CC BY
15
ВЕСТНИК ПНИПУ
2023 Химическая технология и биотехнология № 2
DOI: 10.15593/2224-9400/2023.2.07 Научная статья
УДК [663.14.039.32:663.14.031.234]: [576.382.3+663.12+574.36+636.087.24]
Н.С. Евдокимов, А.А. Каленчук, В.В. Даньшина
Омский государственный технический университет, Омск, Россия
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЛАССЫ НА МОРФОМЕТРИЮ КЛЕТОК ДРОЖЖЕЙ, ВЫХОД БИОМАССЫ И СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ СПИРТОВОЙ БАРДЫ
Для снижения экологической нагрузки на окружающую среду необходимо перерабатывать промышленную спиртовую барду. В связи с этим актуальными являются исследования по разработке оптимальных параметров питательной среды для утилизации барды. Цель работы - исследовать влияние концентрации углеродсодержа-щего субстрата в барде на морфометрические характеристики клеток, трансмембранные процессы и снижение экологической нагрузки при утилизации барды.
Спиртовая барда утилизировалась дрожжами Candida tropicalis J-123-КБП Y-4772, а образовавшаяся биомасса использовалась в качестве источника корма для животных. Дрожжи культивировали в питательных средах, отличающихся только концентрацией углеродсодержащего субстрата - мелассы.
Рост биомассы дрожжей определялся гравиметрическим методом. Морфометрические параметры клеток дрожжей контролировались методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Количественно определены основные параметры клеток дрожжей. Проведен анализ рельефа поверхности клеток. Обнаружено, что с увеличением концентрации мелассы в субстрате уменьшается шероховатость поверхности клеток, возрастает средний диаметр клеток, однако средняя высота клеток почти не изменяется.
Скорость диффузии через клеточную стенку оценивалась по соотношению площади к объему поверхности клеток дрожжей (S/V), рассчитанное с помощью анализа АСМ-изображений. Впервые показано, что зависимости S/Vи выхода биомассы от концентрации мелассы в питательной среде согласуются между собой.
Избирательная проницаемость клеточной стенки дрожжей обусловливает изменение скорости транспорта сахаров из питательной среды на основе фугата барды в зависимости от концентрации углеродсодержащего субстрата. Механизмами регуляции является репрессия ß-D-фруктофуранозидазы в периплазматическом пространстве клетки глюкозой и вовлечение всех пермеаз в процесс активного транспорта. Результатом эффективного транспорта сахаров и их усвоения дрожжами в условиях проведенного эксперимента является максимум образующейся биомассы, что наблюдается при концентрации мелассы 5 %.
Степень очистки спиртовой барды увеличилась в 5,2 раза после культивирования на ней дрожжей C. tropicalis в среде с концентрацией мелассы 2 %. В соответствии с полученными результатами для снижения экологической нагрузки спиртовой барды могут быть рекомендованы питательные среды, с концентрацией мелассы 2-5 %.
Ключевые слова: концентрация мелассы, Candida tropicalis, выход биомассы, атомно-силовая микроскопия, морфометрические характеристики клеток, скорость диффузии, утилизация барды.
111
N.S. Evdokimov, A.А. Kalenchuk, V.V. Dan'shina
Omsk state technical university, Omsk, Russian Federation
THE EFFECT OF THE MOLASSES CONCENTRATION ON THE MORPHOMETRY OF YEAST CELLS, BIOMASS YIELD AND DISTILLERY STILLAGE PURIFICATION
It is necessary to recycle distillery stillage to reduce the environmental impact. Therefore, studies on the development of proper parameters of the nutrient medium for the distillery stillage utilization are relevant. The purpose of the work is to study the influence of the carbon-containing substrate in the stillage on the yeast cells morphometric characteristics, transmembrane processes and the reduction of environmental load during the stillage utilization.
The distillery stillage was treated by Candida tropicalis J-123-KBP Y-4772 yeast strain, and the resulting biomass was used for feed. Yeast was cultivated in medias with the only varying parameter - molasses as a carbon-containing substrate concentration.
The growth of the yeast biomass was determined by the gravimetric method. The mor-phometric parameters of yeast cells were monitored by atomic force microscopy (AFM). The main parameters of yeast cells were quantified. The relief of the cell surface was analyzed. It was found that an increase of the molasses concentration in the substrate decreases the roughness of the cell surface and the average cell diameter, but the average cell height remains almost unchanged.
The rate of diffusion through the cell wall was estimated by the area-to-volume ratio of the yeast cell surface (S/V) calculated using AFM image analysis. It was discovered, and shown for the first time that the area-to-volume ratio (S/V) and yeast biomass yield dependences on the concentration of molasses in the nutrient medium have a correlation with each other.
The selective permeability of the yeast cell wall changes the rate of sugars transport from the nutrient medium based on distillary stillage fugate, depending on the concentration of the carbon-containing substrate. The mechanisms of this regulation are the glucose repression of в-D-fructofuranosidase in the periplasmic space of the cell wall andavailable permeases involvement in the process of active transport. The result of the sugars effective transport and its assimilation by yeast under the experiment conditions was the maximum of the resulting biomass at a molasses concentration of 5%.
The distillery stillage purification increased 5.2 times due to C. tropicalis cultivation in a medium with 2% of molasses added. In accordance with the results obtained, nutrient media with a molasses concentration of 2-5 % can be recommended in order to reduce the environmental harm of distillery stillage.
Keywords: molasses concentration, Candida tropicalis, biomass yield, atomic force microscopy (AFM), cell morphometric characteristics, diffusion rate, distillery stillage recycleing.
