ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ ВОДНЫХ СРЕД

Шарапова Ирина Эдмундовна

вед. инженер лаборатории биохимии и биотехнологии

Института биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

E-mail: scharapova@ib.komisc.ru

Шубаков Анатолий Александрович

канд. биол. наук, доцент лаборатории биотехнологии

Института физиологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

Е-mail: shubakov@physiol.komisc.ru

Михайлова Елена Андрияновна

научный сотрудник лаборатории биотехнологии

Института физиологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

Е-mail: elkina@physiol.komisc.ru

Володин Владимир Витальевич

д-рбиол. наук, профессор, зав. лабораторией биохимии и биотехнологии Института биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

Е-mail: volodin@presidium.komisc.ru

INVESTIGATION AND USE OF MICROALGAE FOR BIOREMEDIATION OF WATER ENVIRONMENTS

Irina Sharapova

Leading engineer of Laboratory of Biochemistry and Biotechnology of Institute of Biology, Komi Science Centre, The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar

Anatoly Shubakov

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Laboratory of Biotechnology of Institute of Physiology, Komi Science Centre,

The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar

Elena Mikhailova

Researcher of Laboratory of Biotechnology of Institute of Physiology,

Komi Science Centre, The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar

Vladimir Volodin

Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of Laboratory of Biochemistry and Biotechnology of Institute of Biology,

Komi Science Centre, The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar

АННОТАЦИЯ

Показана возможность использования зеленых микроводорослей для эффективной биоремедиации нефтезагрязненных водных сред на примере культуры Chlorella vulgaris Beijer, а также возможность культивирования некоторых видов зеленых микроводорослей и циано­прокариот для получения биопрепаратов.

ABSTRACT

Possibility of use of green microalgae for an effective bioremediation of the oil polluted aquatic environments on the culture of Chlorella vulgaris Beijer, as an example, and also possibility of cultivation of some species of green microalgae and cyanoprocaryote for production of biopreparation is shown.

Ключевые слова: микроводоросли;биоремедиация; вода; биопрепарат; культивирование.

Keywords: microalgae; bioremediation; water; biopreparation; cultivation.

Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 12-И-4-2007 «Биоресурсный потенциал и биохимическая оценка микроводорослей европейского северо-востока России в качестве объектов биотехнологии».

В настоящее время одной из острейших проблем современности является борьба с загрязнением окружающей среды сточными водами. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств и химического состава воды. В связи с этим для улучшения качества очистки сточных вод различных отраслей промышленности (пищевой, целлюллозно-бумажной, нефте­химической) используют их биологическую доочистку [4]. Наиболее важные компоненты в системах биологической очистки — бактерии и водоросли. Процессы бактериального биосинтеза наряду с фото­синтезом водорослей являются основными биологическими процессами, обеспечивающими доочистку бытовых и различных промышленных сточных вод в биопрудах. Активное участие микроводорослей (МВ) освобождает сточные воды от избыточного количества минеральных соединений и специфических химических загрязнений, доводя их до норм, позволяющих производить безопасный сброс воды в открытые водоемы. Выделяя кислород в процессе фотосинтеза, водоросли обеспечивают бактериальное окисление различных органических загрязняющих веществ [13]. Благодаря этим процессам естественные воды обладают некоторой способностью амортизировать действие загрязняющих веществ, что и определяется понятием «самоочищение». В то же время МВ могут и непосредственно участвовать в аккумуляции и утилизации некоторых органических соединений и других веществ [4, 12].

Из литературных источников известно о флористическом составе, численности и динамике развития водорослей на различных типах сточных вод, а также определены основные эколого-физиологические аспекты их возможного участия в трансформации токсических соединений. Изучение таксономического состава водорослей различных водоёмов с разными видами сточных вод свидетельствует о том, что главное место среди них занимают зеленые, эвгленовые и диатомовые водоросли, иногда — синезеленые (цианопрокариоты). Среди зеленых водорослей наиболее часто доминируют хлорококковые, которые в основном представлены видами родов Chlorella, Scenedesmus. В отдельных случаях альгофлора бывает представлена, по сути, монокультурой какого-либо вида водорослей, обладающих высокой устойчивостью ко многим токсическим веществам и способных адаптироваться к их длительному воздействию [4].

