mkgtuНовые технологии / New technologiesNew Technologies2072-09202713-0029МГТУ10.47370/2072-0920-2021-17-5-123-133mkgtu-532Research ArticleСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИAGRICULTURAL SCIENCESУтилизация целлюлозосодержащих отходов при помощи грибовCellulose-containing waste recycling using fungiФоменкоИ. А.FomenkoI. A.

Фоменко Иван Андреевич - старший преподаватель кафедры биотехнологии и технологии продуктов биоорганического синтеза.

Волоколамское шоссе, д. 11, Москва, 125080.

Ivan A. Fomenko - a senior lecturer of the Department of Biotechnology and Technology of Bioorganic Synthesis Products, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State University of Food Production».

11 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080.

ТучковаС. Н.TuchkovaS. N.

Тучкова Светлана Николаевна - магистрант кафедры биотехнологии и технологии продуктов биоорганического синтеза.

Волоколамское шоссе, д. 11, Москва, 125080.

Svetlana N. Tuchkova - a student of the Department of Biotechnology and Technology of Bioorganic Synthesis Products, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State University of Food Production».

11 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080.

svetlana.tuch1998@gmail.comМосковский государственный университет пищевых производствРоссияMoscow State University of Food ProductionRussian Federation202121122021175123133Copyright © Фоменко И.А., Тучкова С.Н., 20212021Фоменко И.А., Тучкова С.Н.Fomenko I.A., Tuchkova S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://newtechology.mkgtu.ru/jour/article/view/532

Накопление растительносодержащих отходов является серьезной проблемой для экологии. Благодаря грибам с высокой целлюлолитической активностью можно переработать их в ценные продукты, которые будут полезны в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве. К ферментам целлюлолитического комплекса относят 1,4-β-D-глюкан-4-глюканогидролазу, экзо-1,4-β-глюкозидазу, целлобиогидролазу, β-глюкозидазу. 1,4-β-D-глюкан-4-глюканогидролазы разрушают β-1,4-гликозидные связи внутри цепи полисахаридов целлюлозы и лихенина. Экзоглюканазы разрушают β-1,3- и β-1,4-гликозидные связи на конце молекулы. Целлобиогидролазы расщепляют β-1,4-гликозидные связи с образованием целлобиозы и глюкозы. Завершают процесс деструкции β-глюкозидазы. К грибам с высокой целлюлолитической активностью относятся как представители отдела Ascomycota, так и Basidiomycota. Аскомицет Chaetomium globosum продуцирует эндоглюканазы двух семейств и 8 целлобиогидролаз. Myceliophthora thermophila также продуцирует эндоглюканазы и целлобиогидролазы, самая распространенная из которых – Mt Cel7A. Гриб является перспективным продуцентом термостабильных ферментов. Trichoderma reesei имеет длительную историю безопасного использования в качестве источника высокоактивных целлюлолитических ферментов и других ценных метаболитов. LPMO целлюлолитического гриба Thielavia terrestris считаются вспомогательными ферментами, но могут негативно влить на основные ферменты комплекса. Irpex lacteus также продуцирует LPMO и полный комплекс целлюлолитических ферментов. Целлюлолитическую активность грибов и их способность расти на дешевых субстратах можно использовать для биоконверсии растительных отходов в ценные продукты. Один из путей их утилизации – превращение в комбикорма с повышенным содержанием белка за счет использования заквасок. Применение грибов повысит содержание белка и простых углеводов, обогатит комбикорма жирами. Другой способ – получение целлюлаз, которые широко применяются во многих отраслях промышленности. Благодаря получению биодизеля и биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья можно решить проблему недостатка топлива, заменив энергоносители из невозобновляемых источников энергии на их экологичные аналоги. Они менее токсичны, чем дизель и бензин, а также получаются из возобновляемых ресурсов.