Барда, производимая промышленностью спиртового производства в больших количествах, может оказать негативное воздействие на экологию, особенно при прямом сбросе в окружающую среду. Помимо содержания минеральных компонентов, барда очень богата органическими веществами, имеет низкий pH, обладает высокой коррозионной активностью [1, 2].
112
Неправильная утилизация спиртовых отходов может привести к серьезному ухудшению состояния окружающей среды. Следовательно, необходимы эффективные стратегии переработки и утилизации барды [3].
Одним из выгодных способов обработки является биоэкономический подход для переработки барды с помощью культуры кормовых дрожжей [4] и использования образовавшейся биомассы в качестве источника корма для животных [5]. Такой подход позволит не только свести к минимуму негативные воздействия на окружающую среду, но и получить дополнительный источник дохода.
Использование дрожжей Candida tropicalis в качестве источника для производства дрожжевой биомассы демонстрирует потенциал, близкий к штаммам, используемым в промышленных процессах [6].
Но поскольку зерновая барда как субстрат для культивирования дрожжей является неполноценной питательной средой, то ее обогащают редуцирующими веществами и комплексными компонентами в качестве источника дополнительного питания: глюкозой, фруктозой, араби-нозой, ксилозой, пшеничными отрубями [7], свекловичным жомом, мелассой, дробленой соломой, ячменной дертью и др. [8].
Рост биомассы дрожжей при утилизации спиртовой барды можно проконтролировать методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). АСМ обеспечивает возможности визуализации с наноразмерным разрешением и позволяет оценить морфологические и биологические параметры клеток: диаметр, высоту, толщину, объем, площадь поверхности клеток [9-11], скорость диффузии через клеточную мембрану лейкоцитов [12] и эритроцитов [13]; значения шероховатости клеточной поверхности на бактериях [14, 15], микроводорослях [16] и поверхности вирусов [17].
Оценить степень очистки спиртовой барды возможно по значению показателя биологического потребления кислорода (БПК). Эта величина показывает количество кислорода, которое потребуется на разложение барды. В работе [18] показано, что «процесс выращивания кормовых дрожжей на послеспиртовой барде позволяет снизить БПК» почти в 3 раза.
Цель работы состоит в исследовании влияния концентрации угле-родсодержащего субстрата в барде на морфометрические характеристики клеток, трансмембранные процессы и снижение экологической нагрузки при утилизации барды.
Экспериментальная часть. Объектом исследования выбран штамм дрожжей Candida tropicalis J-123-КБП Y-4772, предоставленный всероссийской коллекцией микроорганизмов Федерального исследовательского центра «Пущинского научного центра биологических исследований Российской академии наук». Штамм выделен в Мексике, штат
113
Юкатан, парк Шкарет, мангровые почвы. Для накопления биомассы дрожжей Candida tropicalis использовалась питательная среда №2 ГРМ Сабуро по ТУ 9398-002-78095326-2006. Посев дрожжей на плотную питательную среду Сабуро осуществляли в стерильном боксе по схеме посева истощающим штрихом. Чашки Петри с дрожжевыми культурами помещали в термостат. Культивирование дрожжей проводилась при температуре 27 °С в течение 5 сут.
В качестве субстрата для культивирования дрожжей использовалась спиртовая барда производства спирта АО «ЕРОФЕЕВ», Новосибирская область, г. Куйбышев. Спиртовую барду центрифугировали для удаления взвешенных частиц на лабораторной центрифуге CM-6M. В каждую пробирку наливали по 50 мл барды и центрифугировали в течение 5 мин при 2000 об/мин. В фугат, полученный центрифугированием, добавлялась меласса, которая представляет собой отход сахарного производства, и соли для обеспечения дрожжей питательными веществами [19]. Культивировали дрожжи в пяти питательных средах, отличающихся только концентрацией углеродсодержащего субстрата. Концентрация добавленной мелассы в фугате варьировалась в диапазоне 2-8 % [20].
Полученный фугат с добавлением солей и мелассы стерилизовали в автоклаве в течение 45 мин. После охлаждения до 35-45 °С вносили суспензию дрожжей. Культивирование происходило на лабораторном шейкере в течение 72 ч с частотой вращения 137 об/мин, при температуре 20-23 °С.
По истечении 72 ч культуры сравнивались по удалению загрязняющих веществ, по количеству образовавшейся биомассы, по морфологическим параметрам клеток дрожжей.
Выход биомассы — как отношение вновь синтезированного вещества растущих клеток к количеству потребленного субстрата - рассчитывался на основе значений массовой доли сухих веществ от массы культу-ральной жидкости. Массовая доля сухих веществ в осадке биомассы измерялась гравиметрическим методом. Определение содержания растворимых сухих веществ проводилось рефрактометрическим методом [21].
Для оценки удаления загрязняющих веществ в барде измерялось биологическое потребление кислорода. Биологическое потребление кислорода (БПК) определялось объемным йодометрическим методом, основанным на способности соединений марганца (II) количественно связывать кислород в щелочной среде [22].
Морфометрические параметры культур измерялись методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе NTEGRA Prima с кремниевым кантилевером HA_FM серии
114
ETALON полуконтактным методом при температуре воздуха 22,9 °С и относительной влажности 66 %. В качестве подложки использовалось предметное стекло. Иммобилизация культуры проводилась термическим способом с последующим промыванием дистиллированной водой. После чего препараты высушивались при комнатной температуре.
