Aspergillus niger: Биология, промышленное применение и безопасность.

Введение

Вид гриба

Aspergillus niger – это плесень, классифицируемая в секции Nigri рода Aspergillus. Род Aspergillus включает в себя широко распространенные плесени, встречающиеся повсеместно в почве и воде, на растительности, в фекальных массах, на разлагающемся материале и в воздухе. Виды этого рода часто быстро растут и могут образовывать споры в течение нескольких дней после прорастания. Способность A. niger выдерживать крайне кислые условия делает его особенно важным для промышленного производства лимонной кислоты. A. niger вызывает заболевание, известное как "черная плесень", на определенных фруктах и овощах, таких как виноград, абрикосы, лук и арахис, и является распространенным загрязнителем пищевых продуктов. Он повсеместно распространен в почве и часто встречается в помещениях, где его черные колонии можно спутать с колониями Stachybotrys (виды которых также называют "черной плесенью"). A. niger классифицирован Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США как общепризнанно безопасный (GRAS) для использования в производстве пищевых продуктов, хотя этот микроорганизм способен вырабатывать токсины, оказывающие влияние на здоровье человека. В 2004 году Самсон и др. описали ряд морфологически схожих видов. Это потребовало обновления Фармакопеи США и Европейской Фармакопеи, которые обычно используют этот штамм в фармацевтической промышленности.

Культивирование

A. niger является строгим аэробом; следовательно, для роста ему необходим кислород. Гриб может расти в широком диапазоне условий окружающей среды; он способен расти при температурах от 6 до 47 °C. Как мезофил, оптимальный температурный диапазон для него составляет 35–37 °C. ДНК содержит 10 785 генов, которые транскрибируются и транслируются в 10 593 белков. Геном A. niger ATCC 1015 был секвенирован Институтом генома совместно с другими учреждениями. Полученные последовательности использовались для идентификации ортологичных генов и путей, участвующих в метаболизме грибов, в частности, в катаболизме моносахаридов. Способность A. niger изменять свой метаболизм в зависимости от источников углерода и других питательных веществ, присутствующих в окружающей среде, позволила микроорганизму выживать и встречаться практически во всех экосистемах. Продолжаются исследования для изучения этих механизмов у всех грибов с использованием полного секвенированного генома A. niger. SSF (твердотельное ферментирование) использует твердый субстрат с питательными веществами и минимальным содержанием влаги для выращивания микроорганизмов. Питательные вещества, такие как азот и углерод, поступают из сельскохозяйственных побочных продуктов, таких как пшеничные отруби, свекловичный жом, рисовая шелуха и кукурузная мука. SSF обеспечивает более высокую урожайность продуктов микроорганизмов и является более экономичным, чем SmF (жидкостное ферментирование), благодаря использованию сельскохозяйственных побочных продуктов. SSF используется чаще, чем SmF. Различные штаммы A. niger используются в промышленном производстве лимонной кислоты (E330) и глюконовой кислоты (E574); поэтому Всемирная организация здравоохранения признала их безопасными для ежедневного употребления. Ферментация A. niger признана "в целом безопасной" (GRAS) Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в соответствии с Федеральным законом о пищевых продуктах, лекарствах и косметике. A. niger также рассматривается как потенциальный новый источник натуральных пищевых пигментов. Производство лимонной кислоты (ЛК) достигается путем выращивания штаммов A. niger в питательной среде, богатой питательными веществами, содержащей высокие концентрации сахара и минеральных солей, а также кислую pH 2,5–3,5. Многие микроорганизмы производят ЛК, но Aspergillus niger производит более 1 миллиона метрических тонн ЛК в год посредством процесса грибкового ферментирования. ЛК пользуется высоким спросом для таких применений, как контроль роста микроорганизмов, улучшение вкуса пищевых продуктов и напитков, регулирование кислотности, фармацевтика и т. д. A. niger производит множество полезных ферментов для катаболизма биополимеров с целью получения питательных веществ из окружающей среды. Производство специфических ферментов может быть увеличено для промышленных целей. Другое применение A. niger в биотехнологической промышленности – производство магнитных изотопов, содержащихся в вариантах биологических макромолекул для анализа ЯМР. Aspergillus niger также культивируется для экстракции фермента глюкозооксидазы, используемого в разработке глюкозных биосенсоров, благодаря его высокой аффинности к β-D-глюкозе. В пищевой промышленности A. niger также культивируется для выделения фермента фруктозилтрансферазы для производства фруктоолигосахаридов (ФОС). ФОС используются для производства продуктов питания с низким содержанием калорий и функциональных продуктов питания благодаря их характерной способности замедлять рост патогенных микроорганизмов в кишечнике. Эти продукты содержат пребиотические волокна и другие полезные свойства. A. niger – не единственный организм, производящий фермент фруктозилтрансферазу, но было обнаружено, что он производит этот фермент с такой скоростью, которая благоприятна для промышленного производства. Aspergillus niger может расти в растворах золотодобывающих предприятий, содержащих цианометалловые комплексы с золотом, серебром, медью, железом и цинком. Гриб также играет роль в растворении сульфидов тяжелых металлов. Также было показано, что A. niger способен очищать кислые шахтные воды посредством биосорбции меди и марганца.

