Ключевые слова
микроорганизмы и микробные сообщества антропогенных мест обитания, образование и окисление метана, метаногеные археи, синтрофные бактерии, процесс анаэробного окисления аммония (АНАММОКС), анаммокс-бактерии, нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии, очистка сточных вод , анаэробные системы обработки твердых и полужидких органических отходов, микробные процессы на полигонах ТБО, процесс компостирования твердых отходов

Направления исследований

•  Изучение  микробных сообществ и микроорганизмов антропогенных мест обитания, включая биореакторы, полигоны ТБО, осадки загрязненных водоемов
• Выделение анаэробных мезофильных, психрофильных и термофильных бактерий и архей из соответствующих мест обитания
• Выделение и исследование синтрофных микробных ассоциаций в метаногенных микробных сообществах
• Исследование микробных процессов при компостировании
• Изучение процесса анаэробного окисления аммония нитритом (Анаммокс)
• Накопление, выделение, изучение  и идентификация анаммокс-бактерий и их спутников, исследование их взаимодействий
• Исследование взаимодействия нитрифицирующих, денитрифицирующих и анаммокс-бактерий в биореакторах
• Изучение агрегации микроорганизмов в биопленках и флокулах, образующихся в анаммокс-реакторах  и  в метангенерирующих биореакторах
• Разработка новых методов и основ технологий обработки твердых отходов городов (ТБО) и сельского хозяйства  (навоз, растительные остатки)
• Разработка новых методов и основ технологий очистки сточных вод городов и стоков сельскохозяйственных и промышленных предприятий

Основные методы исследований
Аналитические методы:

• Метод газожидкостной хроматографии для анализа газов и летучих органических соединений
• Метод спектрофотометрии для анализа широкого спектра неорганических ионов и др. соединений, в т.ч. общего азота, фосфора, углерода и др.

Культуральные методики:

• Стационарное и проточное культивирование на питательных средах для конкретных групп анаэробных (метаногенных архей, синтрофных микроорганизмов и анаммокс-бактерий) и аэробных (аммоний- и нитрит-окисляющих бактерий) микроорганизмов
• Метод использования стекол обрастания для исследования роста биопленок de novo при проточном культивировании

Методы  изучения морфологии и ультраструктурной организации клеток:

• Исследование морфологии биоплёнок и отдельных клеток микроорганизмов разных групп с помощью фазово-контрастной и люминисцентной световой микроскопии
• Методы световой, конфокальной и др. микроскопии

Молекулярно-биологические методы

• Полимеразная цепная реакция ПЦР
• Флуоресцентная in situ гибридизация (FISH) для изучения разнообразия и метаболической активности метаногенных архей, анаммокс-бактерий и их бактерий-спутников
• Метод денатурирующего градиентного гель-электрофореза DGGE

Краткая история лаборатории
Лаборатория создана в 1996 году под руководством д.б.н. Ножевниковой А.Н. на основе группы по исследованию процессов анаэробной деградации органических отходов, которой она руководила с 1985 г. в лаборатории литотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН (рук. чл-корр. РАН Г.А. Заварзин). В 1996–2001 гг. лаборатория входила в созданный в 1996 г Отдел микробных сообществ (рук. акад. Г.А. Заварзин). В 2001 году лаборатория была выведена из состава Отдела микробных сообществ в качестве самостоятельной лаборатории Института микробиологии РАН. Сотрудники группы А.Н. Ножевникова, В.К. Некрасова и Ю.В. Литти удостоены Премии Правительства РФ 2014 году в области науки и техники. Приоритетным направлением лаборатории было изучение анаэробных сообществ и микроорганизмов антропогенных мест обитания, включая системы очистки сточных вод городов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий; метантенки; иловые чеки; полигоны захоронения твердых бытовых отходов; осадки загрязненных водоемов. С 2020 года заведующий лабораторией является Литти Ю.В.

