Calcinating Bacteria in Extreme Ecosystems of the Southern Aral Region

K. V. Kondrasheva; Кондрашева К. В.; A. A. Umruzokov; Умрузоков А. А.; S. V. Kalenov; Калёнов С. В.; A. Yu. Merkel; Меркель А. Ю.; N. A. Chernykh; Черных Н. А.; A. I. Slobodkin; Слободкин А. И.; S. N. Gavrilov; Гаврилов С. Н.; K. D. Davranov; Давранов К. Д.

doi:10.31857/S0026365622600869

Кальцинирующие бактерии в экстремальных экосистемах Южного Приаралья

Авторы: Кондрашева К.В.¹, Умрузоков А.А.¹, Калёнов С.В.², Меркель А.Ю.³, Черных Н.А.³, Слободкин А.И.³, Гаврилов С.Н.³, Давранов К.Д.¹
Учреждения:
1. Институт микробиологии АН Республики Узбекистан
2. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Кафедра биотехнологии, Факультет биотехнологии и промышленной экологии
3. Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского, ФИЦ Биотехнологии РАН
Выпуск: Том 92, № 3 (2023)
Страницы: 335-344
Раздел: КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
URL: https://journals.rcsi.science/0026-3656/article/view/138228
DOI: https://doi.org/10.31857/S0026365622600869
EDN: https://elibrary.ru/FWYKTA
ID: 138228

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Процессы микробно-индуцированного осаждения карбонатов кальция широко распространены в природных условиях и являются важной частью биогеохимического цикла углерода. Эти процессы легли в основу новых технологий “биоцементирования”, разработка которых активно ведется в последнее десятилетие по всему миру. Данные технологии направлены на создание новых “самозаживляющихся” строительных материалов, а также на поддержание прочности различных сооружений и строительных конструкций. Оптимальными условиями для образования кальцитов являются повышенная соленость и щелочность среды, что вызвало интерес к поиску кальцинирующих микроорганизмов в разнообразных экосистемах, включая экстремальные. В настоящее время выделено и протестировано в полупромышленных условиях уже немало штаммов галофильных и галотолерантных бактерий, индуцирующих кальцинирование. Большинство этих бактерий обладает уреазной активностью, которая вносит основной вклад в связывание ионов кальция в нерастворимый карбонат кальция. Широкое разнообразие природных экосистем с оптимальными условиями для развития кальцинирующих уробактерий, а также экономическая востребованность технологий биоцементирования побуждает интерес к поискам все новых штаммов этих микроорганизмов. Одним из перспективных ресурсов для поиска таких организмов является экосистема высыхающего Аральского моря и прилегающего к нему пустынного и полупустынного региона Приаралья. В нашей работе мы приводим результаты скрининга различных экстремальных экосистем Аральского региона на наличие кальцинирующих микроорганизмов. Из образцов растительных остатков и почв Приаралья нами получено 28 чистых культур гетеротрофных аэробных бактерий, 4 из которых обладают уреазной и кальцинирующей активностями, дана сравнительная оценка их активности со штаммами, уже использованными для создания биоцементирующих препаратов. Методами молекулярной экологии детектированы филотипы потенциальных кальцинирующих микроорганизмов в микробных сообществах пустынной почвы, термальных вод и донных отложений соленого озера, дано описание филогенетического разнообразия этих сообществ. Полученные результаты выявили широкое распространение кальцинирующих микроорганизмов в экосистемах Южного Приаралья и показали целесообразность поиска в них новых биотехнологически значимых штаммов этих организмов.

Ключевые слова

микробно-индуцированное осаждение кальцита, экстремальные экосистемы, Аральское море, биоцементирование

