Отримання білкової маси Bacillus subtillis на мікробній масі Methylococcus capsulatus
Анотація
Зростаючий попит на харчові продукти тваринного походження сприяв щорічному збільшенню чисельності сільськогосподарської популяції продуктивних тварин у світі, що, в свою чергу, призвело до суттєвого дефіциту кормів та зростання їх вартості. Тому метою роботи було дослідження якісного складу кормових продуктів, отриманих шляхом культивування метанотрофних мікроорганізмів Methylococcus capsulatus з пробіотичними бактеріями Bacillus subtillis. Під час проведення досліджень використовували арбітражні методи визначення якості кормів, які регламентуються нормативними документами. Результати досліджень свідчать, що білковий продукт, отриманий при вирощуванні культури Methylococcus capsulatus, має високий вміст «сирого» протеїну на рівні 60,9 %, що за своїми технічними характеристиками відповідає високобілковим кормам тваринного походження. Додавання в середовище для культивування пробіотичних мікроорганізмів Bacillus subtillis дало змогу значно поліпшити якісні показники синтезованого білка за рахунок збільшення на 1,5 % кількості незамінних амінокислот, підвищення на 3,8 % жирних кислот і зростання концентрації кальцію та фосфору. Збільшення концентрації лізину, ізолейцину, валіну та аспарагінової кислоти внаслідок спільного культивування двох мікроорганізмів дало змогу збільшити їхню поживну цінність для великої рогатої худоби, оскільки ці амінокислоти є найзатребуванішими в раціонах жуйних тварин під час використання кукурудзяного силосу та інших рослинних кормів. Додавання культури Bacillus subtillis дало змогу знизити вміст «сирої» клітковини та поліпшити її біологічні характеристики за рахунок заміни мікробіологічного складу отриманого продукту. Використання в подальшому біотехнологічного методу отримання кормового білка для тварин дозволить знизити залежність тваринництва від вирощування кормових культур і погодних умов
Ключові слова
метанотрофи; мікробна культура; пробіотична культура; співкультивування; кормовий продукт; амінокислотний склад
[1] Bajić, B., Vučurović, D., Vasić, Đ., Jevtić-Mučibabić, R., & Dodić, S. (2023). Biotechnological production of sustainable microbial proteins from agro-industrial residues and by-products. Foods, 12(1), article number 107. doi: 10.3390/foods12010107.
[2] Bala, S., Garg, D., Sridhar, K., Inbaraj, B.S., Singh, R., Kamma, S., Tripathi, M., & Sharma, M. (2023). Transformation of agro-waste into value-added bioproducts and bioactive compounds: Micro/nano formulations and application in the agri-food-pharma sector. Bioengineering, 10(2), article number 152. doi: 10.3390/ bioengineering10020152.
[3] Cordeiro, M.R.C., Mengistu, G.F., Pogue, S.J., Legesse, G., Gunte, K.E., Taylor, A.M., Ominski, K.H., Beauchemin, K.A., McGeough, E.J., Faramarzi, M., & McAlliste, T.A. (2022). Assessing feed security for beef production within livestock-intensive regions. Agricultural Systems, 196, article number 103348. doi: 10.1016/j.agsy.2021.103348.
[4] Cruz, K.C.P., Enekegho, L.O., & Stuart, D.T. (2022). Bioengineered probiotics: Synthetic biology can provide live cell therapeutics for the treatment of foodborne diseases. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, article number 890479. doi: 10.3389/fbioe.2022.890479.
[5] Direkvandi, E., Mohammadabadi, T., & Salem, A.Z.M. (2020). Effect of microbial feed additives on growth performance, microbial protein synthesis, and rumen microbial population in growing lambs. Translational Animal Science, 4(4), article number txaa203. doi: 10.1093/tas/txaa203.
[6] Fabiszewska, A.U., Zielińska, K.J., & Wróbel, B. (2019). Trends in designing microbial silage quality by biotechnological methods using lactic acid bacteria inoculants: A minireview. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 35, article number 76. doi: 10.1007/s11274-019-2649-2.
[7] Fariña, S.R., & Chilibroste, P. (2019). Opportunities and challenges for the growth of milk production from pasture: The case of farm systems in Uruguay. Agricultural Systems, 176, article number 102631. doi: 10.1016/j. agsy.2019.05.001.
[8] Food and Agriculture Organization (FAO). (2023). Retrieved from: https://www.fao.org/worldfoodsituation/ csdb/en/.
[9] Gerber, P.J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., Falcucci, A., & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock – A global assessment of emissions and mitigation opportunities. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations.
[10] Golaghaiee, S., Fatemeh A., & Hamid. G. (2017). Microbial protein production from Candida tropicalis ATCC13803 in a submerged batch fermentation process. Applied Food Biotechnology, 4(1), 35-42. doi: 10.22037/ afb.v4i1.13698.