Accumulation of plant waste is a serious environmental problem. Mushrooms with high cellulolytic activity can process it into valuable products that will be useful in solving various industries and agriculture problems. The enzymes of the cellulolytic complex include 1,4-β-D-glucan-4-glucanohydrolase, exo-1,4-β-glucosidase, cellobiohydrolase, β-glucosidase. 1,4-β-D-glucan-4-glucanohydrolases destroy β-1,4-glycosidic bonds within the chain of cellulose and lichenin polysaccharides. Exoglucanases destroy β-1,3- and β-1,4-glycosidic bonds at the end of the molecule. Cellobiohydrolases cleave β-1,4-glycosidic bonds to form cellobiose and glucose. β-glucosidase complete the process of destruction. Fungi with high cellulolytic activity include both representatives of the Ascomycota and Basidiomycota divisions. Ascomycete Chaetomium globosum produces endoglucanases of two families and 8 cellobiohydrolases. Myceliophthora thermophila also produces endoglucanases and cellobiohydrolases, the most abundant of which is Mt Cel7A. The fungus is a promising producer of thermostable enzymes. Trichoderma reesei has a long history of safe use as a source of highly active cellulolytic enzymes and other valuable metabolites. LPMOs of the cellulolytic fungus Thielavia terrestris are considered auxiliary enzymes, but can negatively affect the main enzymes of the complex. Irpex lacteus also produces LPMO and a complete cellulolytic enzyme complex. The cellulolytic activity of fungi and their ability to grow on cheap substrates can be used to bioconvert plant waste into valuable products. One of the ways to utilize them is to convert into compound feed with a high protein content through the use of starter cultures. The use of mushrooms will increase the content of protein and simple carbohydrates, enrich the feed with fats. Another method is to obtain cellulases, which are widely used in many industries. Thanks to the production of biodiesel and bioethanol from cellulose-containing raw materials it is possible to solve the problem of lack of fuel by replacing energy carriers from non-renewable energy sources with their environmentally friendly counterparts. They are less toxic than diesel and gasoline and are also made from renewable resources.