Выполнение научных исследований

Проект: Интенсификация производства биоводорода из отходов агропромышленного комплекса: технологии интеграции в циркулярные биопроцессы (Intensification of biohydrogen production from agroindustry residues: technologies for integration into circular bioprocesses. Acronym: BIOGEN)
Номер проекта: 13.2251.21.0173
Мероприятие ФЦП: 4.3.2
Руководитель работ: Литти Юрий Владимирович
Сроки выполнения: 2022-2024 гг.
Иностранный партнер: Федеральный университет Параны (Бразилия), Хунаньский сельскохозяйственный  университет (Китай), Дурбанский технологический университет (ЮАР), CSIR — Национальный институт междисциплинарных наук и технологий (Индия)

Основные результаты, полученные в ходе реализации проекта:

 Краткий отчет за 1-ый этап

 Краткий отчет за 2-ой этап

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Лаборатория занимается исследованием метаногенных сообществ из различных, преимущественно антропогенных, мест обитания; исследованием процесса анаэробного окисления аммония нитритом (АНАММОКС) и процессов удаления азотных загрязнений из сточных вод; выделением новых анаэробных и аэробных микроорганизмов, включая  психрофильных, мезофильных и термофильных бактерий и архей; оценкой потоков метана и других газов из природных и антропогенных экониш; разработкой новых энергетически выгодных методов и основ технологий очистки сточных вод, а также обработки твердых и полужидких органических отходов для уменьшения эмиссии метана в атмосферу.

Одним из главных достижений лаборатории является выполненное совместно с индустриальным партнером Компанией «ЭКОС» научное обоснование, разработка и внедрение в практику новой биотехнологии очистки сточных вод с иммобилизацией активного микробного ила и эффективным удалением азота с участием анаммокс-бактерий. По новой биотехнологии очистки к настоящему времени построено и введено в эксплуатацию 16 станций, из них 9 на стройплощадках Олимпийских объектов в Сочи, остальные в разных регионах РФ, в т.ч. числе в ФГУ “Дом отдыха “Валдай” Управления делами Президента Российской федерации.  Использование новой биотехнологии снижает эксплуатационные затраты станций на 47% по сравнению с классической технологией. За 3 года работы 10 небольших станций на строящихся Олимпийских объектах экономия на эксплуатационных затратах превысила 18 млн. рублей. Глубокая очистка воды позволяет значительно уменьшить плату за нормативно-допустимый сброс и избежать штрафов, а также организовать схему оборотного водоснабжения и сократить затраты на чистую воду.
В 2014 году эта работа была удостоена премии Правительства РФ в области науки и техники.

Из антропогенных и природных источников выделены и описаны 11 новых видов психрофильных и психротолерантных ацетогенных и сахаролитических бактерий и метаногенных архей, растущих вплоть до 1°С.

В лаборатории создана уникальная коллекция анаэробных микроорганизмов, растущих при пониженных температурах.

Проведено сравнительное изучение анаэробного микробного сообщества глубоководных озер, которое позволило выявить существенные различия в терминальных путях образования метана психрофильными, мезофильными и термофильными метаногенными сообществами.

Совместно с Университетом Вагенингена (Нидерланды) показана принципиальная возможность анаэробной обработки токсичных сточных вод нефте-химического и целлюлозно-бумажного производства, содержащих бензальдегид. Выделены описаны и валидизированы два новых вида анаэробных бактерий, разлагающих бензальдегид.

Разработаны основы технологии по переработке ацидифицированных сточных вод пищевой промышленности при пониженных температурах (4-15°С) в системе 2-х высокоскоростных анаэробных реакторов с восходящим потоком (EGSB).

Исследована возможность переработки газообразных токсичных отходов, содержащих СО, СО2 и Н2, при использования их в качестве дешевого  субстрата для выращивания бактерий. Были выделены бактерии, устойчивые к высокой концентрации СО.

Совместно с кафедрой химической энзимологии химфака МГУ разработана комплексная технология обработки жидких навозных стоков с извлечением полезных биогенных элементов – азота и фосфора, с последующим их использованием в качестве удобрений.

