Введение
Согласно данным Департамента ООН по эко-
номическим и социальным вопросам к 2050 г.
население планеты увеличится до 9,7 млрд человек [1].
Снабжение продовольствием может стать серьезной
проблемой в ближайшие годы. Это связано не только
с ростом населения, но и с уменьшением площади
сельскохозяйственных угодий и деградацией имею-
щихся земель в результате индустриализации [2, 3].
Для удовлетворения постоянно растущего спроса
752
Milentyeva I.S. et al. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(4):750–761
на продукты питания необходимо обеспечить
устойчивость и продуктивность сельского хо-
зяйства [4, 5].
Абиотические и биотические стрессы сни-
жают рост, урожайность и качество сельско-
хозяйственных культур, что ежегодно приводит
к экономическим потерям [6, 7]. Абиотический
стресс у растений вызывают различные факторы:
засуха, засоление, экстремальные температуры
и загрязняющие вещества (например, тяжелые
металлы или пестициды) [8]. Многие из дан-
ных факторов способствуют проявлению окис-
лительного стресса. Такое состояние у растений
характеризуется повышенным содержанием в клетках
активных форм кислорода [9].
Окислительный стресс оказывает негативное
влияние на развитие растений. Если содержание
активных форм кислорода превышает уровень, ко-
торый клетка может нейтрализовать, то нарушается
окислительно-восстановительный гомеостаз. Это
приводит к неконтролируемому окислению липи-
дов, нуклеиновых кислот и белков, вызывая серьез-
ные метаболические изменения в клетках [10, 11].
Активные формы кислорода влияют на метаболизм
и рост растений такими способами, как замена ко-
фактора фермента, ингибирование антиоксидант-
ных ферментов и нарушение клеточного окис-
лительно-восстановительного баланса [12]. В клет-
ках растений существует система поглощения
свободных радикалов для защиты от окислительного
повреждения.
Большинство активных форм кислорода спо-
собно повреждать клетки. Однако некоторые из
них могут быть полезны на определенных стадиях
клеточного развития: деление и запрограммиро-
ванная гибель клеток [12]. Также активные формы
кислорода могут служить сигнатурными молеку-
лами, необходимыми для контроля экспрессии
генов. В связи с этим для нормального роста и раз-
вития растительные клетки должны использовать
механизмы для контроля и балансировки продук-
ции активных форм кислорода. Механизмы должны
быть обусловлены не только антиоксидантными
ферментами (супероксиддисмутаза, пероксидаза
и глутатионредуктаза), но и неферментативными
антиоксидантами (например, глутатионом и проан-
тоцианидином) [13, 14].
Усилению окислительного стресса способствует
засоление. Высокое содержание солей в почве может
вызывать перекисное окисление мембранных липидов
за счет активации фермента липоксигеназы, который
является важным фактором ингибирования роста
растений [15].
Также окислительный стресс вызывает вы-
сокая концентрация тяжелых металлов в почве.
Различные формы мышьяка способны напрямую
генерировать активные формы кислорода, осо-
бенно при окислительно-восстановительных транс-
формациях. Кроме того, мышьяк способен снижать
активность ключевых антиоксидантных ферментов,
связываясь с ними через тиоловые группы [16]. В
литературных источниках описана способность
кадмия к индукционному образованию активных
кислородных радикалов, к которым относят
супероксид, гидроксильные радикалы и перекись
водорода [17, 18].
Для защиты растений от окислительного стресса
применяют обработку различными химическими
веществами. R. Khademi Astaneh с соавторами ис-
пользовал нитропусид натрия в качестве источника
экзогенного азота у чеснока Allium sativum L. Ис-
следование показало, что нитропусид способен
защищать клетки от окислительного повреждения
за счет активизации антиоксидантных фермен-
тов [15]. M. Rizwan и соавторы исследовали влияние
наночастиц цинка и железа на рост пшеницы в
условиях окислительного стресса, вызванного кад-
мием. Согласно полученным данным наночастицы
(как кадмия, так и железа) способствовали снижению
окислительного стресса [19]. В работе C. Kaya и др. в
качестве источника экзогенного азота использовался
мелатонин – гормон с антиоксидантной активностью.
Исследования показали, что мелатонин снижает
содержание перекиси водорода и малонового диаль-
дегида в растениях, подвергшихся воздействию
кадмия, не менее чем на 30 %. Однако полностью
устранить окислительный стресс не удалось [20].
Несмотря на успешное применение химических
веществ в сельскохозяйственной деятельности,
использование описанных методов связано с
экологическими рисками. Распространение нано-
частиц в окружающей среде может представлять
потенциальную опасность для здоровья населения.
