Скрининг микроорганизмов-биосинтетиков органических кислот для обработки каолинов с целью улучшения их качества

АННОТАЦИЯ

Получены микроорганизмы, синтезирующие лимонную кислоту: Aspergillus niger шт.2 - 64 мг/мл и Aspergillus terreus шт.1 - 33 мг/мл. Составлена дешевая питательная среда на основе компонентов растительных отходов для культивирования силикатразрушающих микроорганизмов. Показана возможность использования данных микроорганизмов для обработки каолинов с целью повышения их качества.

ABSTRACT

Microorganisms synthesizing citric acid were obtained: Aspergillus niger 2 - 64 mg/ml and Aspergillus terreus 1 - 33 mg/ml. The cheap nutrient medium for cultivation of silicate destructing microorganisms was composed on basis of components of plants wastes. The possibility of use of these microorganisms for kaolins’ treatment to improve their quality was revealed.

Ключевые слова: микроорганизмы, лимонная кислота, биосинтез, каолин.

Keywords: microorganisms, citric acid, biosynthesis, kaolin.

Узбекистан располагает богатейшими залежами первичных и вторичных каолинов и занимает третье место среди стран СНГ после Украины и России [1]. Разведанные запасы каолина в республике сосредоточены на крупнейшем Ангренском комплексном месторождении, которое является единственным столь крупным месторождением в Центральной Азии [2,3]. В то же время, есть ряд причин сдерживающих комплексное использование глинистого сырья республики, к ним относится недостаточность фундаментальных исследований по улучшению его качества. Повысить характеристики глин и керамических масс позволяют как традиционные (механическое измельчение каолиновой породы и сепаратное разделение в вихревых гидромельницах (гидроциклонах) дезинтеграцию, электромагнитную сепарацию и др.,) так и новые методы воздействия, к которым можно отнести биотехнологические методы обработки каолинов [4]. Суть этих методов состоит в обработке каолинов культуральной жидкостью бактерий [5]. Такой нетрадиционный подход к решению вопросов обогащения каолинов представляет определенный интерес. Кроме всего прочего, он является приемлемым как в плане экологии, так и экономичности и успешно сочетает как обезжелезнение каолинов, так улучшение его белизны.

Работы по обезжелезнению каолинов имеют место в мировой практике [6] однако, применительно к местным каолинам до сих пор не разработана технология и проблема остается открытой.

В связи с вышесказанным, целью данной поиск микроорганизмов, активных продуцентов органических кислот с целью их использования для обезжелезнения и улучшения качества каолинов Ангренского месторождения.

Известно, что белизна каолинов зависит от многих показателей и, в том числе, от соотношения окислов железа и титана [7]. Так, при содержании в фарфоре 0,5% Fe₂O₃, она не влияет на цвет черепка при отсутствии TiO₂, который будучи бесцветным, влияет на окраску изделий только в присутствии оксида железа. Даже 1% TiO₂ в сочетании с 0,4 % Fe₂O₃ окрашивает фарфоровый черепок также интенсивно, как 0,7% Fe₂O₃ без TiO₂ [8]. Таким образом, проблема обезжелезнения каолинов тесно связана с содержанием в продукте окислов железа и титана, что учитывалось нами в проведении лабораторных опытов по отработке некоторых параметров выщелачивания.

Известно, что после обработки тионовыми железоокисляющими бактериями происходит образование на поверхности многих минералов довольно прочных пленок гидроокислов железа [9]. Оттирка от них возможна как за счет абразивного действия, так и в присутствие различных органических кислот или соляной кислоты, причем применение последней очень эффективно. Однако применение соляной кислоты требует значительных расходов (кислотоустойчивое оборудование и природоохранные мероприятия). В связи с этим применение  силикатных микроорганизмов, способных синтезировать органические кислоты, способствует эффективному растворению вторичных образований железа в виде выпавших гидроокислов железа после обработки ассоциацией железоокисляющих микроорганизмов [10].

В процессах деструкции силикатных и алюмосиликатных минералов участвуют представители различных физиологических групп микроорганизмов. Это и автотрофные микроорганизмы родов Acidithiobacillus и Thiobacillus. Среди гетеротрофных микроорганизмов активными в деструкции силикатных минералов являются представители микроскопических грибов, относящиеся к родам Aspergillus, Fuzarium, Mucor, Penicillium, Trichoderma. Как известно многие из этих микроорганизмов являются активными продуцентами минеральных и органических кислот, полисахаридов, а также активных комплексообразователей, что, очевидно, можно связать с активизацией процессов деструкции силикатных минералов в присутствии микроорганизмов и предположить косвенность механизма микробиологической деструкции минералов [4, 11]. Вместе с тем, из проведенных до настоящего времени исследований не ясно, как влияют условия культивирования на количество и состав этих метаболитов, имеющиеся данные разрознены и порой противоречивы. Задача наших исследований заключалась в установлении влияния условий культивирования на свойства культуральной жидкости, свидетельствующей о накоплении метаболитов.

Исходя из вышеизложенного, в коллекции лаборатории были отобраны различные штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к синтезу органических кислот. Данные микроорганизмы исследовались нами на способность синтезировать органические кислоты как на питательной среде, так и на среде с добавлением каолина (табл.1).