целлюлолитические ферментыцеллюлозагидролизбиоконверсияChaetomium globosumMyceliophthora thermophilaTrichoderma reeseiThielavia terrestrisIrpex lacteusбиотопливоcellulolytic enzymescellulosehydrolysisbioconversionChaetomium globosumMyceliophthora thermophilaTrichoderma reeseiThielavia terrestrisIrpex lacteusbiofuelReferencesBacic A., Fincher G., Stone B. Chemistry, biochemistry and biology of (1-3)-p-glucans and related polysaccharides. N.Y., 2019.Bacic A., Fincher G., Stone B. Chemistry, biochemistry and biology of (1-3)-p-glucans and related polysaccharides. N.Y., 2019.Taylor L.E. [et al.] Engineering enhanced cellobiohydrolase activity. Nature communications. 2018. Т. 9, № 1. С. 1–10.Taylor L.E. [et al.] Engineering enhanced cellobiohydrolase activity. Nature communications. 2018. Т. 9, № 1. С. 1–10.Плеханова Л.Н., Каширская Н.Н., Сыроватко А.С. Активность целлюлозолитических микроорганизмов в грунтах кремированных захоронений как индикатор деталей погребального обряда // Нижневолжский археологический вестник. 2020. Т. 19, № 1. С. 116–129.Plekhanova L.N., Kashirskaya N.N., Syrovatko A.S. Activity of cellulolytic microorganisms in the soils of cremated burials as an indicator of details of the burial rite. Nizhnevolzhskiy archaeological bulletin. 2020; 19(1):116-129. (In Russ).Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия: учебник. Люберцы: Юрайт, 2015. 640 c.Komov V.P., Shvedova V.N. Biochemistry: Textbook. Lyubertsy: Yurayt, 2015; 640 p. (In Russ).Dotsenko A.S. [et al.] N‐linked glycosylation of recombinant cellobiohydrolase I (Cel7A) from Penicillium verruculosum and its effect on the enzyme activity. Biotechnology and bioengineering. 2016. Т. 113, № 2. С. 283–291.Dotsenko A.S. [et al.] N‐linked glycosylation of recombinant cellobiohydrolase I (Cel7A) from Penicillium verruculosum and its effect on the enzyme activity. Biotechnology and bioengineering. 2016. Т. 113, № 2. С. 283–291.Wang X.W. [et al.] Phylogenetic reassessment of the Chaetomium globosum species complex. Persoonia: Molecular Phylogeny and Evolution of Fungi. 2016; 36:83.Wang X.W. [et al.] Phylogenetic reassessment of the Chaetomium globosum species complex. Persoonia: Molecular Phylogeny and Evolution of Fungi. 2016; 36:83.Wanmolee W. [et al.] Biochemical characterization and synergism of cellulolytic enzyme system from Chaetomium globosum on rice straw saccharification. BMC biotechnology. 2016; 16(1):1–12.Wanmolee W. [et al.] Biochemical characterization and synergism of cellulolytic enzyme system from Chaetomium globosum on rice straw saccharification. BMC biotechnology. 2016; 16(1):1–12.Destino L. [et al.] Severe osteomyelitis caused by Myceliophthora thermophila after a pitchfork injury. Annals of clinical microbiology and antimicrobials. 2006; 5(1):1–5.Destino L. [et al.] Severe osteomyelitis caused by Myceliophthora thermophila after a pitchfork injury. Annals of clinical microbiology and antimicrobials. 2006; 5(1):1–5.Dos Santos H.B. [et al.] Myceliophthora thermophila M77 utilizes hydrolytic and oxidative mechanisms to deconstruct biomass. Amb Express. 2016; 6(1):1–12.Dos Santos H.B. [et al.] Myceliophthora thermophila M77 utilizes hydrolytic and oxidative mechanisms to deconstruct biomass. Amb Express. 2016; 6(1):1–12.Kadowaki M.A.S. [et al.] Biochemical and structural insights into a thermostable cellobiohydrolase from Myceliophthora thermophile. The FEBS journal. 2018; 285(3):559–579.Kadowaki M.A.S. [et al.] Biochemical and structural insights into a thermostable cellobiohydrolase from Myceliophthora thermophile. The FEBS journal. 2018; 285(3):559–579.Frisvad J. C. [et al.] Safety of the fungal workhorses of industrial biotechnology: update on the mycotoxin and secondary metabolite potential of Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, and Trichoderma reesei. Applied Microbiology and Biotechnology. 2018; 102(22):9481–9515.Frisvad J. C. [et al.] Safety of the fungal workhorses of industrial biotechnology: update on the mycotoxin and secondary metabolite potential of Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, and Trichoderma reesei. Applied Microbiology and Biotechnology. 2018; 102(22):9481–9515.Guo B. [et al.] Comparison of catalytic properties of multiple β-glucosidases of Trichoderma reesei. Applied microbiology and biotechnology. 2016; 100(11):4959–4968.Guo B. [et al.] Comparison of catalytic properties of multiple β-glucosidases of Trichoderma reesei. Applied microbiology and biotechnology. 2016; 100(11):4959–4968.Fang H. [et al.] Simultaneous enhancement of the beta-exo synergism and exo-exo synergism in Trichoderma reesei cellulase to increase the cellulose degrading capability. Microbial cell factories. 2019; 18(1):1–14.Fang H. [et al.] Simultaneous enhancement of the beta-exo synergism and exo-exo synergism in Trichoderma reesei cellulase to increase the cellulose degrading capability. Microbial cell factories. 2019; 18(1):1–14.Pang A.P. [et al.] Dissecting Cellular Function and Distribution of β-Glucosidases in Trichoderma reesei. Mbio. 2021; 12(3):e03671–20.Pang A.P. [et al.] Dissecting Cellular Function and Distribution of β-Glucosidases in Trichoderma reesei. Mbio. 2021; 12(3):e03671–20.Vermaas J.V. [et al.] Effects of lytic polysaccharide monooxygenase oxidation on cellulose struc-ture and binding of oxidized cellulose oligomers to cellulases. The Journal of Physical Chemistry B. 2015; 119(20):6129–6143.Vermaas J.V. [et al.] Effects of lytic polysaccharide monooxygenase oxidation on cellulose structure and binding of oxidized cellulose oligomers to cellulases. The Journal of Physical Chemistry B. 2015; 119(20):6129–6143.Busk P.K., Lange L. Classification of fungal and bacterial lytic polysaccharide monooxygenases. BMC genomics. 