Солюбилизация н-гексадекана мицеллярными растворами трегалолипида - ПАВ биологического происхождения

Цели. Выделить биосурфактанты гликолипидной природы, продуцируемые бактериями-деструкторами углеводородов нефти, и установить их способность к солюбилизации гидрофобных соединений на примере н-гексадекана.
Методы. Трегалолипиды выделяли из бактерий Rhodococcus erythropolis X5 (ВКМ Ac-2532 Д) и Rhodococcus erythropolis S67 (ВКМ Ac-2533 Д), входящих в биопрепарат «МикроБак» для биоремедиации нефтезагрязненных территорий. Геном R. erythropolis X5 депонирован в базе данных National Center for Biotechnology Information под номерами доступа GenBankCP044283 и CP044284, BioSample – SAMN12818508, BioProject – PRJNA573614 и SRA – PRJNA573614. Содержание трегалолипидных биосурфактантов оценивали по количеству трегалозы в водных растворах биосурфактантов с помощью фенольно-серного метода. Поверхностное натяжение полученных водных растворов биосурфактантов определяли методом отрыва кольца де Нуи с использованием тензиометра Kruss K6 (Kruss, Германия). Критическую концентрацию мицеллообразования определяли по точке перегиба на кривых зависимостях поверхностного натяжения от концентрации раствора биосурфактанта. Для установления солюбилизирующей способности биосурфактантов определяли остаточную концентрацию н-гексадекана в водной пробе различной концентрации с помощью газохроматографического метода анализа.
Результаты. При постоянном поверхностном натяжении 24.2 мН/м и 25.0 мН/м для R. erythropolis X5 и R. erythropolis S67 соответственно значение критической концентрации мицеллообразования для обоих штаммов составило 33 мг/л (3.8 ∙ 10⁻⁵ моль/л). С помощью газохроматографического метода анализа показано солюбилизирующее действие мицеллярных растворов трегалолипидов родококков в отношении гидрофобного н-гексадекана. Процесс солюбилизации охарактеризовали с помощью молярной солюбилизирующей способности (molar solubilization capacity, S_m), молярного коэффициента солюбилизации (molar solubilization ratio, MSR), коэффициента распределения мицелла–вода (micelle–water partition coefficient, К^m) и энергии солюбилизации 0 (ΔGS ). Показано, что процесс солюбилизации н-гексадекана протекает самопроизвольно 0 (ΔGS = −35.5 кДж/моль) и более эффективно (S_m = 4.3 моль/моль, MSR = 4.7 моль/моль) по сравнению с другими биосурфактантами гликолипидной природы.
Выводы. На основании величины молярного коэффициента солюбилизации можно сделать вывод, что трегалолипиды штамма R. erythropolis X5 в большей степени солюбилизируют н-гексадекан в водных растворах по сравнению с другими биосурфактантами гликолипидной природы, однако уступают синтетическим поверхностно-активным соединениям.

1. Alizadeh-Sani M., Hamishehkar H., Khezerlou A., Azizi-Lalabadi M., Azadi Y., Nattagh-Eshtivani E. Bioemulsifiers Derived from Microorganisms: Applications in the Drug and Food Industry. Adv. Pharm. Bull. 2018;8(2):191–199. https://doi.org/10.15171/apb.2018.023

2. Adu S.A., Naughton P.J., Marchant R., Banat I.M. Microbial Biosurfactants in Cosmetic and Personal Skincare Pharmaceutical Formulations. Pharmaceutics. 2020;12(11):1099. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12111099

3. Fenibo E.O., Ijoma G.N., Selvarajan R., Chikere C.B. Microbial Surfactants: The Next Generation Multifunctional Biomolecules for Applications in the Petroleum Industry and Its Associated Environmental Remediation. Microorganisms. 2019;7(11):581. https://doi.org/10.3390/microorganisms7110581

4. Pasternak G., Askitosari T.D., Rosenbaum M.A. Biosurfactants and Synthetic Surfactants in Bioelectrochemical Systems: A Mini-Review. Front. Microbiol. 2020;11:358. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00358

5. Kumar A., Singh S.K., Kant C., Verma H., Kumar D., Singh P.P., et al. Microbial Biosurfactant: A New Frontier for Sustainable Agriculture and Pharmaceutical Industries. Antioxidants. 2021;10(9):1472. https://doi.org/10.3390/antiox10091472