Данных о безопасности использования таких мате-
риалов мало, поэтому необходимо проведение
дополнительных исследований в данной облас-
ти [21]. Не только наночастицы, но и другие
химические вещества представляют собой эко-
логическую угрозу. Существуют данные о том, что
использование химических веществ в сельском
хозяйстве способно вызывать вторичное загрязне-
ние почв, что способствует развитию стресса у
растений [22–24].
Более экологичным методом снижения окис-
лительного стресса у растений является применение
микроорганизмов. В литературе описаны случаи
успешного применения микроорганизмов для сни-
жения окислительного стресса. Например, некоторые
штаммы Rhizobia стимулируют неферментативные
антиоксиданты в ткани Paullinia pinnata. Исследова-
ния показали, что инокуляция ризобактериями
повышала уровень глутатиона, проантоцианидина,
753
Милентьева И. С. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. № 4. С. 750–761
флаваноидов и аскорбиновой кислоты. Окислитель-
ный стресс в исследовании вызван дефицитом азота
и избыточным содержанием никеля в почве [9]. В
работе J. Chen и соавторов описан положительный
опыт применения арбускулярной микоризы, кото-
рая регулировала антиоксидантную активность в
листьях и корнях Robinia pseudoacacia, выращенных
в условиях окислительного стресса, обусловленного
засолением [25].
Перспективность использования микроорганиз-
мов в сельском хозяйстве обусловлена их спо-
собностью к синтезу фитогормонов [11]. Данные
вещества не только регулируют рост и развитие
растений, но и активизируют их антиоксидант-
ную систему защиты [26, 27]. Например, индол-3-
уксусная кислота способна изменять экспрессию
чувствительных к стрессу генов, что приводит к
увеличению антиоксидантного потенциала за счет
синтеза каталазы, супероксиддисмутазы и перокси-
дазы [28]. Индол-3-уксусная кислота – перспектив-
ный агент для снижения окислительного стресса.
Однако ее невозможно включить в удобрения из-за
низкой стабильности и быстрого разложения [29].
Поэтому актуальна разработка препаратов на ос-
нове микроорганизмов-продуцентов индол-3-уксус-
ной кислоты, которые будут синтезировать данное
вещество непосредственно на обрабатываемой
территории.
Целью работы являлось изучение антиок-
сидантных свойств штаммов микроорганизмов,
выделенных с территории антропогенного загряз-
нения для создания биопрепарата, уменьшающе-
го окислительный стресс сельскохозяйственных
растений.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования являлись микроорга-
низмы, выделенные из образцов почв, отобранных
на территории Таежного поля ОАО «УК «Кузбасс-
разрезуголь «Талдинский угольный разрез» (рис. 1).
Отбор образцов техногенных почв осуществляли
в осенний период в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-
2017. Выделение микроорганизмов производили
на мясопептонном бульоне. Культивирование про-
водили в течение 48 ч при 30 °С. Для выделения чис-
тых культур осуществляли посев культуральной
жидкости глубинным способом на мясопептон-
ный агар. Питательную среду стерилизовали при
температуре 130 °С и давлении 2 атм в течение 1,5 ч.
Посевы культивировали в термостате ПЭ-5З00ВИ
(«ЮНИТЭК», Россия) в течение 18 ч при 30 °С. Затем
единичные колонии пересевали на среду аналогич-
ного состава методом истощающего штриха.
Для изучения культуральных признаков произ-
водили посев суспензии выделенных микроорганиз-
мов с низкой концентрацией на мясопептонный агар
глубинным способом, а затем культивировали 18 ч
при 30 °С.
Биохимические свойства клеточной стенки
микроорганизмов определяли методом Грамма.
Морфологические признаки исследовали микро-
скопированием.
Антиоксидантную активность определяли по
методике A. Parsa и S. A. Salout [30]. В качестве пи-
тательной среды использовали мясопептонный
бульон. Культивирование проводили в течение 48 ч
при 30 °С. Полученную суспензию центрифугиро-
вали в течение 5 мин при 10 000 об/мин. Супернатант
смешивали с реактивом ABTS в соотношении 1:15.
Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре
при длине волны 754 нм. Раствором сравнения служил
реактив ABTS («СигмаТек», Россия) со стерильной
средой. Антиоксидантную активность рассчитывали
по формуле (1):
ABTS исл
ABTS
АОА A A 100
A
−
= × (1)
где АОА – антиоксидантная активность, %; АABTS –
оптическая плотность реактива ABTS; Aисл –
оптическая плотность исследуемого раствора.
Количество индол-3-уксусной кислоты, синтези-
руемой микроорганизмами, определяли по методи-
ке L. G. Sarmiento-Lоpez и др. [31]. В 1,5 мл среды
мясопептонного бульона с 0,1 % L-триптофаном
вносили 5 % бактериального консорциума. Термо-
статировали в течение 48 ч, а затем центрифугиро-
вали при 10 000 об/мин в течение 5 мин. 1 мл супер-
