XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Растительные отходы содержат большое количество целлюлозы, представляющей значительный потенциал возобновляемых ресурсов для переработки в ценные продукты, такие как биоэтанол, кормовые добавки и биоразлагаемые полимеры. Ключевым этапом в переработке растительного материала является гидролиз целлюлозных компонентов, осуществляемый ферментативными системами, включающими целлюлазы – группы ферментов, катализирующих расщепление целлюлозы до простых сахаров.

Среди многочисленных источников целлюлаз наибольший интерес вызывают бактерии, способные синтезировать активные и стабильные ферменты, адаптированные к различным условиям среды. Использование бактериальных целлюлаз открывает широкие перспективы для повышения эффективности и рентабельности биотехнологических процессов, направленных на утилизацию растительных отходов и получение полезных продуктов.

Тем не менее, несмотря на успехи в изучении бактериальных целлюлаз, сохраняется необходимость оценки характеристик отдельных ферментов и изучения возможностей улучшения их активности и стабильности, особенно в присутствии ингибиторов, характерных для реальных субстратов.

Цель данной работы состоит в исследовании методов получения бактериальных целлюлаз, оценке их потенциала для эффективного гидролиза растительных отходов, определении факторов, влияющих на активность и стабильность целлюлаз, а также сформулировать рекомендации по дальнейшему развитию биотехнологических процессов, основанных на использовании бактериальных целлюлаз.

В последние десятилетия изучение бактериальных целлюлаз и их применение для гидролиза растительных отходов привлекли значительное внимание в биотехнологии и экологии. Бактериальные целлюлазы представляют собой комплекс ферментов, включающий эндоглюканазы, экзоглюканазы и β-глюкозидазы, которые совместно катализируют расщепление целлюлозы на олигосахариды и глюкозу [1]. Эти ферменты вырабатываются различными бактериями, в том числе, штаммами родов Bacillus, Clostridium, Cellulomonas, Paenibacillus и Ruminococcus. Эндоглюканазы разрывают внутренние связи целлюлозной цепи, экзоглюканазы отделяют концевые единицы, а β-глюкозидазы гидролизуют олигосахариды до глюкозы [1].

Целлюлазы играют ключевую роль в переработке растительных остатков, таких как солома зерновых культур, листья, древесные опилки и промышленные отходы, позволяя получать биотопливо, кормовые добавки и другие биопродукты. Источники растительных отходов имеют сложную структуру и часто содержат гемицеллюлозу и лигнин, что делает их гидролиз трудоемким процессом. Использование бактериальных целлюлаз позволяет эффективно разрушать полисахаридные компоненты и обеспечивать высокий выход сахаров.

Процесс получения бактериальных целлюлаз включает выделение штаммов-продуцентов, их культивирование на питательных средах, содержащих целлюлозосодержащие субстраты, и последующее выделение фермента из культуры [2]. Современные методы ферментации включают как субмерные, так и твердофазные подходы. Субмерная ферментация позволяет точно контролировать параметры среды, такие как температура, pH, концентрация питательных веществ и аэрация, что важно для максимальной продукции фермента.

Твердофазная ферментация применяется для использования недорогих растительных субстратов и может быть экономически более выгодной. Эффективность бактериальных целлюлаз оценивается различными методами, включая определение активности фермента по снижению вязкости целлюлозного субстрата, измерение выделяемой глюкозы, анализ олигосахаридов, а также с помощью колориметрии, спектрофотометрии и электрофореза [3]. Кроме того, исследуется устойчивость ферментов к температуре, pH и наличию ингибиторов, что важно для их промышленного применения, так как некоторые штаммы бактерий продуцируют ферменты, устойчивые к экстремальным условиям.

Современные биотехнологические подходы включают генетическую оптимизацию бактериальных штаммов для повышения продуктивности ферментов, а также синтез ферментных комплексов, включающих несколько типов целлюлаз для более эффективного разрушения сложной целлюлозной матрицы [4]. Применение таких комплексов позволяет значительно повысить скорость гидролиза и выход сахаров, что особенно важно для масштабного производства биотоплива и биопродуктов [5]. Особое значение имеет комплексный подход к переработке растительных отходов: сочетание бактериальных целлюлаз с ферментами, расщепляющими гемицеллюлозу и лигнин, позволяет максимально извлекать углеводы из растительного сырья и повышать экономическую эффективность биотехнологических процессов [6]. Использование бактериальных целлюлаз способствует экологической утилизации отходов и снижению загрязнения окружающей среды.