2015; 16(1):1–13.Busk P.K., Lange L. Classification of fungal and bacterial lytic polysaccharide monooxygenases. BMC genomics. 2015; 16(1):1–13.Kim I.J. [et al.] Type-dependent action modes of Tt AA9E and Ta AA9A acting on cellulose and differently pretreated lignocellulosic substrates. Biotechnology for biofuels. 2017; 10(1):1–8.Kim I.J. [et al.] Type-dependent action modes of Tt AA9E and Ta AA9A acting on cellulose and differently pretreated lignocellulosic substrates. Biotechnology for biofuels. 2017; 10(1):1–8.Keller M.B. [et al.] A comparative biochemical investigation of the impeding effect of C1-oxidizing LPMOs on cellobiohydrolases. Journal of Biological Chemistry. 2021; 296:100–504.Keller M.B. [et al.] A comparative biochemical investigation of the impeding effect of C1-oxidizing LPMOs on cellobiohydrolases. Journal of Biological Chemistry. 2021; 296:100–504.Qin X. [et al.] Deciphering lignocellulose deconstruction by the white rot fungus Irpex lacteus based on genomic and transcriptomic analyses. Biotechnology for biofuels. 2018; 11(1):1–14.Qin X. [et al.] Deciphering lignocellulose deconstruction by the white rot fungus Irpex lacteus based on genomic and transcriptomic analyses. Biotechnology for biofuels. 2018; 11(1):1–14.Mezule L., Civzele A. Bioprospecting White-Rot Basidiomycete Irpex lacteus for Improved Ex-traction of Lignocellulose-Degrading Enzymes and Their Further Application. Journal of Fungi. 2020; 6(4):256.Mezule L., Civzele A. Bioprospecting White-Rot Basidiomycete Irpex lacteus for Improved Ex-traction of Lignocellulose-Degrading Enzymes and Their Further Application. Journal of Fungi. 2020; 6(4):256.Луканин А.В. Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов: учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2018. 556 с.Lukanin A.V. Engineering ecology: protection of the lithosphere from solid industrial and domestic waste: textbook. manual. Moscow: INFRA-M; 2018. 556 p. (In Russ).Биохимический состав продуктов, полученных путем микробиологической конверсии лигноцеллюлозных субстратов мицелиальными грибами / Бахшалиев А.Е. [и др.] // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2020. № 4. С. 7–11.Bakhshaliev A.E. [et al.] Biochemical composition of products obtained by microbiological conversion of lignocellulose substrates by filamentous fungi. Modern science: actual problems of theory and practice. Series: Natural and technical sciences. 2020; 4:7–11. (In Russ).Изучение влияния биостимуляторов на активность бактериальных и грибных гидролаз / Евдокимова К.В. [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2017. Т. 79, № 4.Evdokimova K.V. [et al.] Study of the effect of biostimulants on the activity of bacterial and fungal hydrolases. Bulletin of the Voronezh University of Engineering Technologies. 2017; 79(4). (In Russ).Приставка А.А., Попова И.В. Влияние фторида натрия на ферментативную активность грибных целлюлаз // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. № 1 (12).Prefix A.A., Popova I.V. Influence of sodium fluoride on the enzymatic activity of fungal cellulases. Izvestiya vuzov. Applied Chemistry and Biotechnology. 2015; 1(12). (In Russ).Обзор мировых энергетических рынков: рынок нефти / Лазарян С.С. [и др.] // Вестник научно-исследовательского финансового института Минфина России. 2021.Lazaryan S.S. [et al.] Review of the world energy markets: the oil market. Scientific Research Financial Institute of the Ministry of Finance of Russia. 2021. (In Russ).IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans et al. Chemical agents and related occupations. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans. 2012; 100(PT F):9.IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans et al. Chemical agents and related occupations. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans. 2012; 100(PT F):9.Гафуров Н.М., Хисматуллин Р.Ф. Преимущества биодизельного топлива // Инновационная наука. 2016. № 5. С. 72.Gafurov N.M., Khismatullin R.F. Advantages of biodiesel fuel. Innovative Science. 2016; 5:72. (In Russ).Subramaniam R. [et al.] Microbial lipids from renewable resources: production and characterization. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2010; 37(12):1271–1287.Subramaniam R. [et al.] Microbial lipids from renewable resources: production and char-acterization. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2010; 37(12):1271–1287. (In Russ).Гусев А.Б. Биотопливо – инновационная перспектива российской энергетики // Управление наукой и наукометрия. 2008. № 6.Gusev A.B. Biofuel – an innovative perspective of the Russian energy sector. Management of Science and Scientometrics. 2008; 6.Саубенова М.Г., Кузнецова Т.В. Производство биоэтанола как альтернативного источника энергии // Приволжский научный вестник. 2015. №. 7 (47).Saubenova M.G., Kuznetsova T.V. Production of bioethanol as an alternative source of energy. Privolzhsky scientific bulletin. 2015; 7(47). (In Russ).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.