натанта смешивали с 1 мл реагента Сальковского
(0,1 г FeCl3, растворенный в 100 мл 50 % H2SO4)
и выдерживали при комнатной температуре в
течение 30 мин до окрашивания раствора в розовый
цвет. Оптическую плотность полученного раствора
Рисунок 1. Снимок со спутника на GOOGL
MAPS Таежного поля ОАО «Угольная компания
«Кузбассразрезуголь «Талдинский угольный разрез»
Figure 1. Satellite image of the Taiga field developed by
Kuzbassrazrezugol Coal Company, Talda Coal Mine
754
Milentyeva I.S. et al. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(4):750–761
измеряли на спектрофотометре при 535 нм. Коли-
чество индол-3-уксусной кислоты определяли по
калибровочному графику ее стандартного раствора
в пределах от 1 до 40 мг/мл.
Идентификацию микроорганизмов проводили с
использованием автоматического микробиологичес-
кого анализатора Vitek 2 Compact с использованием
карт ID-GN (грамотрицательные микроорганизмы)
и ID-GP (грамположительные микроорганизмы).
Культуры выращивали на колумбийском агаре с
кровью в течение 48 ч при 30 °С, и затем готовили
суспензию штаммов с плотностью по МакФарланду
в пределах 2,70–3,30 [32].
Биосовместимость штаммов осуществляли по
методу, описанному Г. С. Волковой и др. [33]. Чис-
тые культуры выделенных микроорганизмов вы-
саживали на среду мясопептонного бульона и
культивировали 24 ч при 30 °С. Затем часть суспензии
центрифугировали при 10 000 об/мин 15 мин. В
чашки Петри с застывшей средой мясопептонного
агара вносили 1 каплю супернатанта и дожидались
полного ее впитывания. Потом каплю исследуемого
штамма наносили с небольшим отступом от края
первой капли таким образом, чтобы она зашла на
каплю с супернатантом. Посев культивировали в
течение 24 ч при 30 °С. Если в месте пересечения
наблюдали рост культур, то делали вывод о том, что
метаболиты первой культуры не подавляют рост
исследуемого штамма. Контролем служила область
на среде, где исследуемая культура не соприкасалась
с супернатантом [33].
Определение антиоксидантной активности и
количества синтезируемой индол-3-уксусной кислоты
консорциумом определяли по вышеописанным
методам.
Для определения прироста биомассы использо-
вали методику Р. Г. Геворгиза и др. [34]. Чистые
культуры высаживали на мясопептонный бульон и
культивировали в течение 48 ч при 30 °С. Все чистые
культуры добавляли в определенных пропорциях.
После культивирования определяли оптическую
плотность на спектрофотометре при длине волны
554 нм.
Работа была выполнена с использованием
оборудования ЦКП «Инструментальные методы
анализа в области прикладной биотехнологии» на
базе КемГУ.
Результаты и их обсуждение
Из образцов почв выделили 10 чистых культур
микроорганизмов. Культуральные и морфологические
признаки представлены в таблице 1.
Рост исследуемых микроорганизмов на чашках
Петри представлен на рисунке 2.
По результатам морфологического исследования
выявлено, что наибольшее количество выделенных
микроорганизмов являются грамотрицательными
(60 %). Бациллы составили 60 %, кокки – 30 %,
диплококки – 10 %. Спорообразующие бактерии –
(70 %). Подвижных и неподвижных микроорга-
низмов равное количество.
Отбор выделенных штаммов в состав консор-
циума осуществляли в соответствии с антиокси-
дантной активностью. Результаты исследования
антиоксидантной активности выделенных штаммов
представлены таблице 2.
Для дальнейших исследований отобраны образцы
№ 2–6 и 8–10. Антиоксидантная активность данных
штаммов превышала 70 %. Помимо антиоксидантной
активности в защите растений от окислительного
стресса участвуют фитогормоны. Например, индол-
3-уксусная кислота – гормон класса ауксинов,
обладающих высокими антиоксидантными свойст-
вами [26]. Исследование способности абориген-
ных микроорганизмов к синтезу индол-3-уксусной
кислоты представлено в таблице 3.
Согласно полученным данным наибольшее
количество индол-3-уксусной кислоты синтези-
ровали штаммы № 2, 3, 6 и 8. Данные микроорга-
низмы отобраны для идентификации. Физиолого-
биохимические особенности микроорганизмов пред-
ставлены в таблице 4.
Полученные результаты подтверждаются лите-
ратурными данными. Z. Wu и соавторы в своем
исследовании выяснили, что бактерия Klebsiella
oxytoca обладает высокими антиоксидантными
свойствами [35]. A. S. Pavlova с соавторами доказала,
что данный микроорганизм синтезирует индол-3-
уксусную кислоту и способен увеличивать рост
растений [36]. Штамм Enterobacter в исследовании
Z. Saeed и др. способствовал защите растения от
окислительного стресса за счет увеличения коли-
чества антиоксидантных ферментов [37]. В ис-
следовании B.-X. Zhang с соавторами вышеупомя-
нутый микроорганизм, выделенный из эндофитов
кукурузы в Китае, синтезировал индол-3-уксусную
кислоту, концентрация которой в питательной