Например, известно, что зеленые водоросли рода Chlorella более других отличаются устойчивостью не только к естественным факторам среды, но и к антропогенным факторам, а также к различным поллютантам [2, 4, 6]. На основании этих данных, а также прове­денных нами ранее исследований подтверждена возможность применения при очистке водных сред от нефтеуглеводородов (НУГВ) культуры зеленых микроводорослей Chlorella vulgaris Beijer (предоставлена лабораторией радиоэкологии ИБ Коми НЦ). Применение накопительной культуры хлореллы было исследовано в водных средах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами (дизель­ным топливом), а также в нефтезагрязненных водных средах из объектов шламонакопителя аэропорта г. Сыктывкар [9]. Разработан способ получения и применения комплексного биопрепарата на основе бактерий (Rhodococcus eqvi), дрожжевого (Rhodotorula glutinis) и мицелиального (Trichoderma lignorum (синоним T.viride)) грибов, а также микроводоросли (Chlorella vulgaris), микроорганизмов, адаптированных к условиям загрязненных объектов, а также к особен­ностям пищевых и климатических условий. При этом эффективность очистки от наиболее токсичных для гидробионтов НУГВ обеспечивал микробный комплекс, составленный из монокультур различных таксономических групп, которые применялись совместно с гидрофобным торфяным сорбентом Сорбонафт как в нативной, так и в иммобилизованной формах [10, 11]. Снижение содержания НУГВ в сорбенте за 90 суток: 33—50 % при загрязнении воды 2 % нефти и более 90 % при загрязнении воды 1 % дизельного топлива при совместном применении альго-бактериально-грибного биопрепарата с сорбентом. При применении комплескного биосорбента с иммобили­зованными бактериями и грибами в присутствии накопительной культуры Chlorella снижение содержания НУГВ в сорбенте за 60 суток: 50—89 % при загрязнении воды 2 % нефти и более 90 % при загрязнении воды 1 % дизтоплива, а также в техногенной водной среде 53—67 % от исходного загрязнения. Сорбент или комплексный биосорбент обеспечивал сорбцию НУГВ, а также являлся носителем и источником внесенных в иммобилизованной форме или «прикрепившихся» к загрязненному сорбенту в нативной форме монокультур бактерий и грибов, активность которых в присутствии накопительной культуры зеленых микроводорослей Chlorella vulgaris в водных средах, загрязненных нефтью, дизельным топливом, а также в нефтезагрязненной воде шламонакопителя значительно возрастала.

Использование микроводорослей для очистки водных объектов представляет особый интерес, так как их развитие, спонтанное или индуцированное, играет большую роль в процессах биологи­ческого очищения водоемов. С другой стороны, микроводоросли могут быть использованы для получения ценных органических веществ: белков, жиров, витаминов, углеводов и других биологически-активных веществ [5]. Технологически получение биопрепарата микроводорослей может быть реализовано путем накопления моно­культур на средах, обеспечивающих индивидуальные метаболические потребности, с последующим их высушиванием и смешиванием в комплексный биопрепарат, предназначенный для определенного применения. Исследования накопительных культур водорослей необходимы прежде всего с целью получения биомассы МВ в требуемых качестве и количествах. Следовательно, необходимы исследования оптимальных условий культивирования, пригодных для получения больших объемов МВ, с максимальным содержанием биомассы МВ в активной форме, а также условий концентрирования ее и хранения в нативной или в иммобилизованной на носителе формах. При этом известно о том, что накопление микроводорослей наиболее экономически малозатратный способ культивирования, основным требованием которого является создание необходимых условий для фотосинтеза, т. е. условий достаточного освещения.

Проводятся исследования различных монокультур микроводо­рослей, входящих в состав коллекции Института биологии Коми НЦ (авторы Патова Е.Н., Новаковская И.Н.). В коллекционном фонде представлены штаммы, выделенные в основном из почв северных регионов (Полярный и Приполярный Урал, архипелаг Шпицберген и др.). Коллекция культур водорослей (ККВ) насчитывает более 80 альгологически чистых штаммов [8].

Для экспериментов были взяты штаммы зеленых водорослей (ККВ ИБ Коми НЦ): Chlorella vulgaris Beijer, испытанный ранее в опытах при биоремедиации различных нефтезагрязненных вод, и штамм ScenedesmusacutusMeyen, а также штамм Nostoc linckia f. muscorum (Ag.) Elenk.из цианопрокариот. Очистку штаммов микроводорослей от бактерий и грибов проводили смесью антибиотиков [7]. Проведено культивирование различных видов микроводорослей с целью возможности их накопления в больших объемах. Использованы общепринятые для культивирования МВ среды: Тамия (Т), Болда (В) [7]. Также использовалась среда (М) — минеральная среда, содержащая удобрение азофоску N₁₆P₁₆K₁₆. Предварительные исследования показали, что при использовании минеральной питательной среды с различной концентрацией азофоски, а именно 0,25 %, 1 %, 2,5 %, наилучшие результаты при накоплении биомассы культур Chlorella и Scenedesmus за одинаковый период были получены при концентрации удобрения 0,25 %. Поэтому в дальнейшем использовалась минеральная среда с этой концентрацией. Посевной материал получен на минеральной среде Тамия. При условии инокулирования одинаковым количеством посевного материала получали накопительные культуры МВ. Наблюдения вели в течение 19 суток в динамических условиях под лампой в режиме день-ночь. По окончании опыта были определены чистота культуры, вес сухой биомассы (г/л), титр (КОЕ/мл) [3, 7]. В результате данного опыта определено, что наибольшее накопление биомассы на питательной среде происходит в ряду: для Nostok(В>Т>М, (0,5—1,3) ±0,1 г/л),для Scenedesmus (М>В=Т, (1,3—1,7)±0,1),для хлореллы (Т>М=В, (1,4 1,8)±0,1). Титр культур МВ Chlorella vulgaris и Scenedes musacutus находился в пределах 10⁶—10⁷ КОЕ/мл.

