Відділ мікробіологічних процесів на твердих поверхнях

В 1988 році в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України створено лабораторію мікробіологічних процесів на твердих поверхнях, яку  в 1997 році було реорганізовано у однойменний відділ. Засновником і керівником цього підрозділу є доктор біологічних наук, професор І.К. Курдиш.

Основним напрямком наукової діяльності відділу є дослідження взаємодії метанотрофних, азотфіксувальних, фосфатмобілізувальних та інших мікроорганізмів з твердими поверхнями, в тому числі з наноматеріалами різної природи, а також з компонентами агроекосистем.

Значну увагу науковці відділу приділяли розробці біотехнології зниження метановиділення з вироблених просторів вугільних шахт, з яких в зону видобування вугілля надходить до 80% метану від його загальної кількості. Це створює небезпеку роботи шахтарів.

Досліджені фізіолого-біохімічні властивості метанотрофних бактерій, закономірності їх взаємодії з твердими поверхнями, в тому числі з  гірськими породами шахт.  Визначені іоногенні детермінанти поверхні бактерій, що обумовлюють електроповерхневі властивості клітин і їх адгезію до твердих матеріалів. Встановлено важливу роль гідрофобності бактерій у їх взаємодії з твердими матеріалами, визначені закономірності адгезії чистих і змішаних культур метанотрофів до гірських порід та інших матеріалів, розроблено підходи щодо іммобілізації даних мікроорганізмів на поверхні цих порід.

        У співпраці з співробітниками Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України розроблено біотехнологію отримання біомаси метанотрофних бактерій на шахтному метані та біотехнологію зниження метановиділення з вироблених просторів вугільних шахт цими бактеріями, іммобілізованими на поверхні гірських порід. Застосування даної біотехнології на ряді шахт Донбасу дозволило знизити метановиділення на вуглевидобувні дільниці на 47-60%.                          

        Співробітниками відділу встановлено, що взаємодія мікроорганізмів з твердими поверхнями, в тому числі з наноматеріалами різного походження спричиняла помітний вплив на фізіолого-біохімічну активність популяцій: підвищувала їх ростову та ферментативну активність, синтез біологічно-активних речовин тощо. Одним з факторів, що обумовлюють ці процеси, є підвищення масопереносу кисню при внесенні наноматеріалів у рідке середовище культивування мікроорганізмів.

        За наявності в середовищі наночасток клітини вступають з ними в контактну взаємодію. В результаті цього на поверхні бактерій сорбуються наночастки. Така взаємодія супроводжується значним підвищенням  стійкості клітин до несприятливих факторів середовища, в тому числі до супраоптимальних температур. Результати досліджень стали основою біотехнології  підвищення виходу життєздатних клітин в сухих бактеріальних препаратах при їх розпилювальному висушуванні. Ця біотехнологія  впроваджена на Київському заводі медичних препаратів ВО «Укрбіохімпрепарат».

         Нами селекціоновані високоактивні штами азотфіксувальних бактерій Azotobacter vinelandii  ІМВ В-7076 та фосфатмобілізувальних бактерій Вacillus subtilis ІМВ В-7023. Останні, поряд зі здатністю мобілізувати фосфат з органічних та тяжкорозчинних неорганічних сполук, характеризуються високою антагоністичною активністю до фітопатогенних бактерій і грибів.  Ці   штами здатні накопичувати в культуральних середовищах ряд біологічно активних речовин: органічні кислоти, амінокислоти, сполуки фенольної природи, фітогормони.

     Досліджено фізіолого-біохімічні властивості селекціонованих штамів Azotobacter vinelandii ІМВ В-7076 та Вacillus subtilis ІМВ В-7023, особливості їх   взаємодії   з наночастками   природних   мінералів.   Встановлено, що завдяки взаємодії бактерій з частками глинистих мінералів значно підвищується життєздатність клітин за впливу негативних факторів середовища. Отримані результати стали науковою основою розробки біотехнології створення гранульованого,  сипкого та нанокомпозитного  комплексного бактеріального препарату Азогран. Він є високостабільним за тривалого зберігання.

        Досліджено первинні етапи взаємодії бактерій-компонентів комплексного бактеріального препарату з рослинами (хемотаксисні властивості бактерій, закономірності їх адгезії до коріння тощо). Встановлено, що внесення наночасток до суспензії бактерій супроводжується підвищенням їх енергетичного потенціалу, хаотичної рухливості і зниженням хемотаксису. Останнє, ймовірно, обумовлено блокуванням рецепторів хемотаксису на поверхні клітин цими частками. В змішаній культурі Azotobacter vinelandii та Вacillus subtilis хемотаксис бацил значно знижується. Встановлено, що це обумовлено блокуванням рецепторів хемотаксису на їх поверхні екзополісахаридним комплексом азотобактера.  

         Клітини Azotobacter vinelandii та Вacillus subtilis слабко адгезуються до твердих матеріалів. Однак до поверхні коріння рослин вони прикріпляються в значних кількостях. Їх адгезивні властивості в певній мірі визначаються рухливістю клітин,  особливостями їх поверхні та способами інтродукції бактерій в агроекосистему. Встановлено наявність лектинів на поверхні бацил,  їх вуглеводну специфічність та  значну роль у адгезії Вacillus subtilis до коріння рослин.

       Показано, що комплексний бактеріальний препарат Азогран здатний суттєво пригнічувати  поширення фітопатогенів та фітофагів (білокрилки, колорадського жука тощо) у агроекосистемах. Його застосування в агроекосистемах значно стимулює ріст газонної трави, декоративних та квіткових рослин, підвищує врожайність технічних, зернових та овочевих культур на 18-37%.

      Препарат Азогран зареєстрований в Україні. Ліцензії на його виробництво надані 8 підприємствам України: НВФ «Ровіал» , ДП «Ензим», ТОВ «Аграрні біотехнології», «Агро-Адмірал», ПП «Біохім-Сервіс», «Біо Добриво», «Біотех Актив», «Карат-Біо», а також американській фірмі «Locus Solution LLC”.

     Розробка наукових основ створення мікробних препаратів нового покоління удостоєна премії НАН України ім. Д.К.Заболотного (2005р).  І.К. Курдиш є співавтором  циклу робіт «Біологічно активні речовини мікробного синтезу в новітніх біотехнологіях і сучасному аграрному виробництві», що удостоєний в 2018 році Державної премії України в галузі науки і техніки.

      Співробітниками відділу опубликовано 6 монографій та понад 360  наукових праць, серед них 35 статей в іноземних журналах і 16 патентів.  Співробітниками відділу захищено 8 кандидатських дисертацій.

       Досягнення відділу обумовлені дружньою роботою його колективу. Значний внесок в цьому належить доктору біологічних наук Н.Ф. Кігель, кандидату технічних наук А.С. Гордієнку, кандидатам біологічних наук, А.О. Рой, О.Г. Кистеню, Л.В. Титовій, Н.В. Чуйко, Л.В. Булавенко, Л.С. Церковняк, Д.І. Диренку, А.Ю. Чоботарьову, І.О. Скороход,  провідному інженеру З.Т. Бега та іншим колегам.