Список литературы

Батяновский Э.И., Гуриненко Н.С., Корсун А.М. Структура, непроницаемость и долговечность цементного бетона // Наука и техника. 2022. Т. 21. № 1. С. 19‒27.
Гаврилов С.Н., Потапов Е.Г., Прокофьева М.И., Клюкина А.А., Меркель А.Ю., Маслов А.А., Заварзина Д.Г. Разнообразие новых некультивируемых прокариот в микробных сообществах минеральных подземных вод Ессентукского месторождения // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 32–49.
Gavrilov S.N., Prokof’eva M.I., Klyukina A.A., Merkel A.Y., Zavarzina D.G., Potapov E.G., Maslov A.A. Diversity of novel uncultured prokaryotes in microbial communities of the Yessentukskoye underground mineral water deposit // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 28‒44.
Давидюк А.А., Рыбнов Д.С., Гоглев И.Н., Соколов К.Ю., Кустикова Ю.О. Математическое моделирование динамики процесса массопереноса при коррозии цементных бетонов // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 2. С. 34‒41.
Давлетмуратова В.Б. Развитие процессов опустынивания и галофитизация естественной растительности в дельте и низовьях Амударьи // Экономика и социум. 2017. Т. 37. № 6-1. С. 519‒522.
Большое Аральское море в начале XXI в.: физика, биология, химия / Под ред. Завьялова П.О. и др. М.: Наука, 2012. 232 с.
Калёнов С.В., Градова Н.Б., Сивков С.П., Агалакова Е.В., Белов А.А., Суясов Н.А., Хохлачёв Н.С., Панфилов В.И. Препарат на основе бактерий, выделенных из гиперсоленых сред, для улучшения функциональных и защитных характеристик бетона // Биотехнология. 2020. Т. 36. № 4. С. 21–28.
Almajed A., Lateef M.A., Moghal A.A.B., Lemboye K. State-of-the-art review of the applicability and challenges of microbial-induced calcite precipitation (MICP) and enzyme-induced calcite precipitation (EICP) techniques for geotechnical and geoenvironmental applications // Crystals. 2021. V. 11. Art. 370.
Alonso M.J.C., Ortiz C.E.L., Perez S.O.G. et al. Improved strength and durability of concrete through metabolic activity of ureolytic bacteria // Environ. Sci. Pollut. Res. 2018. V. 25. P. 21451−21458.
Arias D., Cisternas L.A., Miranda C., Rivas M. Bioprospecting of ureolytic bacteria from Laguna Salada for biomineralization applications // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019. V. 18. Art. 209.
Atkinson D.E. Functional roles of urea synthesis in vertebrates // Physiol. Zool. 1992. V. 65. P. 243‒267.
Chaparro-Acuña S.P., Becerra-Jiménez M.L., Martínez-Zambrano J.J., Rojas-Sarmiento H.A. Soil bacteria that precipitate calcium carbonate: Mechanism and applications of the process // Acta Agronomica. 2020. V. 67. P. 277–288.
DeJong J.T. Biogeochemical processes and geotechnical applications: progress, opportunities and challenges // Geotechnique. 2013. V. 63. P. 287–301.
Ekprasert J., Fongkaew I., Chainakun P. et al. Investigating mechanical properties and biocement application of Ca-CO3 precipitated by a newly-isolated Lysinibacillus sp. WH using artificial neural networks // Sci. Rep. 2020. V. 10. Art. 16137.
Frankel R.B., Bazylinski D.A. Biologically induced mineralization by bacteria // Rev. Mineral. Geochem. 2003. V. 54. P. 95–114.
Galinski E.A., Trüper H.G. Microbial behaviour in saltstressed ecosystems // FEMS Microbiol. Rev. 1994. V. 15. P. 95–108.
Garabito M.J., Márquez M.C., Ventosa A. Halotolerant Bacillus diversity in hypersaline environments // Can. J. Microbiol. 1998. V. 44. P. 95‒102.
Jebbar M. Ectoine functions as an osmoprotectant in Bacillus subtilis and is accumulated via the ABC-transport system OpuC // FEMS Microbiol. Lett. 1997. V. 154. P. 325–330.
Joshi S., Goyal S., Mukherjee A., Reddy M.S. Microbial healing of cracks in concrete: a review // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 44. P. 1511‒1525.
Joshi S., Goyal S., Reddy M.S. Influence of biogenic treatment in improving the durability properties of waste amended concrete: a review // Constr. Build. Mater. 2020. V. 263. Art. 120170.
Kalenov S.V., Belov A.A., Lyapkin E.I., Sachavskii A.A., Panfilov V.I. Problems of non-sterile cultivation of extremely halophilic microorganisms // Int. Multidisc. Sci. GeoConference: SGEM. 2020. V. 20. P. 105‒112.
Karplus P.A., Pearson M.A., Hausinger R.P. 70 years of crystalline urease: what have we learned? // Acc. Chem. Res. 1997. V. 30. P. 330–337.
Leeprasert L., Chonudomkul D., Boonmak C. Biocalcifying potential of ureolytic bacteria isolated from soil for biocementation and material crack repair // Microorganisms. 2022. V. 10. Art. 963.
Micklin P. The Aral Sea disaster // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2007. V. 35. P. 47‒72.
Mutitu K.D., Munyao M.O., Wachira M.J., Mwirichia R., Thiong’o K.J., Marangu M.J. Effects of biocementation on some properties of cement-based materials incorporating Bacillus species bacteria – a review // J. Sustain. Cem. 2019. V. 8. P. 309‒325.
Omoregie A.I., Palombo E.A., Nissom P.M. Bioprecipitation of calcium carbonate mediated by ureolysis: a review // Environ. Engineer. Res. 2021. V. 26. Art. 200379.
Osinubi K.J., Eberemu A.O., Ijimdiya T.S., Yakubu S.E., Gadzama E.W., Sani J.E., Yohanna P. Review of the use of microorganisms in geotechnical engineering applications // SN Applied Sciences. 2020. V. 2. № 2. P. 1‒19.
Pacheco V.L., Bragagnolo L., Reginatto C. et al. Microbially induced calcite precipitation (MICP): review from an engineering perspective // Geotech. Geol. Eng. 2022. V. 40. P. 2379–2396.
Panosyan H., Hakobyan A., Birkeland N.K., Trchounian A. Bacilli community of saline-alkaline soils from the Ararat Plain (Armenia) assessed by molecular and culture-based methods // Syst. Appl. Microbiol. 2018. V. 41. P. 232‒240.
Vahabi A., Ramezanianpour A., Sharafi H., Zahiri H., Vali H., Noghabi K. Calcium carbonate precipitation by strain Bacillus licheniformis AK01, newly isolated from loamy soil: a promising alternative for sealing cement-based materials // J. Basic Microbiol. 2015. V. 55. P. 105‒111.
Ventosa A., Márquez M.C., Garabito M.J., Arahal D.R. Moderately halophilic Gram-positive bacterial diversity in hypersaline environments // Extremophiles. 1998. V. 2. P. 297‒304.