Последующая обработка полученных изображений проводилось в программном обеспечении (ПО) «Gwyddion». С помощью функции «статистические величины» получено значение средней шероховатости поверхности, площадь поверхности, площадь проекции и объем. В связи с особенностями формы клеток измерялись наибольшие диаметры, высота клеток. Обработка результатов экспериментов проводилась с помощью пакета программ Microsoft Excel 2007. Используя параметрический ¿-критерий Стьюдента, достоверными считали различия при вероятности ошибки р < 0,05.
Результаты и их обсуждение. Морфология поверхности дрожжей, выращенных на барде с 2%-ной концентрацией мелассы, представляет собой клетки эллипсоидной формы визуально различных размеров. Рельеф имеет явные перепады высот. Вокруг клеток находится значительное количество единичных структур меньшего размера, являющимися остатками субстрата (рис. 1).
а б
Рис. 1. АСМ-изображения поверхности клеток дрожжей (2 % мелассы): а - микрорельеф поверхности, б - увеличенное изображение области, расположенной в квадрате
Клетки, выращенные на питательной среде с содержанием мелассы 5 %, сконцентрированы в одной области. Внутри области границы клеток четкие, клетки эллипсоидной формы имеют выпуклую, гладкую поверхность. По всей площади изображения вокруг клеток видны единичные структуры, являющиеся остатками субстрата (рис. 2).
115
а б
Рис. 2. АСМ-изображения поверхности клеток дрожжей (5 % мелассы): а - микрорельеф поверхности, б - увеличенное изображение области, расположенной в квадрате
Поверхность дрожжей, выращенных на барде с концентрацией мелассы 6,5 %, представляет собой агломерат клеток. Клетки дрожжей эллипсоидной формы, у большинства клеток выпуклая поверхность. Присутствуют единичные впадины - рубцы, оставшиеся после почкования (рис. 3).
На рис. 1-3 на поверхности клеток присутствуют рубцы, оставшиеся после почкования, подобную картину наблюдали авторы работы [19].
а б
Рис. 3. АСМ-изображения поверхности клеток дрожжей (6,5 % мелассы): а - микрорельеф поверхности; б - увеличенное изображение области, расположенной в квадрате
Поверхность дрожжей, выращенных на барде с концентрацией мелассы 8 %, представляет собой небольшое скопление слипшихся клеток. Внутри области скопления границы клеток размытые, поверхность без видимых рубцов (рис. 4).
116
Морфометрические параметры клеток дрожжей измерены на АСМ-изображениях в программном обеспечении «Gwyddюn» для каждой концентрации на 3 образцах, в разных местах для расчета погрешности измерений.
Рис. 4. АСМ-изображение поверхности клеток дрожжей (8 % мелассы)
Клетки имеют эллипсоидную форму, поэтому измерялись наибольшие диаметры. Шероховатость рассчитывалась как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля от средней линии.
В таблице представлены средний наибольший диаметр клеток (d), средняя высота клеток (h), локальная шероховатость поверхности клеток (Ra).
Морфометрические параметры клеток дрожжей Candida Tropicalis J-123-КБП Y-4772
Концентрация
мелассы в питательной d, мкм h, мкм Ra, нм
среде, %
2 3,37±0,27 1,5±0,60 321,90
5 3,59±0,32 1,54±0,24 295,60
6,5 3,73±0,39 1,4±0,90 257,40
8 4,11±0,38 1,5±1,00 192,20
С увеличением концентрации углеродсодержащего субстрата в барде значение среднего диаметра клеток возрастает на 18 %. Но при этом значение высоты клеток с увеличением концентрации мелассы остается одинаковым. Определить зависимость высоты клеток от концентрации мелассы не позволяет погрешность измерений, рассчитанная в ПО «Gwyddion».
117
Шероховатость поверхности уменьшается при увеличении концентрации мелассы, что свидетельствует о сглаживании рельефа поверхности клеток дрожжей. При малых концентрациях мелассы клетки активно размножаются, значение шероховатости больше за счет рубцов на поверхности и разных размеров клеток. При высоких концентрациях мелассы клетки перестают почковаться и только увеличиваются в диаметре.
Важной характеристикой поверхности клеток является скорость диффузии через клеточную стенку. Для оценки скорости диффузии определялось соотношение площади к объему [13].
Для вычисления отношения площади к объему рассчитывались площадь поверхности, площадь проекции и объем клеток из АСМ-изоб-ражений:
S площадь поверхности клеток + площадь проекции клеток V объем клеток
Зависимость соотношения площади к объему (S/V) коррелирует с зависимостью выхода биомассы от концентрации мелассы в питательной среде (рис. 5).
'Выход биомассы
Рис. 5. Зависимость параметров от концентрации мелассы в субстрате
118
С увеличением концентрации мелассы в среде на основе барды пропорционально увеличивается количество сахаров. Известно, что сахара, являющиеся углеродным субстратом, ассимилируются дрожжами рода Candida [23, 24]. Наличие максимума выхода биомассы (см. рис. 5) показывает, что в области значений концентрации мелассы от 2 до 5 % сахара усваиваются дрожжами полностью.
Клеточная стенка дрожжей является динамичной, многофункциональной и физиологически активной органеллой, которая реализует полный комплекс взаимодействий микроорганизма с окружающей средой. Масса клеточной стенки дрожжей может достигать 25 % массы клетки. Основным элементом дрожжевой стенки, ответственным за поддержание ее прочности, является Р-глюкан. Макромолекулярную организацию клеточной стенки поддерживают белки, ковалентно связанные с полисахаридами [25]. Важнейшим свойством клеточной стенки дрожжей является избирательная проницаемость по отношению к растворенным в питательной среде молекулам. Молекулы сахаров избирательно транспортируются в клетки дрожжей.