A. niger is a strict aerobe; therefore, it requires oxygen to grow. The fungus can grow in a range of environmental conditions; it can grow at temperatures ranging from 6 to 47 °C. As a mesophile, its optimal temperature range is 35 37 °C. The DNA contains 10,785 genes which are transcribed and translated into 10,593 proteins. The A. niger ATCC 1015 genome was sequenced by the Joint Genome Institute in a collaboration with other institutions. Completed sequences have been used to uncover orthologous genes and pathways involved in fungal metabolism, specifically the catabolism of monosaccharides. The ability of A. niger to change its metabolism depending on the carbon sources and other nutrients present in its environment has enabled the microorganism to survive and be found in almost all ecosystems. Further research is being done to study these mechanisms for all fungi using the complete sequenced genome of A. niger. SSF uses a solid substrate with nutrients and minimal moisture to grow microorganisms. Nutrients such as nitrogen and carbon come from agricultural byproducts such as wheat bran, sugar pulp, rice husks, and corn flour. SSF gives better yield of microbe products and is more cost effective than SmF due to using agricultural byproducts. SSF is predominantly used over SmF. Various strains of A. niger are used in the industrial preparation of citric acid (E330) and gluconic acid (E574); therefore, they have been deemed acceptable for daily intake by the World Health Organization. A. niger fermentation is "generally recognized as safe" (GRAS) by the United States Food and Drug Administration under the Federal Food, Drug, and Cosmetic Act. A. niger is also being considered as a potential new source of natural food grade pigments. The production of citric acid (CA) is achieved by growing strains of A. niger in a nutrient rich medium that includes high concentrations of sugar and mineral salts and an acidic pH of 2.5 3.5. Many microorganisms produce CA, but Aspergillus niger produces more than 1 million metric tons of CA annually via a fungal fermentation process. CA is in high demand for applications such as the control of microorganism growth, food and beverage flavor enhancement, acidity manipulation, pharmaceuticals, etc. A. niger produces many useful enzymes for the catabolism of biopolymers in order to obtain nutrients from its environment. The production of specific enzymes can be increased for industrial purposes. Another use for A. niger within the biotechnology industry is in the production of magnetic isotope containing variants of biological macromolecules for NMR analysis. Aspergillus niger is also cultured for the extraction of the enzyme, glucose oxidase , used in the design of glucose biosensors, due to its high affinity for β D glucose. In the food industry, A. niger is also cultured to isolate the enzyme fructosyltransferase to produce fructooligosaccharides (FOS). FOS are used to manufacture low calorie and functional foods due to FOS characteristic ability to slow growth of pathogenic microorganisms in the intestines. These foods have prebiotic fiber among other health promoting properties. A. niger is not the only organism to produce the enzyme fructosyltransferase, but it has been found to produce the enzyme at rates conducive to industrial production. Aspergillus niger can grow in gold mining solutions containing cyano metal complexes with gold, silver, copper, iron, and zinc. The fungus also plays a role in the solubilization of heavy metal sulfides. A. niger has also been shown to remediate acid mine drainage through biosorption of copper and manganese.

Токсичность

A. niger производит широкий спектр вторичных метаболитов, некоторые из которых являются микотоксинами, называемыми охратоксинами, такими как охратоксин А. Загрязнение нитевидными грибами, такими как A. niger, часто встречается в винограде и продуктах на основе винограда, что приводит к загрязнению охратоксином А (OTA). OTA, клинически значимый микотоксин, может накапливаться в тканях человека и вызывать различные серьезные заболевания. Потенциальные последствия отравления OTA включают повреждение почек, почечную недостаточность и рак, однако Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) не установило максимально допустимые уровни OTA в пищевых продуктах, в отличие от Европейского союза, который установил максимально допустимые уровни в различных продуктах питания.

Растительный патоген

Aspergillus niger может вызывать инфекции черной плесенью в определенных бобовых, фруктах и овощах, таких как арахис, виноград и лук, что делает этот гриб распространенным загрязнителем пищевых продуктов. Этот нитевидный аскомицет устойчив к изменениям pH, влажности и температуры, оптимально развиваясь в диапазоне температур от… Эти характеристики делают инфекции, вызванные A. niger, распространенной причиной послеуборочного гниения фруктов и овощей, что может привести к значительным экономическим потерям в пищевой промышленности. Инфекция A. niger у растений может вызывать снижение всхожести семян, появления всходов, удлинения корней и побегов, приводя к гибели растения до созревания. Благодаря повсеместному распространению A. niger, его споры часто попадают в организм человека при вдыхании воздуха. Инфекция аспергиллезом обычно развивается у людей с ослабленной иммунной системой или имеющими предрасполагающие заболевания легких, такие как астма и муковисцидоз. Отомикоз – поверхностная грибковая инфекция наружного слухового прохода – также может быть вызван чрезмерным ростом плесневых грибов Aspergillus, включая A. niger. Отомикоз, вызванный A. niger, часто связан с механическим повреждением кожного барьера наружного слухового прохода и часто встречается у пациентов, проживающих в тропическом климате.