Biotechnological transformation of giant miscanthus biomass into bacterial nanocellulose

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Biotechnological transformation of plant materials constitutes one of the most promising industrial processes for obtaining high-value products from inexpensive plant materials. The article analyzes the biotransformation of giant miscanthus (Miscanthus × giganteus) into high-value bacterial nanocellulose from the feedstock to the final product, i.e., presents the complete cycle of plant material processing. First, the chemical composition of giant miscanthus biomass was determined, and the content of cellulose was found to be 54%. After that, biotransformation was performed in three stages: in the first stage, the giant miscanthus biomass was pretreated using four methods; then, the obtained substrates were subjected to enzymatic hydrolysis under the same conditions, and carbohydrate growth media were obtained; in the final stage, bacterial nanocellulose was biosynthesized in the obtained growth media using Medusomyces gisevii Sa-12 symbiotic culture. The chemical pretreatment with dilute solutions of nitric acid and sodium hydroxide was found to be extremely effective and increase the reactivity to enzymatic hydrolysis by 28–31 times as compared to native miscanthus. It is shown that for the production of bacterial nanocellulose from giant miscanthus, biomass should undergo one-stage pretreatment with a dilute nitric acid solution. In this case, the substrate yield from the feedstock (for subsequent hydrolysis) amounts to 50%, the extraction of reducing sugars from miscanthus biomass is maximum (65.2%), and the yield of bacterial nanocellulose is 1.1–1.3 times higher than for the other three biomass pretreatment methods.

About the authors

N. A. Shavyrkina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS ; Biysk Technological Institute, Polzunov Altai State Technical University

Email: 32nadina@mail.ru

E. K. Gladysheva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: evg-gladysheva@yandex.ru

A. A. Zenkova

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS ; Biysk Technological Institute, Polzunov Altai State Technical University