Выявлено влияние сезонных и метеорологических условий на динамику численности и видового состава метанотрофных бактерий и ее взаимосвязи с интенсивностью эмиссии метана на полигонах ТБО. Установлено, что в летнее время метанокисляющие бактерии покрывающей почвы полигона ТБО окисляют до 100% образующегося в анаэробной зоне метана.

Ведется работа по созданию экологически безопасной высокоскоростной энергоэффективной технологии утилизации органической фракции бытовых отходов на основе процесса анаэробной микробной ферментации для уменьшения антропогенной нагрузки полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду городских и прилегающих к ним территорий

В лаборатории  было получено более 10  грантов ЕС (ИНТАС, КОПЕРНИКУС), научных фондов Нидерландов, Швейцарии, Германии и Финляндии, а также РФФИ. Сотрудники лаборатории участвовали в выполнении грантов других лабораторий и организаций, в частности ФЦП, ТЕМПУС и др. В настоящее время имеются гранты ФЦП и РФФИ ИНДа.

Сотрудники лаборатории ежегодно участвуют в различных отечественных и международных мероприятиях в качестве докладчиков и экспертов. В 2015 г. принято участие в выставках «Импортозамещение» и  в Международной технической выставке-ярмарке в Пловдиве (Болгария), в Международной научной конференции «Вода» в рамках саммита БРИКС.

В лаборатории постоянно ведется работа с молодежью и проводится работа по подготовке молодых специалистов. За время существования Лаборатории по тематике исследований были защищены 1 докторская и 3 кандидатских диссертаций.

В настоящее время 2 аспиранта лаборатории являются стипендиатами Президента и Правительства РФ.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

