских сточных вод. Эти микроорганизмы адаптировались к жизни в кислой среде и приспособились перерабатывать богатые простыми сахарами органические отходы, выделяя водород. Найденная бактерия оказалась представительницей нового штамма вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum — SP-H2. О свойствах этой бактерии и о том, как можно использовать ее в производстве водородного топлива, биотехнологи рассказали в статье на страницах журнала International Journal of Hydrogen Energy. Исследование было проведено в рамках работы НЦМУ «Агротехнологии будущего».

В современной промышленности роль химических фабрик все чаще играют микроорганизмы, за миллионы лет эволюции приспособившиеся к переработке различных веществ и получению энергии буквально из воздуха, а нередко — не только без него, но и без света. Одну из разновидностей таких микроорганизмов и исследовали российские биотехнологи.
«По оценкам биологов, науке известно около 0,001% всех существующих видов микроорганизмов. Даже среди окружающих нас каждый день микроорганизмов большинство довольно трудно выращивать в лабораторных условиях, поэтому до сравнительно недавнего расцвета новых генетических методов мы ничего о них не знали. Исследование этой темы открывает неисчерпаемый кладезь ферментов и систем, которые позволяют получать самые разнообразные вещества и выполнять задачи для энергетики, фармацевтики, химии, сельского хозяйства и многих других областей. Одним из таких примеров стал новый штамм бактерии Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, получивший название SP-H2, который помог нам узнать много нового о получении водорода из органических соединений», — рассказывает соавтор научной работы, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН, к.б.н. Юрий Литти.
Биотехнологи обнаружили в сточных водах ДНК бактерии, которая разлагает строительные блоки углеводов и выделяет водород, а также этанол, ацетат и бутират. Чтобы разобраться, что это за микроорганизм, ученые провели анализ 16S rRNA. В этом участке последовательности ДНК закодирован кусочек рибосомы — структуры, занятой в клетке сборкой белка. Результаты показали, что бактерия относится к новому штамму вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum.
Исследование показало, что это теплолюбивый микроорганизм, который лучше всего себя чувствует и активно размножается при температуре 55–60 °C в слабощелочной среде с уровнем pH 7,5.
Ученые провели эксперименты, чтобы выяснить, из каких исходных веществ бактерии производят больше всего водорода. В «меню» Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 оказались сахара: гексозы, состоящие из шестичленных углеродных «колечек» (мальтоза, глюкоза, манноза, фруктоза, лактоза, галактоза, сахароза, рафиноза и целлобиоза) и пентозы на основе колец из пяти атомов углерода (ксилоза и арабиноза). Также биотехнологи проверили, насколько хорошо бактерии чувствуют себя в богатых органикой жидких отходах предприятий: творожной сыворотке, стоках кондитерской фабрики и воде, оставшейся от свекловичного жома. Самый большой выход водорода дала мальтоза, чуть меньше — лактоза и целлобиоза. Из стоков предприятий лучшими вариантами оказались сыворотка и отходы кондитерского производства.
«До сих пор низкий выход конечного продукта остается проблемой для так называемой темновой ферментации. В среднем этот показатель достигает 1-2 моль на моль глюкозы. При этом часть органики в самых благоприятных условиях останется в растворе и избежит переработки. Кроме того, в процессе реакции накапливаются кислые побочные продукты, которые могут резко снизить уровень pH, что тоже может не понравиться бактериям. В нашей работе мы достигли выхода 1,91 моль водорода на моль глюкозы, а реакцией с самой высокой скоростью оказалось разложение ксилозы. Бактерии, переработавшие отходы фабрик, оказались предпочтительнее обычных городских сточных вод. Наши данные показывают, что Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 можно считать перспективным штаммом для получения водорода из сточных вод, которому не мешают другие микроорганизмы, живущие в них. Найдя способ увеличить выход конечного продукта, можно научиться производить водородное топливо при помощи биотехнологий в промышленных масштабах», — комментирует Юрий Литти.