6. Gouthami K., Mallikarjunaswamy A.M.M., Bhargava R.N., Ferreira L.F.R., Rahdar A., Saratale G.D., Bankole P.O., Mulla S.I. Microbial Biodegradation and Biotransformation of Petroleum Hydrocarbons: Progress, Prospects, and Challenges. In: Genomics Approach to Bioremediation. Genomics Approach to Bioremediation: Principles, Tools, and Emerging Technologies. 2023. P. 229–247. https://doi.org/10.1002/9781119852131.ch13

7. Eras-Muñoz E., Farré A., Sánchez A., Font X., Gea T. Microbial biosurfactants: a review of recent environmental applications. Bioengineered. 2022;13(5):12365–12391. https://doi.org/10.1080/21655979.2022.2074621

8. Claus S., Jenkins Sánchez L., Van Bogaert I.N.A. The role of transport proteins in the production of microbial glycolipid biosurfactants. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2021;105(5): 1779–1793. https://doi.org/10.1007/s00253-021-11156-7

9. Sobrinho H.B.S., Luna J.M., Rufino R.D., Porto A.L.F., Sarubbo L.A. Biosurfactants: Classification, properties and environmental applications. In: Recent Developments in Biotechnology. 1st ed. Houston, USA: Studium Press LLC; 2013. P. 303–330.

10. Филонов А.Е., Кошелева И.А., Самойленко В.А., Шкидченко А.Н. и др. Биопрепарат для очистки почв от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, способ его получения и применения: пат. РФ № 2378060. Заявка № 200712540313; заявл. 05.07.2007; опубл. 10.01.2010.

11. Delegan Y., Valentovich L., Petrikov K., Vetrova A., Akhremchuk A., Akimov V. Complete Genome Sequence of Rhodococcus erythropolis X5, a Psychrotrophic Hydrocarbon-Degrading Biosurfactant-Producing Bacterium. Microbiol. Resour. Announc. 2019;8(48). https://doi.org/10.1128/mra.01234-19

12. Каримова В.Т., Дмитриевна Е.Д., Нечаева И.А. Влияние гуминовых веществ торфов Тульской области на рост микроорганизмов деструкторов нефти Rhodococcus erythropolis S67 и Rhodococcus erythropolis X5. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2017;2:60–68.

13. Luong T.M., Ponamoreva O.N., Nechaeva I.A., Petrikov K.V., Delegan Ya.A., Surin A.K., Linklater D., Filonov A.E. Characterization of biosurfactants produced by the oildegrading bacterium Rhodococcus erythropolis S67 at low temperature. World J. Microbiol. Biotechnol. 2018;34(2):20. https://doi.org/10.1007/s11274-017-2401-8

14. Лыонг Т.М., Нечаева И.А., Петриков К.В., Пунтус И.Ф., Понаморева О.Н. Бактерии-нефтедеструкторы рода Rhodococcus – потенциальные продуценты биосурфактантов. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016;6(1–16):50–60.

15. Леонова Т.И., Акатова Е.В., Пунтус И.Ф. Выделение гликолипидных биосурфактантов, продуцируемых бактериями Rhodococcus sp. 3-2, методом экстракции. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2021;(2):33–41. https://doi.org/10.24412/2071-6176-2021-2-33-41

16. Yang X., Tan F., Zhong H., Liu G., Ahmad Z., Liang Q. Sub-CMC solubilization of n-alkanes by rhamnolipid biosurfactant: the Influence of rhamnolipid molecular structure. Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2020;192:111049. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111049

17. Лыонг Т.М., Нечаева И.А., Петриков К.В., Филонов А.Е., Понаморева О.Н. Структура и физико-химические свойства гликолипидных биосурфактантов, продуцируемых бактериями-нефтедеструкторами Rhodococcus sp. X5. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017;7(2–21): 72–79. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-2-72-79

18. Kuyukina M.S., Ivshina I.B., Philp J.C., Christofi N., Dunbar S.A., Ritchkova M.I. Recovery of Rhodococcus biosurfactants using methyl tertiary-butyl ether extraction. J. Microbiol. Methods. 2001;46(2):149–156. https://doi.org/10.1016/S0167-7012(01)00259-7

19. Ratnikava M.S., Charniauskaya M.I., Bukliarevich H.A., Myamin U.Y., Meloni F., Lussu R., Titok M.A. Rhodococcus erythropolis strain A29-K1 – an effective producer of surface active compounds. In: Biotechnology of Microorganisms: Proc. International Scientific-Practical Conference. 2019. P. 163–165.