В процессе транспорта сахаров из жидкой питательной среды на основе барды внутрь дрожжевой клетки моно-, ди- и трисахариды проникают через клеточную стенку посредством диффузии. Затем происходит гидролиз сахарозы P-D-фруктофуранозидазой (EC 3.2.1.26, инвер-таза) [26]. Известно, что перенос образующихся в результате гидролиза глюкозы и фруктозы через цитоплазматическую мембрану внутрь клетки осуществляется набором транспортных белков - пермеаз, локализованных в цитоплазматической мембране. Каждый белок обладает различными регуляторными и транспортно-кинетическими свойствами, экспрессия синтеза этих белков зависит от фазы роста культуры дрожжей [27, 28].
Достижение максимальной скорости (насыщение) переноса в процессе активного транспорта объясняется тем, что при максимальной скорости в перенос оказываются вовлеченными все молекулы пермеаз. Чем выше проницаемость клеточной стенки, тем больше клетка потребляет веществ из питательной среды и больше выход биомассы. Результатом эффективного транспорта сахаров и их усвоения дрожжами в условиях проведенного эксперимента является максимум образующейся биомассы, что наблюдается при концентрации мелассы 5 %. Последующее увеличение концентрации мелассы в питательной среде на основе фугата барды от 5 до 8 % приводит, во-первых, к репрессии
119
ß-D-фруктофуранозидазы, во-вторых, к вовлечению всех возможных пермеаз в процесс транспорта, что в совокупности ограничивает транспорт сахаров внутрь дрожжевых клеток. Таким образом, повышение концентрации мелассы в питательной среде на основе фугата барды выше 5 % не приводит к дальнейшему росту количества биомассы. В этих условиях усиливается гиперосмотический стресс клеток [30]. В нашем случае в результате адаптации к испытанному стрессу и динамического восстановления цитоскелета клетки увеличиваются в диаметре (см. таблицу), приобретают округлую форму, поверхность становится более гладкой (см. рис. 4).
Аналогичные механизмы ответа на осмотический стресс, регулирующие объем клетки, показаны в работах [29, 30].
Несмотря на отсутствие в научно-технической литературе подробных исследований, вероятно, что размер и форма инвагинаций клеточной стенки изменяются при осмотическом шоке. Динамическое восстановление формы клеточной стенки исследователи связывают с чувствительностью ее актиновой сети, что в целом позволяет рассматривать актиновый цитоскелет дрожжевой клетки как осмосенсор [31].
Биологическое потребление кислорода в исходной барде составляло 29 600 мг/дм3. После культивирования дрожжей Candida tropicalis на питательной среде с добавлением мелассы 2 % показатель биологического потребления кислорода барды уменьшился в 5,2 раза до 5728 мг/дм3. Но при увеличении концентрации мелассы в питательной среде биологическое потребление кислорода возрастало пропорционально концентрации мелассы. Обработка барды с концентрацией мелассы 2 % дрожжами показала наилучший результат по снижению экологической нагрузки.
Таким образом, определены основные морфометрические параметры клеток, а также одна из важнейших функциональных характеристик клеток - скорость трансмембранного транспорта сахаров углеводов через клеточную стенку дрожжей как отношение клеточной площади к объему (S/V).
Впервые установлена взаимосвязь между зависимостью соотношения площади к объему и зависимостью выхода биомассы от концентрации мелассы в питательной среде. Измерение параметра (S/V) позволяет диагностировать состояние дрожжевой клетки и оценить потенциал ее развития в питательной среде.
Наиболее высокий выход биомассы наблюдается при культивировании Candida Tropicalis в спиртовой барде с концентрацией мелассы 2-5 %.
Культивирование дрожжей Candida tropicalis J-123-КБП Y-4772 на спиртовой барде значительно снижает показатель биологического потребления кислорода при добавлении 2 % мелассы. Поэтому при
120
решении задачи снижения экологической нагрузки барды могут быть рекомендованы питательные среды, с концентрацией мелассы 2-5 %, так как они предусматривают внесение минимального и достаточного количества дополнительных источников углеводного питания.
Список литературы
1. Fuess L.T., Garcia M.L. Implications of stillage land disposal: a critical review on the impacts of fertigation // Journal of Environmental Management. -2014. - Vol. 145. - Р. 210-229. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.07.003.
2. Gebreeyessus G.D., Sreekrishnan T.R., Mekonnen A., Chebude Y., Ale-mayehu E. Efficient anaerobic digestion of a mild wet air pretreated molasses ethanol distillery stillage: A comparative approach // Heliyon. - 2020. - Vol. 6, iss. 11. -Р. 1-9. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.
3. Барда спиртовая как субстрат для микробиологической переработки / Н.С. Евдокимов, Ю.В. Самарская, А.С. Абдрахманова, Ю.В. Агаева // Безопасность городской среды: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. Е.Ю. Тюменцевой; Ом. гос. техн. ун-т. - Омск, 2019. - С. 207-210.
4. Чиркова А.И., Литвинов П.В. Использование дрожжей для переработки спиртовой барды // Молодой ученый. - 2018. - № 20 (206). - С. 210-213. -URL: https://moluch.ru/archive/206/50552/ (дата обращения: 22.12.2022).