[11] Graham, A.E., & Ledesma-Amaro, R. (2023). The microbial food revolution. Nature Communications, 14, article number 2231. doi: 10.1038/s41467-023-37891-1.
[12] Guo, H., Su, Z., Yang, X., Xu, Sh., & Pan, H. (2022). Greenhouse gas emissions from beef cattle breeding based on the ecological cycle model. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(15), article number 9481. doi: 10.3390/ijerph19159481.
[13] Huang, X., Song, Q., Guo, Sh., & Fei, Q. (2022). Transcription regulation strategies in methylotrophs: Progress and challenges. Bioresources and Bioprocessing, 9, article number 126. doi: 10.1186/s40643-022-00614-3.
[14] Ismail, S. (2022). Production of single cell proteins (SCP) by Cupriavidus necator: Impact of environmental parameters, carbon and nitrogen sources. Toulouse: INSA de Toulouse.
[15] ISO 1099:2010. (2010). Animal feeding stuffs, cereals and milled cereal products – Guidelines for the application of near infrared spectrometry. Retrieved from https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:12099:ed-1:v1:en.
[16] ISO 13903:2005. (2005). Animal feeding stuffs. Determination of amino acids content. Retrieved from https:// www.iso.org/standard/37258.html.
[17] ISO 20588:2019. (2019). Animal feeding stuffs — Vocabulary. Retrieved from https://www.iso.org/obp/ ui#iso:std:iso:20588:ed-1:v1:en:term:3.3.5.
[18] ISO 5984:2022. (2022). Animal feeding stuffs. Determination of crude ash. Retrieved from https://www.iso.org/ standard/77807.html.
[19] ISO 6490-1:1985. (1985). Animal feeding stuffs. Determination of calcium content. Part 1: Titrimetric method. Retrieved from https://www.iso.org/standard/12861.html.
[20] ISO 6491:1998. (1998). Animal feeding stuffs - Determination of phosphorus content - Spectrometric method. Retrieved from https://www.orochem.org/384688.html.
[21] ISO 6865:2000. (2000). Animal feeding stuffs. Determination of crude fibre content. Method with intermediate filtration. Retrieved from https://www.iso.org/standard/13377.html.
[22] Kapoor, R., Singh, T.P., & Khosla, G. (2018). Biotechnological interventions in forage crops – A review. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 7(7), 1229-1240. doi: 10.20546/ijcmas.2018.707.148.
[23] Khider, M.L.K., Brautaset, T., & Irla, M. (2021). Methane monooxygenases: Central enzymes in methanotrophy with promising biotechnological applications. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 37, article number 72. doi: 10.1007/s11274-021-03038-x.
[24] Kisten, A.G., Roĭ, A.A., & Kurdish, I.K. (2002). Physiological activity of mixed cultures of Methylcoccus capsulatus UKM B-3030 with Bacillus megaterium UKM B-5723T and Bacillus subtilis VKPM B-1489 on solid surface colonization. Journal of Microbiology, 64(6), 73-79.
[25] Kuźniar, A., Furtak, K., Włodarczyk, K., Stępniewska, Z., & Wolińska, A. (2019). Methanotrophic bacterial biomass as potential mineral feed ingredients for animals. International Journal of Environmental Research and Public Health, 16(15), article number 2674. doi: 10.3390/ijerph16152674.
[26] Lu, W., Yu, H., Liang, Y., & Zhai, Sh. (2023). Evaluation of methanotroph (Methylococcus capsulatus, Bath) bacteria protein as an alternative to fish meal in the diet of Juvenile American Eel (Anguilla rostrata). Animals, 13(4), article number 681. doi: 10.3390/ani13040681.
[27] Moselhy, M.A., Borba, J.P., & Borba, A.E.S. (2022). Production of high-quality silage from invasive plants plus agro-industrial by-products with or without bacterial inoculation. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 39, article number 102251. doi: 10.1016/j.bcab.2021.102251.
[28] Nunes, J.J., Aufderheide, B., Ramjattan, D.M., & Dass, R. (2016). Enhanced production of single cell protein from M. capsulatus (Bath) growing in mixed culture. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences, 6(3), 894-899. doi: 10.15414/jmbfs.2016/17.6.3.894-899.
[29] Olson, E.G., Dittoe, D.K., Jendza, J.A., Stock, D.A., & Ricke, S.C. (2022). Application of microbial analyses to feeds and potential implications for poultry nutrition. Poultry Science, 101(5), article number 101789. doi: 10.1016/j. psj.2022.101789.
[30] Polyorach, S., Nampukdee, R., Wanapat, M., Kang, S., Cherdthong, A., Poungchompu, O., Gunun, P., Gunun, N., Foiklang, S., Thinowong, A., Jindatajak, Y., Lampee, A., & Norrapoke, T. (2023). Microbial fermented liquid supplementation improves nutrient digestibility, feed intake, and milk production in lactating dairy cows fed total mixed ration. Animals, 13(5), article number 933. doi: 10.3390/ani13050933.