среде составила 0,2 мг/мл [38]. S. Alipour Kafi и
соавторы выделили штамм Pseudomonas putida
из ризосферной почвы. Их исследование показало,
что добавление данного микроорганизма в почву
увеличивает выход антиоксидантных ферментов, а
также способствует лучшему нарастанию биомассы
растений [39]. J. H. J. Leveau и S. E. Lindow выяснили,
что из 4,5 мМ L-триптофона P. putida синтезируется
0,05 мМ индол-3-уксусной кислоты [40]. Bacillus
megaterium в работе F. Pei и др. выделен из почв
с виноградников Китая. Данный микроорганизм
синтезирует экзополисахариды, обладающие высо-
кими антиоксидантными свойствами [41]. В иссле-
довании B. Ali и др. B. megaterium, выделенный
из ризосферы растений, синтезировал 0,003 мг/мл
индол-3-уксусной кислоты в среде L-бульона с
добавлением 1 мг/мл L-триптофана [42]. Более
755
Милентьева И. С. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. № 4. С. 750–761
Таблица 1. Культуральные и морфологические признаки микрооргани змов
Table 1. Cultural and morphological characteristics of microorganisms
№ аборигенного
микроорганизма
Признаки
Культуральные Морфологические
1 Белые, матовые, приподнятые, округлые с ровными
краями колонии с диаметром 3 мм
Короткие бациллы размером в среднем
0,5×0,3 мкм, грамотрицательные,
спорообразующие, подвижные
2 Колонии светло-бежевого цвета, глянцевые, выпуклые,
округлой формы с ровными краями, в среднем
диаметр составляет 2,5 мм
Бациллы размером в среднем 1,4×0,7 мкм,
грамотрицательные, спорообразующие,
неподвижные
3 Колонии белесого цвета, масляные, приподнятые,
округлые с ровными краями, диаметр в среднем
составляет 1 мм
Короткие бациллы с закругленными
краями размером в среднем 2,0×0,7 мкм,
грамотрицательные, спорообразующие,
подвижные
4 Белесые, матовые, выпуклые, округлые с ровными
краями колонии с диаметром 1 мм
Кокки диаметром в среднем 0,6 мкм,
грамположительные, спорообразующие,
неподвижные
5 Колонии белесого цвета, масляные, округлой формы
с ровными краями, приподнятые, диаметр составляет
в среднем 3 мм
Кокки диаметром в среднем 0,6 мкм,
грамотрицательные, неспорообразующие,
неподвижные
6 Колонии белого цвета, глянцевые, выпуклые,
округлой формы с неровными краями, в среднем
диаметр составляет 1,5 мм
Бациллы размером в среднем 3,0×0,8 мкм,
грамотрицательные, неспорообразующие,
подвижные
7 Желтые, масляные колонии округлой формы с
ровными краями, приподнятые, диаметр равен 2 мм
Диплококки диаметром в среднем 0,5 мкм,
грамотрицательные, спорообразующие,
неподвижные
8 Колонии прозрачные, матовые, выпуклые, округлой
формы с неровными краями, диаметр равен 2 мм
Бациллы с закругленными концами размером
в среднем 3,5×0,5 мкм, грамположительные,
спорообразующие, подвижные
9 Колонии белого цвета, матовые, округлой формы с
ровными краями, приподнятые, диаметр составляет
в среднем 3 мм
Кокки диаметром в среднем 0,6 мкм,
грамположительные, неспорообразующие,
неподвижные
10 Желтые, глянцевые колонии округлой формы с
ровными краями, выпуклые, диаметр равен 1,5 мм
Бациллы размером в среднем 1,0×0,4 мкм,
грамположительные, спорообразующие,
подвижные
Рисунок 2. Рост исследуемых микроорганизмов в чашке Петри на ср еде МПА, где 1–10 – номера исследуемых
штаммов
Figure 2. Microorganisms in a beef-extract agar medium: 1–10 are the strain numbers
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
756
Milentyeva I.S. et al. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(4):750–761
Таблица 2. Антиоксидантная активность выделенных
аборигенных микроорганизмов
Table 2. Antioxidant activity of isolated native microorganisms
№ аборигенного
микроорганизма
Антиоксидантная активность, %
1 67,21 ± 3,08
2 87,23 ± 4,21
3 89,15 ± 4,10
4 71,56 ± 3,39
5 76,20 ± 3,20
6 91,05 ± 4,17
7 68,29 ± 3,12
8 83,37 ± 3,98
9 71,84 ± 3,46
10 86,36 ± 4,05
Таблица 3. Синтез индол-3-уксусной кислоты
выделенными микроорганизмами
Table 3. Synthesis of indole-3-acetic acid by isolated
microorganisms
№ аборигенного
микроорганизма
Количество синтезируемой
индол-3-уксусной кислоты,
мг/мл питательной среды
2 15,24 ± 0,69
3 13,08 ± 0,53
4 9,37 ± 0,34
5 9,82 ± 0,38
6 12,61 ± 0,41
8 11,58 ± 0,44
9 9,23 ± 0,41
10 8,91 ± 0,32
Таблица 4. Физиолого-биохимические признаки микроорганизмов
Table 4. Physiological and biochemical profile of microorganisms
Субстрат K.
oxytoca
E.
aerogenes
P.
putida
B.
megaterium
Субстрат K.
oxytoca
E.
aerogenes
P.
putida
B.
megaterium
Ala-Phe-Proarylamidase
– – – + L-malate
assimilation
+ – + +
H2S – – – – D-glucose + + + +
Beta-glucosidase + + – + D-mannose + + – –
L-proline
arylamidase
– – + – Tyrosine
arylamidase
– – + +
Saccharose/sucrose – + – – Citrate (sodium) + + + –
L-Lactate
alkalinisation
+ + + – Beta-N-acetylgalactosaminidase