5. Sugarcane vinasse: Environmental implications of its use / C.A. Christo-foletti, J.P. Escher, J.E. Correia, J.F.U. Marinho, C.S. Fontanetti // Waste Management. - 2013. - № 33(12). - P. 2752-2761. DOI: 10.1016/j.wasman.2013.09.005.
6. Magalhaes C.E.B., Souza-Neto M.S., Astolfi-Filho S. Candida tropicalis able to produce yeast single cell protein using sugarcane bagasse hemicellulosic hy-drolysate as carbon source // Biotechnology Research and Innovation. - 2018. -№ 2. - I. 1. - P. 19-21. DOI: 10.1016/j.biori.2018.08.002
7. Пат. 2159287 Рос. Федерация, МПК7 C 12 P 21/00, A 23 K 1/06. Получение пептидов или протеинов из отходов спиртового и пивоваренного производства / Винаров А.Ю., Заикина А.И., Захарычев А.П., Зобнина В.П., Сидоренко Т. Е., Ковальский Ю.В., Рогачева Р.А., Зорина Л.В.; заявитель и патентообладатель ГУП «Гос. научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ». - № 2000107993/13; заявл. 03.04.00; опубл. 20.11.00. - 4 с.
8. Прикладная экобиотехнология: в 2 т. - Т. 2. / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Гра-дова, С.В. Лушников, М. Энгельхарт, Т. Вайссер, М.В. Чеботаева. - М.: БИНОМ, 2015. - 629 с.
9. Uncovering by Atomic Force Microscopy of an original circular structure at the yeast cell surface in response to heat shock / F. Pillet, S. Lemonier, M. Schia-vone, C. Formosa, H. Martin-Yken, J. Francois, E. Dague // BMC Biology. - 2014. -№ 12(1). DOI: 10.1186/1741-7007-12-6
121
10. Mine I., Sekida S. Fibrous matrix component of cell wall in the giant-celled green alga Valonia utricularis observed by atomic force microscopy in liquid // Protoplasma. - 2018. - № 255. - P. 1575-1579. DOI: 10.1007/s00709-018-1251-z
11. Neethirajan S., DiCicco M. Atomic force microscopy study of the antibacterial effect of fosfomycin on methicillin-resistant Staphylococcus pseudintermedius // Applied Nanoscience. - 2014. - № 4. - P. 703-709. DOI: 10.1007/s13204-013-0256-3
12. Morphometric characteristics of neutrophils stimulated by adhesion and hypochlorite / T. Kuznetsova, T. Kulahava, I. Zholnerevich, N. Amaegberi, G. Se-menkova, O. Shadyro, J. Arnhold // Molecular Immunology. - 2017. - № 87. -P. 317-324. DOI: 10.1016/j.molimm.2017.05.007
13. Changes in the Architectonics and Morphometric Characteristics of Erythrocytes under the Influence of Magnetite Nanoparticles / S.N. Pleskova, E.E. Gor-nostaeva, R.N. Kryukov, A.V. Boryakov, S.Y. Zubkov // Cell and Tissue Biology. -2018. - № 12. - P. 127-134. DOI: 10.1134/S1990519X18020086
14. Study of nanomechanical properties of biological membranes using atomic force microscopy / N.I. Potaturkina-Nesterova, M.N. Artamonova, B.B. Kostishko, E.S. Pchelintseva, A.S. Nesterov // Nanotechnologies in Russia. -2015. - № 10. - P. 636-639. DOI: 10.1134/S1995078015040163
15. Probing the surface ultrastructure of Brevibacillus laterosporus using atomic force microscopy / K. Alzahrani, A.K. Shukla, J. Alam, A.A. Niazy, A.M. Alsouwaileh, M. Alhoshan, H.S. Alghamadi // Micron. - 2020. - № 131. DOI: 10.1016/j .micron.2020.102827
16. Demir-Yilmaz I., Yakovenko N., Roux C. The role of microplastics in microalgae cells aggregation: A study at the molecular scale using atomic force microscopy // Science of The Total Environment. - 2022. - Vol. 832. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.155036
17. AFM membrane roughness as a probe to identify oxidative stress-induced cellular apoptosis / D.-C. Wang, K.-Y. Chen, C.-H. Tsai, G.-Y. Chen, C.-H. Chen // Journal of Biomechanics. - 2011. - № 44(16). - P. 2790-2794. DOI: 10.1016/-j.jbiomech.2011.08.021
18. Кормовые дрожжи. Технологическая схема производства. - URL: http://www.sergey-osetrov.narod.ru/Projects/DDGS/Production_stern_yeast.htm (дата обращения: 21.12.2022).
19. Protein feedstuff production based on microbial biomass / I.M. Abramova, A.O. Soloviev, M.V. Turshatov, V.A. Krivchenko, V.V. Kononenko // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2020. - Vol. 548, Article number: 082080. - Р. 1-6. DOI: 10.1088/1755-1315/548/8/082080
20. Чистяков В.П., Алексеева Е.И. Рефрактометрический метод анализа растворов // Научно-инновационные технологии как фактор устойчивого развития агропромышленного комплекса: сб. ст. по материалам Всерос. (национальной) науч.-практ. конф. / под ред. И.Н. Миколайчика; Курган. гос. сель-скохоз. акад. им. Т.С. Мальцева. - Курган, 2020. - С. 522-525.
21. Uncovering by Atomic Force Microscopy of an original circular structure at the yeast cell surface in response to heat shock / F. Pillet, S. Lemonier, M. Schiavone,
122
C. Formosa, H. Martin-Yken, J. Francois, E. Dague // BMC Biology. - 2014. -№ 12(1). DOI: 10.1186/1741-7007-12-6
22. ГОСТ Р 52304-2005. Меласса свекловичная. Технические условия п. 7.7.6.1 / ГУ ВНИИПАКК, ГУ РНИИСП. - Введ. 2005-11-01. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - 20 с.