Рекомендации по дальнейшему развитию биотехнологических процессов на основе бактериальных целлюлаз:

1. Поиск и использование новых штаммов-продуцентов - исследование экзотических и экстремофильных бактерий может позволить обнаружить ферменты с высокой активностью и устойчивостью к экстремальным условиям (температура, pH, наличие ингибиторов).

2. Оптимизация условий ферментации - подбор питательных сред, аэрации, температуры и рН среды для увеличения выхода фермента и его стабильности в промышленных масштабах.

3. Создание ферментных комплексов - комбинирование целлюлаз с гемицеллюлазами, лигниназами и другими ферментами для более полного разрушения растительных отходов и повышения выхода сахаров.

4. Генетическая модификация бактериальных штаммов - направленная мутагенез и генная инженерия позволяют увеличить продуктивность ферментов и улучшить их стабильность при промышленных процессах.

5. Разработка комплексных технологий переработки отходов - интеграция бактериальных целлюлаз в цепочку биотопливного и биохимического производства с целью максимизации экономической и экологической эффективности.

6. Использование современных методов контроля и мониторинга - применение биосенсоров и аналитических методов для оценки активности ферментов и качества субстрата в режиме реального времени, что позволяет оперативно корректировать процесс.

Реализация этих рекомендаций позволит повысить эффективность, устойчивость и рентабельность биотехнологических процессов переработки растительных отходов, а также расширить спектр биопродуктов, получаемых с использованием бактериальных целлюлаз.

Таким образом, получение бактериальных целлюлаз и оценка их эффективности для гидролиза растительных отходов представляют собой перспективное направление биотехнологии. Разнообразие бактериальных штаммов, оптимизация условий ферментации и создание ферментных комплексов открывают возможности для эффективного использования растительных отходов, производства биотоплива и биопродуктов [7]. Дальнейшие исследования направлены на поиск новых штаммов-продуцентов, оптимизацию условий ферментации и расширение спектра применяемых субстратов, что позволит повысить устойчивость и экономичность биотехнологических процессов.

Список литературы

1. Абдул-Галил Ахмед Али, Кригер Ольга Владимировна. Получение и применение бактериальной целлюлозы // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки. - 2025. - № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-i-primenenie-bakterialnoy-tsellyulozy (дата обращения: 03.12.2025).

2. Гладышева Е.К., Скиба Е.А. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате технической целлюлозы из плодовых оболочек овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2017. - Т. 7, № 1. - С. 140–146.

3. Громовых Т.И., Алехина М.А., Гайдашева И.И., Громовых П.С., Садыков В.С. Биотехнология бактериальной целлюлозы и её композитов: перспективы использования в пищевой промышленности и биомедицине // Актуальная биотехнология. - 2023. - № 4. - С. 39–43.

4. Логвинова Э.В., Болтовский В.С. Эффективность применения биохимического консерванта при заготовке кормов на основе растительного сырья // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. - 2023. - № 1 (265). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-primeneniya-biohimicheskogo-konservanta-pri-zagotovke-kormov-na-osnove-rastitelnogo-syrya (дата обращения: 03.12.2025).

5. Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Галиева А.Р. Влияние условий культивирования на целлюлазную и ксиланазную активность гриба Rhizopus oryzae F 1030 // Химия растительного сырья. - 2025.

6. Молодкина Л.М., Андрианова М.Ю., Чусов А.Н. Влияние ультразвукового и ферментативного воздействия на биодеструкцию средне- и медленноразлагаемых отходов // Глобальная энергия. - 2010. - № 2-2 (100). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-ultrazvukovogo-i-fermentativnogo-vozdeystviya-na-biodestruktsiyu-sredne-i-medlennorazlagaemyh-othodov (дата обращения: 03.12.2025).

7. Чемерис О.В. Биосинтез целлюлаз грибом Irpex lacteus при культивировании на растительных отходах // Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона. - 2024.