Email: zenkova_nastasya080401@mail.ru

E. А. Skiba

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: eas08988@mail.ru

References

  1. Khan S., Ul-Islam M., Fatima A., Manan S., Khattak W.A., Ullah M.W., et al. Potential of food and agro-industrial wastes for cost-effective bacterial cellulose production: an updated review of literature // ES Food & Agroforestry. 2023. Vol. 13. P. 905. doi: 10.30919/esfaf905.
  2. Avcioglu N.H. Bacterial cellulose: recent progress in production and industrial applications // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2022. Vol. 38. P. 86. doi: 10.1007/s11274-022-03271-y.
  3. Zhong C. Industrial-scale production and applications of bacterial cellulose // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. P. 605374. doi: 10.3389/fbioe.2020.605374.
  4. Volova T.G., Kiselev E.G., Demidenko A.V., Zhila N.O., Nemtsev I.V., Lukyanenko A.V. Production and properties of microbial polyhydroxyalkanoates synthesized from hydrolysates of Jerusalem artichoke tubers and vegetative biomass // Polymers. 2022. Vol. 14, no. 1. P. 132. doi: 10.3390/polym14010132.
  5. Ha D.T., Kanarskiy A.V., Kanarskaya Z.A., Scherbakov A.V., Scherbakova E.N., Pranovich A.V. Impact of cultivation conditions on xylanase production and growth in Paenibacillus mucilaginosus // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 3. С. 459–469. doi: 10.21285/2227-2925-2020-10-3-459-469. EDN: OMLQLP.
  6. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Тигунцева Н.П. Термохимическое ожижение соломы пшеницы в среде суб- и сверхкритического тетралина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. N 1. С. 160–166. doi: 10.21285/2227-2925-2022-12-1-160-166. EDN: VQQNNY.
  7. Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Sakovich G.V. Review of current prospects for using Miscanthus-based polymers // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 14. P. 3097. doi: 10.3390/polym15143097.
  8. Wang C., Kong Y., Hu R., Zhou G. Miscanthus: a fast-growing crop for environmental remediation and biofuel production // GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy. 2021. Vol. 13, no. 1. P. 58–69. doi: 10.1111/gcbb.12761.
  9. Banerjee S., Dien B.S., Eilts K.K., Sacks E.J., Singh V. Pilot-scale processing of Miscanthus x giganteus for recovery of anthocyanins integrated with production of microbial lipids and lignin-rich residue // Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 485. P. 150117. doi: 10.1016/j.cej.2024.150117.
  10. Zabed H., Sahu J.N., Boyce A.N., Faruq G. Fuel ethanol production from lignocellulosic biomass: an overview on feedstocks and technological approaches // Renewable & Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 66. P. 751–774. doi: 10.1016/j.rser.2016.08.038.
  11. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass // Bioresource Technology. 2016. Vol. 199. P. 42-48. doi: 10.1016/j.biortech.2015.08.085.
  12. Chaudhary G., Chaudhary N., Saini S., Gupta Y., Vivekanand V., Panghal A. Assessment of pretreatment strategies for valorization of lignocellulosic biomass: path forwarding towards lignocellulosic biorefinery // Waste and Biomass Valorization. 2024. Vol. 15. P. 1–36. doi: 10.1007/s12649-023-02219-z.
  13. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 10. P. 1645. doi: 10.3390/polym11101645.
  14. Skiba E.A., Gladysheva E.K., Golubev D.S., Budaeva V.V., Aleshina L.A., Sakovich G.V. Selfstandardization of quality of bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii in nutrient media derived from Miscanthus biomass // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 252. P. 117178. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.117178.
  15. Goh W.N., Rosma A., Kaur B., Fazilah A., Karim A.A., Rajeev B. Fermentation of black tea broth (Kombucha): I. Effects of sucrose concentration and fermentation time on the yield of microbial cellulose // International Food Research Journal. 2012. Vol. 19, no. 1. P. 109–117.
  16. Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Study of the conditions for the biosynthesis of bacterial cellulose by the producer Medusomyces gisevii Sa-12 // Applied Biochemistry and Microbiology. 2018. Vol. 54. P. 179–187. doi: 10.1134/S0003683818020035.
  17. Bogolitsyn K., Parshina A., Aleshina L. Structural features of brown algae cellulose // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 9787–9800. doi: 10.1007/s10570-020-03485-z.
  18. Van der Cruijsen K., Al Hassan M., van Erven G., Dolstra O., Trindade L.M. Breeding targets to improve biomass quality in Miscanthus // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 2. P. 254. doi: 10.3390/molecules26020254.
  19. Rohrbach J.C., Luterbacher J.S. Investigating the effects of substrate morphology and experimental conditions on the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass through modeling // Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2021. Vol. 14. P. 103. doi: 10.1186/s13068-021-01920-2.
  20. Krystynowicz A., Czaja W., Wiktorowska-Jezierska A., Gonçalves-Miśkiewicz M., Turkiewicz M., Bieleckil S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 29, no. 4. P. 189–195. doi: 10.1038/sj.jim.7000303.
  21. Yurkevich D.I, Kutyshenko V.P. Medusomyces (tea fungus): a scientific history, composition, features of physiology and metabolism // Biophysics. 2002. Vol. 47, no. 6. P. 1035–1048.
  22. Hong F., Qiu K. An alternative carbon source from konjac powder for enhancing production of bacterial cellulose in static cultures by a model strain Acetobacter aceti subsp. xylinus ATCC 23770 // Carbohydrate Polymers. 2008. Vol. 72, no. 3. P. 545–549. doi: 10.1016/j.carbpol.2007.09.015.
  23. Amorim L.F.A., Li L., Gomes A.P., Fangueiro R., Gouveia I.C. Sustainable bacterial cellulose production by low cost feedstock: evaluation of apple and tea by-products as alternative sources of nutrients // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 5589–5606. doi: 10.1007/s10570-023-05238-0.
  24. Han Y.-H., Mao H.-L., Wang S.-S., Deng J.-C., Chen D.-L., Li M. Ecofriendly green biosynthesis of bacterial cellulose by Komagataeibacter xylinus B2-1 using the shell extract of Sapindus mukorossi Gaertn. as culture medium // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 1255–1272. doi: 10.1007/s10570-019-02868-1.
  25. Carreira P., Mendes J.A.S., Trovatti E., Serafim L.S., Freire C.S.R., Silvestre A.J.D., et al. Utilization of residues from agro-forest industries in the production of high value bacterial cellulose // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102, no. 15. P. 7354–7360. doi: 10.1016/j.biortech.2011.04.081.
  26. Hestrin S., Schramm M. Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. 2. Preparation of freeze-dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose // Biochemical Journal. 1954. Vol. 58, no. 2. P. 345–352. doi: 10.1042/bj0580345.
  27. Bae S.O., Shoda M. Production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum BPR2001 using molasses medium in a jar fermentor // Applied Microbiology and Biotechnology. 2005. Vol. 67. P. 45–51. doi: 10.1007/s00253-004-1723-2.
  28. Tsouko E., Kourmentza C., Ladakis D., Kopsahelis N., Mandala I., Papanikolaou S., et al. Bacterial cellulose production from industrial waste and by-product streams // International Journal of Molecular Sciences. 2015. Vol. 16, no. 7. P. 14832–14849. doi: 10.3390/ijms160714832.
  29. Chen G., Wu G., Chen L., Wang W., Hong F.F., Jönsson L.J. Comparison of productivity and quality of bacterial nanocellulose synthesized using culture media based on seven sugars from biomass // Microbial Biotechnology. 2019. Vol. 12, no. 4. P. 677–687. doi: 10.1111/1751-7915.13401.
  30. Revin V.V., Liyaskina E.V., Parchaykina M.V., Kuzmenko T.P., Kurgaeva I.V., Revin V.D., et al. Bacterial cellulose-based polymer nanocomposites: a review // Polymers. 2022. Vol. 14, no. 21. P. 4670. doi: 10.3390/polym14214670.
  31. Kim H., Son J., Lee J., Yoo H.Y., Lee T., Jang M., et al. Improved production of bacterial cellulose through investigation of effects of inhibitory compounds from lignocellulosic hydrolysates // GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy. 2021. Vol. 13, no. 3. P. 436–444. doi: 10.1111/gcbb.12800.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».