23. Фоменко И.А., Мижева А.А. Скрининг дрожжевых культур как потенциальных продуцентов полноценного белка на отходах масличного производства // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2021. -Т. 10, №4 (56). - С. 132-137. DOI: 10.46548/21vek-2021-1056-0027
24. The effect of thyme and tea tree oils on morphology and metabolism of Candida albicans / K. Rajkowska, A. Kunicka-Styczynska, M. Maroszynska, M. D^browska // Acta biochimica polonica. - 2014. - Vol. 61, № 2. - P. 305-310.
25. Калебина Т.С., Кулаев И.С. Роль белков в формировании молекулярной структуры клеточной стенки дрожжей // Успехи биологической химии. -2001. - Т. 41. - С. 105-130.
26. Effects of chemical modification by chitooligosaccharide on enzyme activity and stability of yeast P-d-fructofuranosidase. ChunyiLi // Enzyme and Microbial Technology. - 2014. - Vol. 64-65. - P. 24-32. DOI: 10.1016/-j.enzmictec.2014.06.005
27. Oliva Hernández A.A., Taillandier P, Reséndez Pérez D. The effect of hexose ratios on metabolite production in Saccharomyces cerevisiae strains obtained from the spontaneous fermentation of mezcal // Antonie van Leeuwenhoek. - 2013. -No. 103. - Р. 833-843. DOI: 10.1007/s10482-012-9865-1
28. BradleyW. Greatrix, Hennie J.J. van Vuuren Expressionofthe HXT13, HXT15 and HXT17 genesin Saccharomyces cerevisiae andstabilizationofthe HXT1 genetranscriptbysugar-induced osmoticstress // Current Genetics. - 2006. - Vol. 49. -P. 205-217. doi: 10.1007/s00294-005-0046-x
29. The yeast osmostress response is carbon source dependent / R. Babazadeh, P.J. Lahtvee, C.B. Adiels, М. Goksor, J.B. Nielsen, S. Hohmann // Scientific Reports. - 2017. - No. 7. - Article number: 990. DOI: 10.1038/s41598-017-01141-4.
30. Chowdhury S., Smith K.W., Gustin M.C. Osmotic stress and the yeast cytoskeleton: phenotypic-specific suppression of an actin mutation // Journal of Cell Biology. - 1992. - Vol. 118. - Р. 561-571. DOI: 10.1083/jcb.118.3.561
31. Hohmann S. Osmotic Stress Signaling and Osmoadaptation in Yeasts // Microbiologyand molecular biology reviews. - 2002. - Vol. 66, no. 2. - Р. 300-372. DOI: 10.1128/MMBR.66.2.300-372.2002
References
1. Fuess L.T., Garcia M.L. Implications of stillage land disposal: a critical review on the impacts of fertigation. Journal of Environmental Management, 2014, vol. 145, p. 210-229. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.07.003
123
2. Gebreeyessus G.D., Sreekrishnan T.R., Mekonnen A., Chebude Y., Ale-mayehu E. Efficient anaerobic digestion of a mild wet air pretreated molasses etha-nol distillery stillage: A comparative approach. Heliyon, 2020, vol. 6, i. 11, p. 1-9. DOI: 10.1016/j .heliyon.2020
3. Evdokimov N.S., Samarskaja Ju.V., Abdrahmanova A.S., Agaeva Ju.V. Barda spirtovaja kak substrat dlja mikrobiologicheskoj pererabotki [Distillary Stillage as a substrate for microbiological processing] Bezopasnost' gorodskoj sredy: Materialy VI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Omsk, 21-23 nojabrja 2018 goda [Safety of the urban environment: Proceedings of the VI international scientific and practical conference, Omsk, November 21-23, 2018] Pod ob-shh. red. E.Ju. Tjumencevoj. - Omsk: Omskij gosudarstvennyj tehnicheskij univer-sitet. 2019, pp. 207-210. (In Russian)
4. Chirkova A.I., Litvinov P.V. Ispol'zovanie drozhzhej dlja pererabotki spir-tovoj bardy [The use of yeast for the processing of distillery stillage]. Molodoj uchenyj, [Young scientist] 2018, no. 20 (206), pp. 210-213. Available at: https://moluch.ru/archive/206/50552/ (accessed 22 December 2022). (In Russian)
5. Christofoletti C.A., Escher J.P., Correia J.E., Marinho J.F.U., Fontanetti C.S. Sugarcane vinasse: Environmental implications of its use [английский перевод]. Waste Management, 2013, no. 33(12), pp. 2752-2761. DOI: 10.1016/j.wasman.2013.09.005
6. Magalhaes C. E. B., Souza-Neto M. S., Astolfi-Filho S. Candida tropicalis able to produce yeast single cell protein using sugarcane bagasse hemicellulosic hy-drolysate as carbon source [английский перевод]. Biotechnology Research and Innovation, 2018, no. 2, i. 1, pp. 19 -21. DOI: 10.1016/j.biori.2018.08.002
7. Vinarov A.Ju., e.a. Poluchenie peptidov ili proteinov iz othodov spirtovogo i pivovarennogo proizvodstva [Obtaining peptides or proteins from the waste of alcohol and brewing production] Patent RF, no. 2159287, 2000.Pat. 2159287 Ros-sijskaja Federacija, MPK7 C 12 P 21/00, A 23 K 1/06. Poluchenie peptidov ili proteinov iz othodov spirtovogo i pivovarennogo proizvodstva / Vinarov A.Ju., Zaikina A.I., Zaharychev A.P., Zobnina V.P., Sidorenko T. E., Koval'skij Ju.V., Rogacheva R.A., Zorina L.V.; zajavitel' i patentoobladatel' GUP «Gos. nauchno-is-sledovatel'skij institut biosinteza belkovyh veshhestv» № 2000107993/13; zajavl. 03.04.00; opubl. 20.11.00. 4 p.
