Цель проекта - выявление и характеристика микробных процессов, приводящих к образованию энергоносителей (углеводородов, водорода) и получению электричества в топливных элементах.
Поиск возобновляемых источников энергии микробного происхождения является актуальной задачей в связи с их экономичностью, экологической чистотой и возможностью сочетания их получения с другими биологическими процессами (использованием сельскохозяйственных и промышленных отходов, получением продуктов с высокой добавленной стоимостью). Одновременно поиск новых энергетических процессов у прокариот имеет большую ценность для фундаментальной науки, так как расширяет наши знания о многообразии микробного мира, в том числе с точки зрения энергетического метаболизма.
Исследования будут вестись в двух направлениях:
1. Исследование природных микробных сообществ, участвующих в процессах образования энергоносителей и преобразования вмещающих пород.
В рамках этого направления будет проводиться поиск новых продуцентов энергоносителей, будет исследоваться процесс современного образования высокомолекулярных углеводородов, а также будут изучаться биогеохимические механизмы образования энергоносителей микробного происхождения.
2. Разработка лабораторных моделей получения энергоносителей с помощью микроорганизмов.
В это направление входит исследование образования газообразных энергоносителей из органических отходов, исследование процессов образования водорода из сингаза и газообразных промышленных отходов, а также разработка биоэлектрохимических систем для трансформации органических отходов и биомассы в электричество и водород.
В первый год выполнения проекта проведен метагеномный анализ микробных сообществ грязевых вулканов Таманского полуострова и установлено, что основными группами микроорганизмов там являются сульфатредуцирующие бактерии и археи, осуществляющие анаэробное окисление метана, причем обнаруженная нами группа ANME-3 в наземных местообитаниях в качестве основного члена сообщества встречается впервые. Также проанализированы полученные ранее метагеномы микробных сообществ горячих источников Тувы и Камчатки и выявлено большое разнообразие бактерий, в том числе целевых групп, детектированных по ключевым функциональным генам искомых процессов. Получены устойчивые микробные сообщества, обогащенные метаногенами, а также СО-трофами, образующими водород или этанол. Путем высокопроизводительного секвенирования генов 16S рРНК проанализированы электрогенные накопительные культуры из источников Камчатки, где обнаружены железоредуцирующие представители филума Firmicutes, а также бактерии рода Sulfurhydrogenibium (филум Aquificeae).
Из горячего источника Солнечный (Камчатка), путем непрерывного культивирования в 3-л ферментере на минеральной среде в анаэробных условиях и в присутствии минерала сидерита (FeCO3), получена культура анаэробных бактерий рода Thermoanaerothrix, анаэробно окисляющих сидерит с образованием ацетата из СО2. Способность к анаэробному использованию сидерита выявлена также у алкалофильной бактерии рода Fuchsiella. Таким образом, нам удалось впервые продемонстрировать использование анаэробными микроорганизмами энергии закисного железа, сопряженное с ацетогенезом. Возможно использование таких микроорганизмов в топливных элементах, а также культивирование совместно с метаногенами, которые будут использовать ацетат или непосредственно образующиеся при окислении железа электроны.
Способность к образованию водорода при анаэробном использовании разнообразных биополимеров, в том числе целлюлозы и крайне устойчивых к гидролизу кератинов птичьих перьев, была выявлена у термофильных бактерий родов Dictyoglomus, Melioribacter, Thermoanaerobacterium, Thermoanaerobacter, Caldanaerobacter. Повышенная температура, при которой протекает процесс, окупается его скоростью и устойчивостью к загрязнению системы посторонней микрофлорой. Проанализирован геном первого термофильного планктомицета Thermogutta terrifontis и выявлена его способность к образованию водорода из широкого спектра полисахаридов.
Для исследования возможных источников "молодой нефти" на Камчатке из пробы грунта с Нефтяной площадки (кальдера Узон) была выделен представитель термофильных архей Thermoplasma sp. Путем экстракции гексаном, а также в результате термолиза нерастворимой фракции при 330°С из биомассы этого микроорганизма получены н-алканы состава С10–С41 и изопренаны состава С11–С20, причем распределение тех и других соответствует таковому в слабопреобразованных нефтях.
Таким образом, все задачи первого года работы были выполнены.
Полное описание проекта и список публикаций смотрите на сайте РНФ - http://rscf.ru/prjcard_int?17-74-30025