Cellulase activity of mycelial fungi collection strains study

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Relevance. Cellulases occupy the third place in the world among industrially produced enzymes. This is largely due to the fact that cellulose is the main component of plant material, and the lignin-cellulose part of biomass accumulates in huge quantities in the form of waste from agriculture, woodworking and other industries. To convert this material, it is necessary to perform its enzymatic cleavage to glucose and cellobiose using various cellulases.

The purpose of this work was to study the cellulose activity of collection strains of mycelial fungi for the selection of promising strains-producers of cellulases

Material and methods. The objects of the study were 13 strains of 12 species of micromycetes from the microorganisms biocollection of the VILAR, belonging to the genera Aspergillus, Monilia, Penicillium. The work used surface and deep cultivation of fungi on media with partial replacement of sucrose with cellulose. The cellulolytic activity of microorganisms was assessed by the growth rate of colonies. In addition, at the last stage of cultivation, the surface of the agar was stained with Lugol solution, the diameter of the lysis zones was measured and lysis indices were calculated.

Mushroom cultivation in deep conditions was carried out in flasks on a shaker. The seed material was a suspension of spores of seven-day deuteromycete cultures. In the culture fluid filtrates, the total cellulase activity was evaluated by determining reducing sugars, as well as the concentration of sucrose.

Statistical processing of the results, regression and correlation analysis were carried out on a personal computer using the Microsoft Office Excel 2010 statistical software package.

Results. During surface cultivation on a modified medium with cellulose, fungi formed colonies and well-defined lysis zones, which indicated the synthesis and secretion of cellulolytic enzymes. Differences in radial growth rates and lysis indices were found in individual species and strains of micromycetes. Using regression and correlation analysis, six strains were selected for deep cultivation. The presence of hydrolytic activity with respect to microcrystalline cellulose in the culture fluid of fungi during cultivation on a medium with partial replacement of sucrose with cellulose is shown.

Conclusions. The synthesis of cellulases was found by the studied fungal cultures during surface and deep cultivation. A comprehensive analysis of the data obtained makes it possible to select the most promising cellulase-producing strains.