8. Kuznecov A.E., Gradova N.B., Lushnikov S.V., Jengel'hart M., Vajsser T., Chebotaeva M.V. Prikladnaja jekobiotehnologija [Applied ecobiotechnology], vol. 2 Moscow, BINOM, 2015. 629 p.
9. Pillet F., Lemonier S., Schiavone M., Formosa C., Martin-Yken H., Francois J., Dague E. Uncovering by Atomic Force Microscopy of an original circular structure at the yeast cell surface in response to heat shock. BMC Biology, 2014, no. 12(1). DOI: 10.1186/1741-7007-12-6
124
10. Mine I., Sekida S. Fibrous matrix component of cell wall in the giant-celled green alga Valonia utricularis observed by atomic force microscopy in liquid. Protoplasma, 2018, no. 255, pp. 1575-1579. DOI: 10.1007/s00709-018-1251-z
11. Neethirajan S., DiCicco M. Atomic force microscopy study of the antibacterial effect of fosfomycin on methicillin-resistant Staphylococcus pseudintermedius. Applied Nanoscience, 2014, no. 4, pp. 703-709. DOI: 10.1007/s13204-013-0256-3
12. Kuznetsova T., Kulahava T., Zholnerevich I., Amaegberi N., Semenkova G., Shadyro O., Arnhold J. Morphometric characteristics of neutrophils stimulated by adhesion and hypochlorite. Molecular Immunology, 2017, no. 87, pp. 317-324. DOI: 10.1016/j.molimm.2017.05.007
13. Pleskova S.N., Gornostaeva E.E., Kryukov R.N., Boryakov A.V., Zubkov S.Y. Changes in the Architectonics and Morphometric Characteristics of Erythrocytes under the Influence of Magnetite Nanoparticles. Cell and Tissue Biology, 2018, no. 12, pp. 127-134. DOI: 10.1134/S1990519X18020086
14. Potaturkina-Nesterova N.I., Artamonova M.N., Kostishko B.B., Pche-lintseva E.S., Nesterov A.S. Study of nanomechanical properties of biological membranes using atomic force microscopy. Nanotechnologies in Russia, 2015, no. 10, pp. 636-639. DOI: 10.1134/S1995078015040163
15. Alzahrani K., Shukla A.K., Alam J., Niazy A.A., Alsouwaileh A.M., Alhoshan M., ... Alghamadi H.S. Probing the surface ultrastructure of Brevibacillus laterosporus using atomic force microscopy. Micron, 2020, no. 131. DOI: 10.1016/-j.micron.2020.102827
16. Demir-Yilmaz I., Yakovenko N., Roux C. The role of microplastics in microalgae cells aggregation: A study at the molecular scale using atomic force microscopy. Science of The Total Environment, 2022, vol. 832. DOI: 10.1016/j.sci-totenv.2022.155036
17. Wang D.-C., Chen K.-Y., Tsai C.-H., Chen G.-Y., Chen C.-H. AFM membrane roughness as a probe to identify oxidative stress-induced cellular apoptosis. Journal of Biomechanics, 2011, no. 44(16), pp. 2790-2794. DOI: 10.1016/j.jbio-mech.2011.08.021
18. Kormovye drozhzhi [Feed yeast]. Tehnologicheskaja shema proizvodstva. -Available at: http: //www .sergey-osetrov.narod.ru/Proj ects/DDGS/Produc-tion_stern_yeast.htm (accessed 21 December 2022).
19. Abramova I.M., Soloviev A.O., Turshatov M.V., Krivchenko V.A., Ko-nonenko V.V. Protein feedstuff production based on microbial biomass. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2020, vol. 548, p. 1-6. DOI: 10.1088/1755-1315/548/8/082080
20. Chistjakov V.P., Alekseeva E.I. Refraktometricheskij metod analiza rastvorov [Refractometric method for the analysis of solutions]. Nauchno-inno-vacionnye tehnologii kak faktor ustojchivogo razvitija agropromyshlennogo
125
kompleksa: Sbornik statej po materialam Vserossijskoj (nacional'noj) nauchno-prak-ticheskoj konferencii, Kurgan, 12 marta 2020 goda / Pod obshhej redakciej I.N. Mikolajchika. [Scientific and innovative technologies as a factor in the sustainable development of the agro-industrial complex: Proceedings of the all-Russian (national) scientific and practical conference, Kurgan, March 12, 2020 / Under the I.N. Mikolajchik general editorship] - Kurgan: Kurganskaja gosudarstvennaja sel'skohozjajstvennaja akademija im. T.S. Mal'ceva, 2020, pp. 522-525. (In Russian)
21. Pillet F., Lemonier S., Schiavone M., Formosa C., Martin-Yken H., Francois J., Dague E. Uncovering by Atomic Force Microscopy of an original circular structure at the yeast cell surface in response to heat shock. BMC Biology, 2014, no. 12(1). DOI: 10.1186/1741-7007-12-6
22. State Standard. 52304-2005. Melassa sveklovichnaja. Tehnicheskie uslovija p. 7.7.6.1 izd. ofic.: utv. i vved. v dejstvie Prikazom Feder. agentstva po tehn. regulirovaniju i metrologii ot 26 janvarja 2005 g. N 3-st : vved. vpervye : data vved. 2005-11-01 / razrab. GU VNIIPAKK, GU RNIISP. [State standard. 523042005. Beet molasses. Specifications. p. 7.7.6.1 official edition: approved and put into effect by Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated January 26, 2005. N 3: input. first time: date entered. 2005-11-01 / dev. GU VNIIPAKK, GU RNIISP.] Moskva: IPK Izdatel'stvo standartov, 2005. 20 p. (In Russian)
23. Fomenko I.A., Mizheva A.A. Skrining drozhzhevyh kul'tur kak poten-cial'nyh producentov polnocennogo belka na othodah maslichnogo proizvodstva. XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastojashhego pljus. [Screening of yeast cultures as potential producers of high-grade protein on oilseed production wastes. 21th century: results of the past and problems of the present plus] 2021, vol. 10, no. 4 (56), pp. 132-137. DOI: 10.46548/21vek-2021-1056-0027 (In Russian)
24. Katarzyna Rajkowska, Alina Kunicka-Styczynska, Marta Maroszynska, Manola D^browska The effect of thyme and tea tree oils on morphology and metabolism of Candida albicans. Acta biochimicapolonica, 2014, vol. 61, no. 2, pp. 305-310.