ИННОВАЦИОННЫЕ РАЗРАБОТКИ

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1. Kotsyurbenko OR, Friedrich MW, Simankova MV, Nozhevnikova AN, Golyshin PN, Timmis KN, Conrad R. Shift from acetoclastic to H2-dependent methanogenesis in a west Siberian peat bog at low pH values and isolation of an acidophilic Methanobacterium strain. — Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(7):2344-8 (DOI: 10.1128/AEM.02413-06)
2. Lettinga G., Rebac S., Parshina S.N., Nozhevnikova A.N., van Lier J., Stams A. High-rate anaerobic treatment of wastewater at low temperature. — Applied and Environmental Microbiology, 1999, v.65, issue 4, p.1696-1702
3. Simankova M.V., Parshina S.N., Turova T.P., Kolganova T.V., Kostrikina N.A., Nozhevnikova A.N. Methanosarcina lacustris sp. nov., a new psychrotolerant methanogenic archaeon from anoxic lake sediments. — Systematic and Applied Microbiology, 2001, v.24, 362-367 (DOI: 10.1078/0723-2020-00058)
4. Parshina S.N., Kleerebezem R., Sanz J., Lettinga G., Nozhevnikova A.N., Kostrikina N.A., Lysenko A.M., Stams A.J.M. Soehngenia saccharolytica gen. nov.,sp. nov., and Clostridium amygdalinum sp. nov., two novel anaerobic, benzaldehyde-converting bacteria. — Int J Syst Evol Microbiol, 2003, v.53, 1791-1799 (DOI: 10.1099/ijs.0.02668-0)
5. Parshina S.N., Kijlstra S., Henstra A.M., Sipma J., Plugge C., Stams A.J.M. Carbon monoxide conversion by thermophilic sulfate-reducing bacteria in pure culture and in co-culture with Carboxydothermus hydrogenoformans. — Appl Microbiol Biotechnol, 2005, v. 68, issue 3, p. 390-396 (DOI: 10.1007/s00253-004-1878-x)
6. Kotsyurbenko O.R., Glagolev M.V., Nozhevnikova A.N., Conrad R. Competition between homoacetogenic bacteria and methanogenic archaea for hydrogen at low temperature. — FEMS Microbiology Ecology, 2001, Т. 38. № 2-3. С. 153-159 (DOI: 10.1016/S0168-6496(01)00179-9)
7. Kotsyurbenko O.R., Chin K.-J., Stubner S., Conrad R., Glagolev M.V., Simankova M.V., Nozhevnikova A.N. Acetoclastic and hydrogenotrophic methane production and methanogenic populations in an acidic west-siberian peat bog. — Environmental Microbiology, 2004, Т. 6. № 11. С. 1159-1173 (DOI: 10.1111/j.1462-2920.2004.00634.x)
8. Parshina S.N., Ermakova A.D., Bomberg M., Detkova E.N. Methanospirillum stamsii sp. nov., a psychrotolerant hydrogenotrophic, methanogenic archaeon isolated from an anaerobic expanded granular sludge bed bioreactor operated at low temperature. — Int J Syst Evol Microbiol, 2014, v. 64, 180-186 (DOI: 10.1099/ijs.0.056218-0)
9. Nozhevnikova A. N., Kornelia Zepp, Francisco Vazquez, Alexander J. B. Zehnder, and Christof Holliger. Evidence for the Existence of Psychrophilic Methanogenic Communities in Anoxic Sediments of Deep Lakes. — Appl. Environ. Microbiol, 2003, v.69, n.3, 1832-1835 (DOI: 10.1128/AEM.69.3.1832-1835.2003)
10. A.N. Nozhevnikova., V. Nekrasova, A. Ammann, A.J.B. Zehnder, B. Wehrli, C. Holliger. Influence of temperature and high acetate concentrations on methanogenesis in lake sediment slurries. — FEMS Microbiol. Ecol. 2007, v.62, p.336-344 (DOI: 10.1111/j.1574-6941.2007.00389.x)
11. Litti, Y. V., Potekhina, M. A., Zhuravleva, E. A., Vishnyakova, A. V., Gruzdev, D. S., Kovalev, A. A., … & Parshina, S. N. (2022). Dark fermentative hydrogen production from simple sugars and various wastewaters by a newly isolated Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum SP-H2. International Journal of Hydrogen Energy, 47(58), 24310-24327.
12. Zhuravleva, E. A., Shekhurdina, S. V., Kotova, I. B., Loiko, N. G., Popova, N. M., Kryukov, E., … & Litti, Y. V. (2022). Effects of various materials used to promote the direct interspecies electron transfer on anaerobic digestion of low-concentration swine manure. Science of The Total Environment, 156073.
13. Litti, Y. V., Russkova, Y. I., Zhuravleva, E. A., Parshina, S. N., Kovalev, A. A., Kovalev, D. A., & Nozhevnikova, A. N. (2022). Electromethanogenesis: a Promising Biotechnology for the Anaerobic Treatment of Organic Waste. Applied Biochemistry and Microbiology, 58(1), 19-36.
14. Kovalev, A. A., Kovalev, D. A., Zhuravleva, E. A., Katraeva, I. V., Panchenko, V., Fiore, U., & Litti, Y. V. (2022). Two-stage anaerobic digestion with direct electric stimulation of methanogenesis: The effect of a physical barrier to retain biomass on the surface of a carbon cloth-based biocathode. Renewable Energy, 181, 966-977.
15. Nozhevnikova, A. N., Russkova, Y. I., Litti, Y. V., Parshina, S. N., Zhuravleva, E. A., & Nikitina, A. A. (2020). Syntrophy and interspecies electron transfer in methanogenic microbial communities. Microbiology, 89(2), 129-147.
16. Mardanov, A. V., Beletsky, A. V., Ravin, N. V., Botchkova, E. A., Litti, Y. V., & Nozhevnikova, A. N. (2019). Genome of a Novel Bacterium “Candidatus Jettenia ecosi” reconstructed from the metagenome of an anammox bioreactor. Frontiers in microbiology, 10, 2442.
17. Botchkova, E. A., Litti, Y. V., Novikov, A. A., Grouzdev, D. S., Bochkareva, E. S., Beskorovayny, A. V., … & Nozhevnikova, A. N. (2018). Description of “Candidatus Jettenia ecosi” sp. nov., a new species of anammox bacteria. Microbiology, 87(6), 766-776.

1. Анализ газов и летучих (низкокипящих) органических соединений
2. Анализ широкого спектра параметров природных и сточных вод