About the authors

Z. K. Nikitina

All-Russian Scientific Institute of Medicinal and Aromatic Plants

Author for correspondence.
Email: nikitinaz@yandex.ru

Dr.Sc. (Biol.), Professor

Russian Federation, Moscow

I. K. Gordonova

All-Russian Scientific Institute of Medicinal and Aromatic Plants

Email: gordonova777@yandex.ru

Ph.D. (Biol.), Leading Research Scientist

Russian Federation, Moscow

References

  1. Bull A.T., Ward A.C., Goodfellow M. Search and discovery strategies for biotechnology: the paradigm shift. Microbial. Mol. Biol. Rev. 2000; 39: 122–127.
  2. Acharya S., Chaudhary A. Bioprospecting thermophiles for cellulose production: A review. Brazilian Journal of Micro-biology. 2012: 844–856.
  3. Srivastava N., Srivastava M., Alhazmi A., et al. Technological advances for improving fungal cellulose production from wastes for bioenergy application: A review. Environmental Pollution. 2021; 287: 117370. https://doi.org/10/1016/j.env-pol.2021.117370.
  4. Sulyman A.O., Igunnu A., Malomo S.O. Isolation, purification and characterization of cellulose produced by Aspergillus hy-pogeae shells. Heliyon 2020; 6: E05668. https://doi.org/10/ 1016/j.helion.2020.e05668.
  5. Jayasekara S., Ratnayake R. Microbial cellulases: an over-view and applications. 2019. In book: Cellulose. April 2019. Ch. 22. Publisher: IntechOpen. doi: 10.5772/intecho-pen.84531.
  6. Singhania R.R., Ruiz H.A., Awasthi M.K. et al. Challenges in cellulase bioprocess for biofuel application. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021; 151: 111622. https://doi. org/10/1016/j.rser.2021.111622.
  7. Hadlar D., Sen D., Gayen K. A review on the production of fermentable sugars from lingocellulosic biomass through convertional and enzymatic route – a comparison. Int. J. Green Energy. 2016; 13: 1232–1253.
  8. Kuhad R.C., Deswal D., Sharma S. et al. Revisiting cellulose production and redefining current strategies based on major challengers. Renew. Sustein. Energy Rev. 2016; 55: 249–272.
  9. Roth J.C.G., Hoeltz M., Benitez L.B. Current approaches and trends in the production of microbial cellulases using residual lignocellulosic biomass: a bibliometricanalysis of the last 10 years. Apch. microbial. 2020; 202(5): 935–951.
  10. Bischof R.H., Ramoni J., Seiboth B. cellulases and beyond: the first 70 years of the enzyme producer Trichoderma reesei. Microb. Cell Factories. 2016; 15: 106–118.
  11. Paul M., Mohapatra S., Mohapatra P.K.D., Thatoi H. Micro-bial cellulases – an update towards its surface chemistry, genetic engineering and recovery for its biotechnological potencial. Bioresource Technology. 2021; 340: 125710. https://doi.org/10/1016/j.biortech.2021.125710.
  12. Semenova M.V., Gusakov A.V., Telicin V.D., Sinicin A.P. Fermentativnaja destrukcija celljulozy: osobennosti ki-neticheskogo vzaimodejstvija liticheskih polisaharidmonooksigenaz i individual'nyh celljulaz. Prikladna-ja biohimija i mikrobiologija. 2021; 57(5): 477–484.
  13. Nikitina Z.K., Gordonova I.K. Razrabotka metodicheskih podhodov dlja poiska producentov celljulaz. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevticheskoj himii. 2018; 3: 27–31. DOI: 10.29296/ 25877313-2018-03-05.
  14. Nikitina Z.K., Jakovleva M.B., Gordonova I.K., Chol Z.H. Sravnitel'naja ocenka rosta dejteromicetov pri ispol'zovanii razlichnyh beloksoderzhashhih substratov. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevtich-eskoj himii. 2015; 11: 56–59.
  15. Sinicyn A.P., Gusakov A.P., Chernoglazov V.M. Biokonversija ligninocelljuloznyh materialov. M.: Izd-vo MGU. 1995. 224 s. ISBN 5-211-03050-8.
  16. Gosudarstvennaja farmakopeja Rossijskoj Federacii. Izd. XIII. T. 1 OFS. 1.2.3.001915 Opredelenie saharov spektrofotometricheskim metodom. M. 2015. 1470 s.
  17. Moroz I.V., Mihajlova R.V., Shahnovich E.V., Lobanok A.G. Poisk gribnyh producentov celljuloliticheskih fermentov. Trudy BGU. 2013; 8(ch. 1): 221–223.
  18. Thyong F.K., Vu N.H., Hoa L.V., Jakovleva M.B. Biologicheskie harakteristiki mikromicetov, vydelennyh iz pochv botanicheskogo sada Bach Thao. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevticheskoj himii. 2011; 5: 24–28.
  19. Nikitina Z.K., Gordonova I.K. Ispol'zovanie othodov lekarstvennogo rastitel'nogo syr'ja dlja biotehnologicheskogo poluchenija gidroliticheskih fermentov. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevticheskoj himii. 2019; 9: 37–42. doi: 10.29296/25877313-2019-09-06.
  20. Ivchenko G.I., Medvedev Ju.I. Matematicheskaja statistika: Uchebnik. M.: Knizhnyj dom «Librokom». 2014. 352 s. ISBN 978–5–397–04141–6.
  21. Nikitina Z.K., Gordonova I.K. Ocenka celljulaznoj aktivnosti mikromicetov. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevticheskoj himii. 2018; 6: 20–26. DOI: 10.29296/ 25877313-2018-06-04.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Growth of micromycetes on media with cellulose: upper row: P. malinovobranova F 3 (4th, 5th, and 6th days), lower row, P. bre-vicompactum F 37 (4th, 5th, and 6th day)

Download (140KB)
3. Figure 2. Changes in the radial growth rate of fungi during cultivation on cellulose media (top shows cultivation time in days)

Download (34KB)
4. Figure 3. Maximum rates of radial growth of micromycetes during cultivation on cellulose media

Download (34KB)
5. Figure 4. Colonies and zones of lysis of fungi during cultivation on media with cellulose. From left to right: P. purpurescens F 18 without color, P. purpurescens F 18 with color, P. brevicompactum F 37, A. terries F 59

Download (81KB)
6. Figure 5. Indices of fungal lysis during growth on media containing cellulose

Download (32KB)
7. Figure 6. Graph and linear regression equation showing the relationship between maximum growth rate and micromycete lysis index (R2 - coefficient of determination)

Download (24KB)

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».