Ученые КазНУ исследуют получение новых биоматериалов на основе микробных экзополисахаридов

Ученые Казахского национального университета имени аль-Фараби проводят исследование, направленное на получение микробных экзополисахаридов (ЭПС) на основе новых бактериальных штаммов, выделенных из природных источников, изучение их свойств и расширение возможностей практического применения. В рамках проекта совершенствуются подходы к получению экологически чистых и биоразлагаемых биополимеров, определяются их физико-химические и биологические характеристики и оценивается перспективность их использования в экологии, нефтяной промышленности, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и других сферах.

Экзополисахариды представляют собой высокомолекулярные природные полимеры, синтезируемые микроорганизмами. Они обладают высокой вязкостью, эмульгирующей и гелеобразующей способностью, термической стабильностью и биосовместимостью. Благодаря этим свойствам микробные полисахариды активно исследуются для применения в пищевой промышленности, медицине, фармацевтике, сельском хозяйстве, косметологии и нефтедобыче. В частности, полисахариды типа ксантана благодаря устойчивости к высоким температурам и солям применяются для повышения нефтеотдачи пластов.

В рамках проекта будут изучены экзополисахариды новых бактериальных штаммов, выделенных из ризосферы растений, произрастающих в горах Заилийского Алатау. Исследователи оценивают свойства штаммов родов Mucilaginibacter, Sphingomonas, Agrobacterium, Xanthomonas, Rhizobium, а также молочнокислых бактерий родов Lactiplantibacillus и Lactococcus. Для этих микроорганизмов уже выявлены высокая динамическая вязкость культуральных жидкостей и эмульгирующая активность по отношению к нефтяным углеводородам и растительным маслам.

Исследователи усовершенствуют методы выделения и очистки экзополисахаридов из культуральной жидкости. Для полученных полимеров будут определены молекулярная масса, моносахаридный состав, структура, физико-химические и биологические свойства. Кроме того, будут изучены их эмульгирующие, флокулирующие, термостабильные, реологические и гелеобразующие свойства, что позволит отобрать наиболее перспективные образцы для дальнейшего практического применения.

Одним из важных направлений исследования станет оптимизация условий культивирования микроорганизмов-продуцентов ЭПС. Ученые изучат состав питательной среды, продолжительность выращивания, температуру, уровень pH, тип и количество источника углерода для определения условий, обеспечивающих максимальный выход полисахаридов. Вместо коммерческих сахаров планируется использовать отходы сахарной промышленности, в частности мелассу и фильтрационный осадок, в качестве углеродных субстратов. Такой подход позволит рационально использовать промышленные отходы и создать более эффективные условия получения микробных полимеров.

Отдельное направление проекта связано с химической модификацией природных экзополисахаридов. С помощью ацетилирования и карбоксиметилирования будет изучена возможность изменения структуры полимеров для повышения их растворимости, биологической активности и функциональных свойств. Полученные модифицированные продукты будут исследованы методами инфракрасной спектроскопии.

Важной частью исследования станет изучение реологических и гелеобразующих свойств нативных и модифицированных экзополисахаридов. Ученые оценят способность полимеров формировать стабильные гели в нейтральных и щелочных условиях, повышать вязкость и образовывать гели в присутствии двухвалентных катионов. Полученные результаты позволят определить перспективность использования ЭПС для повышения нефтеотдачи пластов, биоремедиации нефтезагрязненных почв и регулирования свойств буровых растворов.

Научная новизна проекта заключается в комплексном исследовании новых микробных экзополисахаридов, получаемых из природных источников, недостаточно изученных в Казахстане. Также впервые предусматривается получение нативных и модифицированных полисахаридов с использованием высокопродуктивных штаммов и питательных сред на основе отходов сахарной промышленности с последующей оценкой их функциональных свойств. Такой подход создает основу для разработки новых экологически чистых биоматериалов и расширения областей их применения.

Полученные экзополисахариды могут применяться в экологических технологиях для очистки нефтезагрязненных почв, в нефтяной промышленности для регулирования реологических свойств буровых растворов и повышения нефтеотдачи, а также в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и биотехнологии. Биоразлагаемость, низкая токсичность, биосовместимость и возможность химической модификации делают экзополисахариды перспективной основой для создания новых биоматериалов.

По итогам исследования будут отобраны перспективные штаммы-продуценты экзополисахаридов, оптимизированы условия их культивирования, выделения и очистки. Будет экспериментально оценена эффективность получения гелей на основе нативных и модифицированных ЭПС, их применения в пластах и использования для иммобилизации нефтеокисляющих микроорганизмов. Также планируется подготовка научных публикаций и заявки на патент.

Результаты проекта будут способствовать формированию научной базы для изучения и практического применения микробных экзополисахаридов в Казахстане, развитию отечественной биотехнологии и созданию новых материалов на основе экологически безопасных биополимеров. Исследование также позволит молодым ученым, магистрантам и докторантам освоить современные биохимические, микробиологические и физико-химические методы исследований.