Российские ученые выделили новый штамм бактерий, который эффективно перерабатывает жировые отходы рыбопереработки в ценный биопластик и белок одноклеточных (биопротеин). Такой подход не только дает дешевое сырье для производства экологичных пластиков и белковых продуктов, но и решает проблему утилизации крупнотоннажных отходов рыбоконсервной промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymer Journal.

Человечество сталкивается с двумя важными проблемами: нехваткой белка и накоплением пластиковых отходов. В настоящее время сельское хозяйство покрывает лишь 40% мировой потребности в белке. А пластик, разлагающийся десятилетиями, продолжает накапливаться в океанах и почвах. На первый взгляд, эти проблемы не связаны между собой. Однако их можно решить одновременно с помощью микробиологического синтеза. Некоторые бактерии, потребляя углерод, способны производить как белок, так и биоразлагаемые полимеры. Но у этого подхода есть серьёзные ограничения. Во-первых, промышленное производство упирается в дороговизну сырья — затраты на углеродный субстрат (чаще всего сахара или масла) составляют 45–50% всех расходов. Во-вторых, подходящими метаболическими свойствами обладает далеко не каждая бактерия.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета выделили новый штамм бактерии Cupriavidus necator B-15081, способный эффективно расщеплять жиры. Специалисты впервые показали, что данный штамм может производить биоразлагаемые полимеры и одноклеточный белок при выращивании на жире, извлекаемом из отходов промысловых рыб: скумбрии и кильки. Использование такого сырья позволяет вовлекать трудноутилизируемые отходы в биотехнологические процессы и формировать замкнутые производственные циклы.

Штамм C. necator был выделен из почвы полевого чернозема. Эксперименты показали, что он стабильно растет при комнатной температуре и на различных углеродных субстратах, включая жиросодержащие отходы, извлекаемые из рыбных отходов. Варьирование и подбор условий выращивания бактерий нового штамма позволили контролировать и «переключать» внутриклеточный метаболизм: на полной среде в проточной культуре получена суперпродукция белка; в периодическом режиме при дефиците азота в среде бактерии накаливали биополимеры. Биотехнологи получили высокое содержание разрушаемых полимеров (полигидроксиалканоатов), которые имели низкую кристалличность и высокую молекулярную массу, что делает их одновременно гибкими и прочными. Также штамм оказался способным производить большое количество белка, который представлен полным набором аминокислот, включая незаменимые.

Чтобы оценить перспективность нового штамма C. necator B-15081, исследователи сравнили полученные результаты с данными для других штаммов, выращенных на тех же типах отработанного растительного масла. Оказалось, что новый штамм значительно превосходит предшественника по всем ключевым показателям. Бактерии утилизировали более 80% предложенного им отработанного жира в качестве нового биотехнологического субстрата. Это позволяет экономить сырье и качественно перерабатывать отходы. Результаты показали, что новый штамм C. necator B-15081 перспективен для производства актуальных и востребованных продуктов — биоразлагаемого пластика и биопротеина. А исследованные жировые отходы рыбопереработки могут стать крупномасштабным и возобновляемым ресурсом для производства целевых продуктов.

«Мы получили стабильную культуру нового штамма Cupriavidus necator B-15081. Микроорганизмы накапливают внутри клеток до 83% ценного биопластика. Это очень высокий показатель выхода готового продукта. Синтезированный бактериями белок можно использовать в кормах сельскохозяйственных животных и аквакультуры вместо дефицитных соевых шротов или мясокостной муки. Производство такого белка актуально в связи с ростом населения планеты. Оно позволяет получать белок, не расширяя пашни и не тратя огромное количество воды, как это происходит в традиционном сельском хозяйстве. Важно, что в качестве питания для бактерий используются отходы. Это способ снижения затрат на сырье, а также решения экологических проблем, связанных с сокращением отходов и переходом к циклической экономике. К слову, отходы, например, в производстве шпротов из килечных видов рыб содержат коптильные компоненты, поэтому не используются в традиционных технологиях получения рыбной муки и вывозятся на свалки твердых отходах для захоронения или утилизации, что сопровождается значительными затратами. При этом экономические коэффициенты переработки такого сырья оказались в 1,5–2 раза выше, чем при кормлении бактерий обычными сахарами. То есть жир из отходов рыбопереработки гораздо выгоднее для биотехнологического производства биопластика. Такой подход убивает двух зайцев: решает экологическую проблему утилизации отходов и дает дешевое сырье для биотехнологий. В дельнейшем мы планируем получить более быстрорастущую культуру этого штамма, чтобы еще больше повысить экономическую эффективность», — заключила руководитель работы доктор биологических наук профессор Татьяна Волова, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН.

Исследование поддержано Российским научным фондом (№ 23-64-10007).