Исследуемые нами микроорганизмы обладали различной степенью активности в отношении синтеза лимонной кислоты. Наиболее активными оказались штаммы Aspergillus niger шт. 1 и шт.2, а также и Aspergillus terreus шт. 1 и шт. 2, которые были отобраны для следующих экспериментов.

Таблица 1.

Способность микроорганизмов к образованию органических кислот

Проведенные исследования по накоплению органических кислот в динамике установили, что максимальное его количество на элективной среде Чапека-Докса проявляется на 3-4 сутки культивирования и составляет 64 мг/мл для Aspergillus niger шт. 2 и 33 мг/мл для Aspergillus terreus шт. 1 (рис. 1).

1                                                                          2

Рисунок 1.Динамика накопления лимонной кислоты культурами Aspergillus niger (1) и Aspergillus terreus (2)

Одна из особенностей микроорганизмов - их необычайная зависимость от условий окружающей среды. Известно, что соотношение и количество компонентов питательной среды могут оказать большое влияние на рост бактерий и их способность к синтезу различных метаболитов, в частности органических кислот [6, 12]. Нами был предпринят поиск дешевых компонентов питательной среды для культивирования гетеротрофных микроорганизмов – различных растительных отходов и предлагается оригинальный подход для культивирования силикатразрушающих микроорганизмов с использованием растительных отходов.

В качестве растительных отходов нами были взяты отработанная биомасса высших водных растений и растительная масса кукурузы. Были приготовлены питательные среды на основе минеральной среды Мандельса с содержанием растительных отходов 2, 3 и 4%, на которых  культивировались отобранные нами микромицеты Aspergillus niger шт.2 и Aspergillus terreus шт.1.

Полученные результаты свидетельствуют, что максимальная активность проявляется при 3% растительной биомассы кукурузы и 3-4% отработанной биомассы высших водных растений (табл. 2,3).

Таблица 2.

Влияние содержания ВВР на накопление лимонной кислоты

Таблица 3.

Влияние содержания растительная биомасса кукурузы на накопление лимонной кислоты

Таким образом, проведенный скрининг микроорганизмов по способности синтезировать органические кислоты позволил отобрать микроорганизмы, обладающие высокой активностью синтеза лимонной кислоты - микроскопические грибы Aspergillus niger шт.2 и Aspergillus terreus шт.1. Данные микроорганизмы обладают высоким потенциалом для использования их в обработке каолинов с целью повышения их качества. Использование питательной среды на основе растительных отходов для культивирования данных микроорганизмов позволяет существенно удешевить процесс.

Список литературы:
1. Горбачев Б.Ф. Среднеазиатская каолиновая территория. // В кн. «Месторождения каолинов в СССР». – Москва. – Недра .- 1974 . – 248с.
2. Ситнова М. Обзор рынка каолина в СНГ // Ситнова М. – Доклад на семинаре № 24 симпозиума «Неделя горняка-2006» - «Инфомайн». - Москва. – 2007.
3. Гончаренко А.И. Каолиновые глины. // В кн. «Минерально-сырьевые ресурсы Узбекистана»; под ред. В. И. Попова, Х. Т. Туляганова. – Ташкент. – Фан. - 1977. ― Ч. 2. ― 271с.
4. Platova R.G., Platov Yu.T. Application of biotechnology for the ceramic industry. // «Глины и глинистые минералы». – Пущино. – 2006. - 106 с.
5. Лелеко А.И., Ахунов А.И., Куканова С.И. Биотехнология обогащения каолинов: проблемы и перспективы. // «Горный вестник Узбекистана». – 1998. - №1. - с.60-64.
6. Styriakova I., Styriak I., Nandakumar M.P., Mattiasson В. Bacterial destruction of mica during bioleaching of kaolin and quartz sand by Bacillus cereus // World J. Microbiol. and Biotechnol. – 2003. - V.19. - № 6. - P.583–590.
7. Платов Ю.Т., Платова Р.А. Способ отбеливания каолина. // (20.04.2016) Российская федерация. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности (19) - RU(11) - 2582164(13)C1.
8. Каравайко Г.И. Микробная деструкция силикатных минералов. // Труды Института микробиологии им. С.Н.Вернадского. - Вып.12. - Юбилейный сборник к 70-летию института. - М. - 2004.-с.172-196.
9. Наймарк Е.Б., Ерощев-Шак В.А., Чижикова Н. П., Компанцева Е.И. Взаимодействие глинистых минералов с микроорганизмами: обзор экспериментальных данных. // Журнал общей биологии. - Том 70. - № 2. – 2009. - с. 155-167.
10. Maurice P.A., Vierkorn M.A., Hersman L.E., Fulghum J.E., Ferryman A. Enhancement of kaolinite dissolution by an aerobic Pseudomonas mendocina bacterium // Geomicrobiol. J. - 2001. - V.18. - № 1. – Р.21–35.
11. Mera M.U., Beveridge T.J., Mechanism of silicate binding to the bacterial cell wall in Bacillus subtilis. // J. Bacteriol. - 1993. - V. 175. - № 7. - P. 1936–1945.
12. Tyriakov I., Tyriak I., Nandakumar M.P., Mattiasson B. Bacterial destruction of mica during bioleaching of kaolin and quartz sandsby Bacillus cereus. // World Journal of Microbiology and Biotechnology. – 2003. –V.19. -№ 6, Р. 583-590.