– + – +
Glycine
arylamidase
+ – – – L-histidine
assimilation
+ – + +
O/129 resistance
comp. vibrio)
+ + + + Ellman – – – +
Adonitol + + – + D-Cellobiose + + – –
Beta-N-acetylglucosaminidase
– + – – Gamma-glutamyltransferase
+ – + +
D-maltose + + – – Beta-xylosidase + + – –
Lipase – – – + Urease + – – –
D-tagatose + + – + Malonate + + – –
Alpha-glucosidase – – – + D-trehalose + + – +
Ornithine
decarboxylase
– + – – Coumarate – – + –
Glu-Gly-Argarylamidase
– – – + L-lactate
assimilation
+ – + +
L-pyrrolydonyl
arylamidase
+ – – + Beta-galactosidase + + – +
Glutamyl
arylamidase pNA
– – – – Fermentation/
glucose
+ – – –
D-mannitol + + – + Phosphatase + – – +
Palatinose + + – + D-sorbitol + + – –
Lysine
decarboxylase
+ – – – 5-keto-Dgluconate
+ – – +
Succinate
alkalinisation
+ – + + Beta-alanine
arylamidase pNA
– – + –
Alpha-galactosidase + + – + Betaglucoronidase
– – – –
L-Arabitol – + – +
757
Милентьева И. С. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. № 4. С. 750–761
без глицина и с его добавлением в количестве 1, 2
и 5 %. Результаты исследования нарастания био-
массы и антиоксидантной активности биопрепарата
представлены в таблице 7.
Наиболее оптимальной по соотношению антиок-
сидантной активности и нарастанию биомассы
является среда мясопептонный бульон + 2 % глицина
(далее среда А). Предшественником индол-3-уксус-
ной кислоты является L-триптофан, поэтому добав-
ление его в питательную среду способствует увеличе-
нию количества синтезируемого фитогормона [29].
Для подтверждения гипотезы готовили питательную
среду А с добавлением 0,1, 0,2 и 0,5 % L-триптофана.
высокий выход индол-3-уксусной кислоты может
быть связан с тем, что исследуемые штаммы выделены
с техногенно нарушенных территорий в Кемеровской
области.
Для создания биопрепарата изучали биосовмес-
тимость идентифицированных микроорганизмов.
Результаты представлены в таблице 5.
Согласно результатам исследования штамм
K. oxytoca подавляет рост P. putida и B. megaterium,
а его рост подавляют метаболиты Enterobacter aerogenes.
На рост P. putida положительно влияют все
исследуемые микроорганизмы, но он подавляет рост
K. oxytoca. Метаболиты, синтезируемые E. aerogenes,
подавляют рост только B. megaterium. Штамм B.
megaterium негативно влияет на рост K. oxytoca.
Можно сделать вывод о том, что биосовместимыми
являются P. putida с E. aerogenes и B. megaterium.
В исследовании составлено шесть вариантов кон-
сорциумов, представленных на рисунке 3.
Для всех исследуемых консорциумов определяли
прирост биомассы и антиоксидантную активность.
Результаты исследования представлены в таблице 6.
Из таблицы 6 видно, что наибольшей антиок-
сидантной активностью обладает консорциум А–2,
содержащий P. putida и E. aerogenes в соотноше-
нии 2:1. Для создания биопрепарата необходимо
подобрать среду с наибольшим выходом биомассы
и антиоксидантной активности. По литературным
данным для увеличения синтеза веществ, обладаю-
щих антиоксидантными свойствами, в питательную
среду добавляют глицин [43]. Для сравнения гото-
вили питательную среду мясопептонного бульона
Рисунок 3. Варианты консорциумов: А – консорциум
Pseudomonas putida с Enterobacter aerogenes;
В – консорциум Pseudomonas putida с Bacillus
megaterium; 1 – соотношение 1:1, 2 – соотношение 2:1,
3 – соотношение 1:2
Figure 3. Consortia: A – Pseudomonas putida + Enterobacter
aerogenes; C – Pseudomonas putida + Bacillus megaterium;
1 – 1:1, 2 – 2:1, 3 – 1:2
А–1; В–1 А–2; В–2 А–3; В–3
Таблица 5. Результаты определения биосовместимости штаммов
Table 5. Microbial biocompatibility
Микроорганизм Klebsiella oxytoca Enterobacter aerogenes Pseudomonas putida Bacillus megaterium
Klebsiella oxytoca + – –
Enterobacter aerogenes – + +
Pseudomonas putida + + +
Bacillus megaterium – – +
Таблица 6. Результаты исследования сконструированных консорциум ов
Table 6. Properties of the new consortia
Варианты
консорциумов
Антиоксидантная активность, % Количество синтезируемой
индол-3-уксусной кислоты,
мг/мл питательной среды
Прирост биомассы,
оптическая плотность
А–1 88,34 ± 4,12 14,90 ± 0,64 0,49 ± 0,02
А–2 94,52 ± 4,28 15,23 ± 0,56 0,51 ± 0,02
А–3 81,76 ± 3,86 12,54 ± 0,71 0,42 ± 0,01
В–1 89,58 ± 4,05 14,08 ± 0,56 0,38 ± 0,01
В–2 92,81 ± 4,49 16,71 ± 0,63 0,46 ± 0,02
В–3 87,66 ± 3,97 11,39 ± 0,38 0,50 ± 0,02
758
Milentyeva I.S. et al. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(4):750–761
А – P. putida с E. aerogenes и В P. putida с
B. megaterium. Соотношение микроорганизмов в
выбранных консорциумах: 1 – 1:1, 2 – 2:1, 3 – 1:2
соответственно.
Наибольшей антиоксидантной активностью
обладал консорциум А–2 (94,52 %), количеством
синтезируемой индол-3-уксусной кислоты – В–2