25. Kalebina T.S., Kulaev I.S. Rol' belkov v formirovanii molekuljarnoj struktury kletochnoj stenki drozhzhej [The role of proteins in the formation of the molecular structure of the yeast cell wall]. Uspehi biologicheskoj himii [Advances in biological chemistry], 2001, vol. 41, pp. 105-130. (In Russian)
26. Chunyi Li. Effects of chemical modification by chitooligosaccharide on enzyme activity and stability of yeast ß-d-fructofuranosidase. Enzyme and Microbial Technology, 2014, vol. 64-65, pp. 24-32. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2014.06.005
27. Oliva Hernández A.A., Taillandier P., Reséndez Pérez D. The effect of hexose ratios on metabolite production in Saccharomyces cerevisiae strains obtained from the spontaneous fermentation of mezcal. Antonie van Leeuwenhoek, 2013, no. 103, pp. 833-843. DOI: 10.1007/s10482-012-9865-1
126
28. Bradley W. Greatrix, Hennie J.J. van Vuuren. Expression of the HXT13,HXT15 and HXT17 genes in Saccharomyces cerevisiae and stabilization of the HXT1 gene transcript bysugar-induced osmotic stress. Current Genetics, 2006, vol. 49, pp. 205-217. DOI: 10.1007/s00294-005-0046-x
29. Babazadeh, R., Lahtvee, P.J., Adiels, C.B., Goksör M., Nielsen J.B., Hohmann S. The yeast osmostress response is carbon source dependent. Scientific Reports, 2017, no. 7, Article number: 990. DOI: 10.1038/s41598-017-01141-4
30. Chowdhury, S., Smith, K.W., and Gustin, M.C. Osmotic stress and the yeast cytoskeleton: phenotypic-specific suppression of an actin mutation. Journal of Cell Biology, 1992, vol. 118, pp. 561-571. DOI: 10.1083/jcb.118.3.561
31. Hohmann S. Osmotic Stress Signaling and Osmoadaptation in Yeasts. Mi-crobiologyand molecular biology reviews, 2002, vol. 66, no. 2, pp. 300-372. DOI: 10.1128/MMBR.66.2.300-372.2002
Об авторах
Евдокимов Никита Сергеевич (Омск, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Биотехнология, технология общественного питания и товароведение» Омского государственного технического университета (644050, г. Омск, пр. Мира, 11; e-mail: [email protected]).
Каленчук Анастасия Александровна (Омск, Россия) - ассистент кафедры «Физика» Омского государственного технического университета (644050, г. Омск, пр. Мира, 11; e-mail: [email protected]).
Даньшина Валентина Владимировна (Омск, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры «Физика» Омского государственного технического университета (644050, г. Омск, пр. Мира, 11; e-mail: [email protected]).
About the authors
Nikita S. Evdokimov (Omsk, Russian Federation) - Ph.D. in Engineering Sciences, Associate Professor, Department of «Biotechnology, catering technology and commodity research», Omsk State Technical University (11, Mira av., Omsk, 644050, e-mail: [email protected]).
Anastasiia A. Kalenchuk (Omsk, Russian Federation) - Associate, Department «Physics», Omsk State Technical University (11, Mira av., Omsk, 644050, e-mail: [email protected]).
Valentina V. Dan'shina (Omsk, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department «Physics», Omsk State Technical University (Mira av., 11, Omsk, 644050, e-mail: [email protected]).
Поступила: 02.02.2023
Одобрена: 15.05.2023
Принята к публикации: 30.05.2023
127
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Евдокимов, Н.С. Влияние концентрации мелассы на морфометрию клеток дрожжей, выход биомассы и степень очистки спиртовой барды / Н.С. Евдокимов, А.А. Каленчук, В.В. Дань-шина // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2023. - № 2. - С. 111-128.
Please cite this article in English as:
N.S. Evdokimov, А.А. Kalenchuk, V.V. Dan'shina The effect of the molasses concentration on the morphometry of yeast cells, biomass yield and distillery stillage purification. Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology, 2023, no. 2, pp. 111-128 (In Russ).