20. Petrikov K., Delegan Y., Surin A., Ponamoreva O., Puntus I., Filonov A., Boronin A. Glycolipids of Pseudomonas and Rhodococcus oil-degrading bacteria used in bioremediation preparations: formation and structure. Process Biochem. 2013; 48(5–6):931–935. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2013.04.008

21. White D.A., Hird L.C., Ali S.T. Production and characterization of a trehalolipid biosurfactant produced by the novel marine bacterium Rhodococcus sp., strain PML026. J. Appl. Microbiol. 2013;115(3):744–755. https://doi.org/10.1111/jam.12287

22. Yin H., Qiang J., Jia Y., Ye J., Peng H., Qin H., Zhang N., He B. Characteristics of biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa S6 isolated from oil-containing wastewater. Process Biochem. 2009;44(3):302–308. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2008.11.003

23. Balan S.S., Mani P., Kumar C.G., Jayalakshmi S. Structural characterization and biological evaluation of Staphylosan (dimannooleate), a new glycolipid surfactant produced by a marine Staphylococcus saprophyticus SBPS-15. Enzyme Microb. Technol. 2019;120:1–7. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2018.09.008

24. Tian Z.J., Chen L.Y., Li D.H., Pang H.Y., Wu S., Liu J.B., Huang L. Characterization of a Biosurfactant-producing Strain Rhodococcus sp. HL-6. Romanian Biotechnol. Lett. 2016;21(4):11650–11659.

25. Philp J.C.M.S., Kuyukina M., Ivshina I., Dunbar S., Christofi N., Lang S., Wray V. Alkanotrophic Rhodococcus ruber as a biosurfactant producer. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002;59(2):318–324. https://doi.org/10.1007/s00253-002-1018-4

26. Tuleva B., Cohen R., Stoev G., Stoineva I. Production and structural elucidation of trehalose tetraesters (biosurfactants) from a novel alkanothrophic Rhodococcus wratislaviensis strain. J. Appl. Microbiol. 2008;104(6):1703–1710. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2007.03680.x

27. Wang Y., Nie M., Diwu Z., Lei Y., Li H., Bai X. Characterization of trehalose lipids produced by a unique environmental isolate bacterium Rhodococcus qingshengii strain FF. J. Appl. Microbiol. 2019;127(5):1442–1453. https://doi.org/10.1111/jam.14390

28. Дремук А.П., Киенская К.И., Авраменко Г.В., Назаров В.В., Белова И.А. Особенности солюбилизирующего действия растворов бинарных и тройных смесей поверхностноактивных веществ на основе алкилполиглюкозида. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017;7(1): 49–55. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-50-56

29. Заруева Е.С., Нечаева И.А., Понаморева О.Н. Солюбилизация н-гексадекана в минеральной водной среде в присутствии поверхностно-активных веществ. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2020;(1):3–12.

30. Harendra S., Vipulanandan C. Effects of surfactants on solubilization of perchloroethylene (PCE) andtrichloroethylene (TCE). Ind. Eng. Chem. Res. 2011;50(9):5831–5837. https://doi.org/10.1021/ie102589e

31. Rodrigues R., Betelu S., Colombano S., Masselot G., Tzedakis T., Ignatiadis I. Influence of temperature and surfactants on the solubilization of hexachlorobutadiene and hexachloroethane. J. Chem. Eng. Data. 2017;62(10): 3252–3260. https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b00320

32. Li S., Pi Y., Bao M., Zhang C., Zhao D., Li Y., Sun P., Lu J. Effect of rhamnolipid biosurfactant on solubilization of polycyclic aromatic hydrocarbons. Marine Pollut. Bull. 2015;101(1):219–225. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2015.09.059

33. Zhong H., Liu Y., Liu Z., Jiang Y., Tan F., Zeng G., Yuan X., Yan M., Niu Q., Liang Y. Degradation of pseudo-solubilized and mass hexadecane by a Pseudomonas aeruginosa with treatment of rhamnolipid biosurfactant. Int. Biodeterior. Biodegradation. 2014;94:152–159. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2014.07.012

34. Yang Z., Cui J., Yin B. Solubilization of Nitrogen Heterocyclic Compounds Using Different Surfactants. Water, Air, Soil Pollut. 2018;229(9):304. https://doi.org/10.1007/s11270-018-3917-8