(16,71 мг/мл питательной среды), нарастанием
биомассы – А–2 (0,51). Таким образом, для защиты
сельскохозяйственных культур от окислительного
стресса и лучшей выживаемости выбрали консорциум
А–2, несмотря на меньшую способность к синтезу
индол-3-уксусной кислоты, чем В–2. Однако А–2
характеризуется более высокой антиоксидантной
активностью и приростом биомассы.
Для увеличения антиоксидантных свойств в мясо-
пептонный бульон добавили глицин в 3 вариантах:
1, 2 и 5 % от объема питательной среды. Наи-
большая антиоксидантная активность выявлена
на среде с добавление 2 % глицина (96,81 ± 4,35),
что выше на 2,34 % контрольного образца (мясопеп-
тонный бульон без добавления глицина). Прирост
биомассы составил 0,54 ± 0,02. Таким образом, для
создания биопрепарата в среду мясопептонного
бульона следует вносить 2 % глицина (среда А).
Чтобы увеличить содержание индол-3-уксусной
кислоты в среду А добавляли L-триптофон в
количестве 0,1, 0,2 и 0,5 %. По результатам ис-
следования в среде А + 0,5 % L-триптофона био-
препарат синтезирует в 1,2 раза больше индол-
3-уксусной кислоты по сравнению с контролем
(мясопептонный бульон).
Можно сделать вывод о том, что консорциум
P. putida с E. aerogenes в соотношении 2:1 об-
ладает большой антиоксидантной активностью,
Для сравнения использовали среду мясопептонно-
го бульона. Результаты исследования нарастания
биомассы, антиоксидантной активности и количества
синтезируемой индол-3-уксусной кислоты биопре-
паратом представлены в таблице 8.
Таким образом, оптимальный состав среды для
биопрепарата: 3 г пептона, 3,3 г мясного экстракта,
1,5 г натрия хлорнокислого, 3,1 г глицина, 1,6 г
L-триптофана и 300 мл дистиллированной воды.
Выводы
Из почв техногенно нарушенных террито-
рий выделили 10 штаммов микроорганизмов.
На основании результатов исследования ан-
тиоксидантной активности отобрано 8 перс-
пективных микроорганизмов. У образцов № 6
антиоксидантная активность равна 91,05 %, № 2
и 3 превышает 85 %, № 8 – 83,36 %, № 4 и 9
превышает 70 %.
Анализ количества синтезируемой индол-3-
уксусной кислоты показал, что перспективными
штаммами для составления консорциума являют-
ся микроорганизмы № 2, 3, 6 и 8. Наибольшее коли-
чество индол-3-уксусной кислоты синтезировал
№ 2 (15,24 мг/мл питательной среды).
В соответствии с данными, полученными на
автоматическом микробиологическом анализаторе,
выявили, что № 2 является Klebsiella oxytoca,
№ 3 – Enterobacter aerogenes, № 6 – Pseudomonas
putida, № 8 – Bacillus megaterium. Несмотря
на то что K. oxytoca обладает достаточно высо-
кими характеристиками, данный штамм не совмес-
тим с другими. Биосовместимыми оказались
P. putida с E. aerogenes и с B. megaterium. Ва-
рианты исследуемых консорциумов следующие:
Таблица 8. Результаты исследования биопрепарата
Table 8. Consortium of Pseudomonas putida and Enterobacter aerogenes
Варианты
консорциумов
Антиоксидантная
активность, %
Количество синтезируемой
индол-3-уксусной кислоты,
мг/мл питательной среды
Нарастание биомассы,
оптическая плотность
Мясопептонный бульон 94,30 ± 4,08 15,13 ± 0,56 0,50 ± 0,02
Среда А + 0,1 % L-триптофана 96,05 ± 4,56 16,02 ± 1,02 0,56 ± 0,03
Среда А + 0,2 % L-триптофана 94,63 ± 4,63 16,84 ± 0,75 0,49 ± 0,01
Среда А + 0,5 % L-триптофана 97,18 ± 4,67 18,01 ± 0,91 0,63 ± 0,02
Таблица 7. Результаты исследования биопрепарата
Table 7. Consortium of Pseudomonas putida and Enterobacter aerogenes
Варианты консорциумов Антиоксидантная активность, % Прирост биомассы, оптическая плотность
Мясопептонный бульон 94,47 ± 4,53 0,50 ± 0,02
Мясопептонный бульон + 1 % глицина 95,35 ± 4,20 0,56 ± 0,03
Мясопептонный бульон + 2 % глицина 96,81 ± 4,35 0,54 ± 0,02
Мясопептонный бульон + 5 % глицина 92,23 ± 4,04 0,49 ± 0,02
759
Милентьева И. С. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. № 4. С. 750–761
а также высоким содержанием идол-3-уксусной
кислоты в культуральной жидкости. Добавление
в мясопептонный бульон 2 % глицина и 0,5 %
L-триптофона увеличивает антиоксидантную актив-
ность на 2,88 %, индол-3-уксусную кислоту –
на 3,12 мг/мл питательной среды по сравнению с
мясопептонным бульоном. Для создания биопрепа-
рата оптимально культивирование консорциума в
среде мясопептонный бульон + 2 % глицина + 0,5 %
L-триптофана.
В дальнейшем планируется исследовать влияние
разработанного биопрепарата на рост и развитие
растений. Данные исследования необходимы для
установления способности препарата снижать окис-
лительный стресс у растений и влиять на всхожесть
и урожайность сельскохозяйственных культур.
Критерии авторства
Авторы в равной степени участвовали в написа-
нии рукописи и несут равную ответственность за
плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-
ресов в данной публикации.