[31] Rajesh, M., Kamalam, B.S., Sharma, P., Verma, V.Ch., Pandey, A., Dubey, M.K., Ciji, A., Akhtar, M.S., Pandey, N., Sarma, D., & Kaushik, S.J. (2022). Evaluation of a novel methanotroph bacteria meal grown on natural gas as fish meal substitute in rainbow trout, Oncorhynchus mykiss. Aquaculture Research, 53(6), 2159-2174. doi: 10.1111/ are.15735.
[32] Rasool, K., Hussain, S., Shahzad, A. Miran, W., Mahmoud, K.A., Ali, N., & Almomani, F. (2023). Comprehensive insights into sustainable conversion of agricultural and food waste into microbial protein for animal feed production. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 22, 527-562. doi: 10.1007/s11157-02309651-6.
[33] Roberts, N., Hilliard, M., He, Q.P., & Wang, J. (2020). A microalgae-methanotroph coculture is a promising platform for fuels and chemical production from wastewater. Frontiers in Energy Research, 8, article number 563352. doi: 10.3389/fenrg.2020.563352.
[34] Sadykova, E.O., Trebukh, M.D., Nikitin, N.S., Shestakova, S.I., Shumakova, A.A., Makarenko, M.A., & Tyshko, N.V. (2023). Alternative protein sources: bacteria Methylococcus capsulatus concentrate, characteristic of composition and biological value. Nutritional Issues, 92(3), 36-44. doi: 10.33029/0042-8833-2023-92-3-36-44.
[35] Salem, R., ElDyasti, A., & Audette, G.F. (2021). Biomedical applications of biomolecules isolated from methanotrophic bacteria in wastewater treatment systems. Biomolecules, 11(8), article number 1217. doi: 10.3390/biom11081217.
[36] Singh, R.P., Shadan, A., & Ma, Y. (2022). Biotechnological applications of probiotics: A multifarious weapon to disease and metabolic abnormality. Probiotics and Antimicrobial Proteins, 14(6), 1184-121. doi: 10.1007/ s12602-022-09992-8.
[37] Singhania, R.R., Patel, A.K., & Pandey, A. (2017). Biotechnology for agricultural waste recycling. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering: Solid Waste Management (pp. 223-240). Amsterdam: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-63664-5.00010-1.
[38] Terry, S.A., Basarab, J.A., LuoGuan, L., & McAllister, T.A. (2020). Strategies to improve the efficiency of beef cattle production. Canadian Journal of Animal Science, 101(1), 1-19. doi: 10.1139/cjas-2020-0022.
[39] The Ministry of Agriculture of Kazakhstan is concerned about low provision of livestock with fodder. (2023). Retrieved from https://www.apk-inform.com/ru/news/1534527.
[40] Tsapekos, P., Kougias, P.G., & Angelidaki, I. (2018). Mechanical pretreatment for increased biogas production from lignocellulosic biomass; Predicting the methane yield from structural plant components. Waste Management, 78, 903-910. doi: 10.1016/j.wasman.2018.07.017.
[41] Valverde-Pérez, B., Xing, W., Zachariae, A.A., Skadborg, M.M., Kjeldgaard, A.F., Palomo, A., & Smets, B.F. (2020). Cultivation of methanotrophic bacteria in a novel bubble-free membrane bioreactor for microbial protein production. Bioresource Technology, 310, article number 123388. doi: 10.1016/j.biortech.2020.123388.
[42] Xu, B., Liu, Y., Chen, K., Wang, L., Sagada, G., Tegomo, A.F., Yanf, Y., Sun, Y., Zheng, L., Ullah, S., & Shao, Q. (2021). Evaluation of methanotroph (Methylococcus capsulatus, Bath) bacteria meal (FeedKind®) as an alternative protein source for Juvenile Black Sea Bream, Acanthopagrus schlegelii. Frontiers in Marine Science, 8, article number 778301. doi: 10.3389/fmars.2021.778301.
[43] Zenkovich, P.A., Korentovich, M.A., Shabalina, T.O, Litvinenko, A.I., & Litvinenko, L.I. (2022). Experience of using dry biomass of methanotrophic bacteria in the enrichment of artificial feeds for Siberian sturgeon juveniles of the Ob population. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 949, article number 012136. doi: 10.1088/1755-1315/949/1/012136.
[44] Zheng, X.C., Li, H.S., Wang, Z.H., Sun, Z.F., & Zhao, L. (2023). Intermediates production in methane oxidation coupled with denitrification: Current status, challenges, and future opportunities. Fermentation, 9(7), article number 645. doi: 10.3390/fermentation9070645.