1. Fatemi H, Esmaiel Pour B, Rizwan M. Isolation and characterization of lead (Pb) resistant microbes and their combined use with silicon nanoparticles improved the growth, photosynthesis and antioxidant capacity of coriander (Coriandrum sativum L.) under Pb stress. Environmental Pollution. 2020;266. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114982

2. Rada AO, Kuznetsov AD. Digital inventory of agricultural land plots in the Kemerovo Region. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):206-215. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-529

3. Milentyeva IS, Le VM, Kozlova OV, Velichkovich NS, Fedorova AM, Loseva AI, et al. Secondary metabolites in in vitro cultures of Siberian medicinal plants: Content, antioxidant properties, and antimicrobial characteristics. Foods and Raw Materials. 2021;9(1):153-163. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-1-153-163

4. Gu D, Andreev K, Dupre ME. Major trends in population growth around the world. China CDC Weekly. 2021;3(28):604-613. https://doi.org/10.46234/ccdcw2021.160

5. Kumaraswamy RV, Kumari S, Choudhary RC, Pal A, Raliya R, Biswas P, et al. Engineered chitosan based nanomaterials: Bioactivities, mechanisms and perspectives in plant protection and growth. International Journal of Biological Macromolecules. 2018;113:494-506. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.02.130

6. Nizamutdinov ТI, Suleymanov AR, Morgun EN, Dinkelaker NV, Abakumov EV. Ecotoxicological analysis of fallow soils at the yamal experimental agricultural station. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(2):350-360. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-2-2369

7. Fotina NV, Emelianenko VP, Vorob’eva EE, Burova NV, Ostapova EV. Contemporary biological methods of mine reclamation in the Kemerovo Region - Kuzbass. Food Processing: Techniques and Technology. 2021;51(4):869-882. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-4-869-882

8. Liu W-C, Song R-F, Zheng S-Q, Li T-T, Zhang B-L, Gao X, et al. Coordination of plant growth and abiotic stress responses by tryptophan synthase β subunit 1 through modulation of tryptophan and ABA homeostasis in Arabidopsis. Molecular Plant. 2022;15(6):973-990. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.04.009

9. Kerchev P, van der Meer T, Sujeeth N, Verlee A, Stevens CV, Van Breusegem F, et al. Molecular priming as an approach to induce tolerance against abiotic and oxidative stresses in crop plants. Biotechnology Advances. 2020;40. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.107503

10. Dias MC, Mariz-Ponte N, Santos C. Lead induces oxidative stress in Pisum sativum plants and changes the levels of phytohormones with antioxidant role. Plant Physiology and Biochemistry. 2019;137:121-129. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.02.005

11. Drozdova MYu, Pozdnyakova AV, Osintseva MA, Burova NV, Minina VI. The microorganism-plant system for remediation of soil exposed to coal mining. Foods and Raw Materials. 2021;9(2):406-418. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-2-406-418

12. Yu X, Shoaib M, Cheng X, Cui Y, Hussain S, Yan J, et al. Role of rhizobia in promoting non-enzymatic antioxidants to mitigate nitrogen-deficiency and nickel stresses in Pongamia pinnata. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2022;241. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113789

13. AbdElgawad H, Zinta G, Hamed BA, Selim S, Beemster G, Hozzein WN, et al. Maize roots and shoots show distinct profiles of oxidative stress and antioxidant defense under heavy metal toxicity. Environmental Pollution. 2020;258. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113705

14. Ali MA, Fahad S, Haider I, Ahmed N, Ahmad S, Hussain S, et al. Oxidative stress and antioxidant defense in plants exposed to metal/metalloid toxicity. In: Hasanuzzaman M, Fotopoulos V, Nahar K, Fujita M, editors. Reactive oxygen, nitrogen and sulfur species in plants: Production, metabolism, signaling and defense mechanisms. John Wiley & Sons; 2019. pp. 353-370. https://doi.org/10.1002/9781119468677.ch15

15. Khademi Astaneh R, Bolandnazar S, Zaare Nahandi F. Exogenous nitric oxide protect garlic plants against oxidative stress induced by salt stress. Plant Stress. 2022;5. https://doi.org/10.1016/j.stress.2022.100101

16. Patel M, Parida AK. Salinity alleviates the arsenic toxicity in the facultative halophyte Salvadora persica L. by the modulations of physiological, biochemical, and ROS scavenging attributes. Journal of Hazardous Materials. 2021;401. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123368

17. Farooq M, Ullah A, Usman M, Siddique KHM. Application of zinc and biochar help to mitigate cadmium stress in bread wheat raised from seeds with high intrinsic zinc. Chemosphere. 2020;260. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127652

18. Haider FU, Liqun C, Coulter JA, Cheema SA, Wu J, Zhang R, et al. Cadmium toxicity in plants: Impacts and remediation strategies. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021;211. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111887

19. Rizwan M, Ali S, Ali B, Adrees M, Arshad M, Hussain A, et al. Zinc and iron oxide nanoparticles improved the plant growth and reduced the oxidative stress and cadmium concentration in wheat. Chemosphere. 2019;214:269-277. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.09.120

20. Kaya C, Okant M, Ugurlar F, Alyemeni MN, Ashraf M, Ahmad P. Melatonin-mediated nitric oxide improves tolerance to cadmium toxicity by reducing oxidative stress in wheat plants. Chemosphere. 2019;225:627-638. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.03.026

21. Alka S, Shahir S, Ibrahim N, Ndejiko MJ, Vo D-VN, Manan FA. Arsenic removal technologies and future trends: A mini review. Journal of Cleaner Production. 2021;278. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123805

22. Zou L, Liu Y, Wang Y, Hu X. Assessment and analysis of agricultural non-point source pollution loads in China: 1978-2017. Journal of Environmental Management. 2020;263. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110400

23. Dugan I, Pereira P, Barcelo D, Telak LJ, Filipovic V, Filipovic L, et al. Agriculture management and seasonal impact on soil properties, water, sediment and chemicals transport in a hazelnut orchard (Croatia). Science of the Total Environment. 2022;839. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156346

24. Wang H, Yang Q, Ma H, Liang J. Chemical compositions evolution of groundwater and its pollution characterization due to agricultural activities in Yinchuan Plain, northwest China. Environmental Research. 2021;200. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111449

25. Chen J, Zhang H, Zhang X, Tang M. Arbuscular mycorrhizal symbiosis mitigates oxidative injury in black locust under salt stress through modulating antioxidant defence of the plant. Environmental and Experimental Botany. 2020;175. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104034

26. Dias MC, Mariz-Ponte N, Santos C. Lead induces oxidative stress in Pisum sativum plants and changes the levels of phytohormones with antioxidant role. Plant Physiology and Biochemistry. 2019;137:121-129. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.02.005

27. Singh S, Parihar P, Singh R, Singh VP, Prasad SM. Heavy metal tolerance in plants: Role of transcriptomics, proteomics, metabolomics, and ionomics. Frontiers in Plant Science. 2016;6. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01143

28. Ahmad N, Yasin D, Bano F, Fatma T. Ameliorative effects of endogenous and exogenous indole-3-acetic acid on atrazine stressed paddy field cyanobacterial biofertilizer Cylindrospermum stagnale. Scientific Reports. 2022;12(1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15415-z

29. Šípošová K, Labancová E, Kučerová D, Kollárová K, Vivodová Z. Effects of exogenous application of indole-3-butyric acid on maize plants cultivated in the presence or absence of cadmium. Plants. 2021;10(11). https://doi.org/10.3390/plants10112503

30. Parsa A, Salout SA. Investigation of the antioxidant activity of electrosynthesized polyaniline/reduced graphene oxide nanocomposite in a binary electrolyte system on ABTS and DPPH free radicals. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2016;760:113-118. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.11.021

31. Sarmiento-Lоpez LG, López-Meyer M, Maldonado-Mendoza IE, Quiroz-Figueroa FR, Sepúlveda-Jiménez G, Rodríguez-Monroy M. Production of indole-3-acetic acid by Bacillus circulans E9 in a low-cost medium in a bioreactor. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2022;134(1):21-28. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2022.03.007

32. Voitenkova EV, Matveeva ZN, Makarova MA, Egorova SA, Zabrovskaya AV, Suzhaeva LV, et al. Difficulties in identification of Сomamonas kerstersii strains isolated from intestinal microbiota of residents of republic of Guinea and Russian federation. Russian Journal of Infection and Immunity. 2018;8(2):163-168. https://doi.org/10.15789/2220-7619-2018-2-163-168

33. Volkova GS, Kuksova EV, Serba EM. Investigation of biological interstrains and growing properties of lactic acid bacteria production strains. Relevant Issues of the Dairy Industry, Cross-Industry Technologies, and Quality Management Systems. 2020;1(1):104-109. (In Russ.). https://doi.org/10.37442/978-5-6043854-1-8-2020-1-104-109

34. Геворгиз Р. Г., Алисиевич А. В., Шматок М. Г. Оценка биомассы Spirulina platensis (Nordst.) Geitl. по оптической плотности культуры // Экология моря. 2005. Т. 70. С. 96-106.

35. Wu Z, Peng Y, Guo L, Li C. Root colonization of encapsulated Klebsiella oxytoca Rs-5 on cotton plants and its promoting growth performance under salinity stress. European Journal of Soil Biology. 2014;60:81-87. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2013.11.008

36. Pavlova AS, Leontieva MR, Smirnova TA, Kolomeitseva GL, Netrusov AI, Tsavkelova EA. Colonization strategy of the endophytic plant growth-promoting strains of Pseudomonas fluorescens and Klebsiella oxytoca on the seeds, seedlings and roots of the epiphytic orchid, Dendrobium nobile Lindl. Journal of Applied Microbiology. 2017;123(1):217-232. https://doi.org/10.1111/jam.13481

37. Saeed Z, Naveed M, Imran M, Bashir MA, Sattar A, Mustafa A, et al. Combined use of Enterobacter sp. MN17 and zeolite reverts the adverse effects of cadmium on growth, physiology and antioxidant activity of Brassica napus. PLoS ONE. 2019;14(3). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0213016

38. Zhang B-X, Li P-S, Wang Y-Y, Wang J-J, Liu X-L, Wang X-Y, et al. Characterization and synthesis of indole-3-acetic acid in plant growth promoting Enterobacter sp. RSC Advances. 2021;11(50):31601-31607. https://doi.org/10.1039/d1ra05659j

39. Alipour Kafi S, Arabhosseini S, Karimi E, Koobaz P, Mohammadi A, Sadeghi A. Pseudomonas putida P3-57 induces cucumber (Cucumis sativus L.) defense responses and improves fruit quality characteristics under commercial greenhouse conditions. Scientia Horticulturae. 2021;280. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.109942

40. Leveau JHJ, Lindow SE. Utilization of the plant hormone indole-3-acetic acid for growth by Pseudomonas putida strain 1290. Applied and Environmental Microbiology. 2005;71(5):2365-2371. https://doi.org/10.1128/AEM.71.5.2365-2371.2005

41. Pei F, Ma Y, Chen X, Liu H. Purification and structural characterization and antioxidant activity of levan from Bacillus megaterium PFY-147. International Journal of Biological Macromolecules. 2020;161:1181-1188. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.140

42. Ali B, Sabri AN, Ljung K, Hasnain S. Quantification of indole-3-acetic acid from plant associated Bacillus spp. and their phytostimulatory effect on Vigna radiata (L.). World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2008;25(3):519-526. https://doi.org/10.1007/s11274-008-9918-9

43. Zhang H, Wang Z, Li Z, Wang K, Kong B, Chen Q. L-glycine and L-glutamic acid protect Pediococcus pentosaceus R1 against oxidative damage induced by hydrogen peroxide. Food Microbiology. 2022;101. https://doi.org/10.1016/j.fm.2021.103897