Поставлены долговременные эксперименты с культурами МВ, а также с использованием альгологических ассоциатов различных культур МВ, на предмет исследования динамики их роста. Помимо трех вышеуказанных культур, для исследований отобраны еще две культуры микроводорослей (ККВ ИБ Коми НЦ): Scotiellopsis terrestis (Reisigl) Punč. et Kalina (для видов МВ характерно наличие вторичных каротиноидов), Pseudococcomyxa simplex (Mainx) Fott (характерно наличие капель масла) [1]. Предусмотрены исследования компонентного состава экзогенных метаболитов в культуральной жидкости по окончании культивирования, а также исследование фотосинтезирующей активности накопительных культур микро­водорослей в динамике роста. Если для одноклеточных зеленых микроводорослей определение численности возможно и чашечным методом Коха, и с помощью камеры Горяева, то для нитчатых МВ или цианопрокариот помимо показателя биомассы показатель содер­жания соответствующих хлорофиллов может оказаться дополни­тельным критерием качественного и количественного характера накопления культуры [7]. Биохимическая оценка накопительных культур микроводорослей также возможна путем определения наличия цитохромоксидазы, а также дегидрогеназной активности и количества клеток, обладающих дегидрогеназной активностью, методами, принятыми для водных микроорганизмов [3, 7].

Таким образом, в проведенных опытах показана возможность эффективного использования зеленых микроводорослей для биореме­диации нефтезагрязненных пресноводных сред на примере культуры Chlorella vulgaris Beijer, обоснована необходимость исследований с целью получения альгопрепаратов, а также в поставленных экспериментах получены исходные данные условий культивирования для некоторых видов зеленых микроводорослей и цианопрокариот, отобранных из коллекции культур водорослей (ККВ ИБ Коми НЦ).

Список литературы:

1.Андреева В.М. Почвенные и аэрофильные зеленые водоросли(Chlorophyta: Tetrasporales, Chlorococcales, Chlorosarcinales). СПб.: Наука, 1998. — 351 с.

2.Андреева В.М. Род Chlorella. Л.: Наука, 1975. — 110 с.

3.Градова Н.Б., Бабусенко Е.С., Горнова И.Б., Гусарова Н.А. Лабораторный практикум по общей микробиологии. М., 1999. — 130 с.

4.Ленова Л.Н., Ступина В.В. Водоросли в доочистке сточных вод. Киев: Наукова думка, 1990. — 182 с.

5.Макарова Е.И., Отурина И.П., Сидякин А.И. Прикладные аспекты применения микроводорослей — обитателей водных экосистем // Экосис­темы, их оптимизация и охрана. — 2009. — Вып. 20. — С. 120—133.

6.Мельников С.С., Мананкина Е.Е. Хлорелла: физиологически-активные вещества и их использование. Минск: Навука i тэхнiка, 1991. — 79 с.

7.Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидро­биологической практике. Киев: Наукова думка, 1975. — 247 с.

8.Новаковская И.В., Патова Е.Н. Коллекция живых штаммов микро­водорослей Института биологии Коми НЦ УрО РАН и перспективы ее использования // Изв. Коми научного центра УрО РАН, 2012. — № 2 (10). — С. 36—41.

9.Шарапова И.Э., Гарабаджиу А.В., Маркарова М.Ю., Щемелинина Т.Н., Груздев И.В. Экологические аспекты и эффективность использования биосорбентов для очистки водных сред шламонакопителя // Экология и промышленность России. 2011. Февраль. С. 22—25.

10.Шарапова И.Э., Маркарова М.Ю., Гарабаджиу А.В. Комплексный биосорбент на основе штаммов бактерий и грибов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов в присутствии микроводорослей // Патент России № 2422587. 2011. Бюл. № 18.

11.Шарапова И.Э., Маркарова М.Ю., Гарабаджиу А.В. Способ очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов биопрепаратом в присутствии гидрофобного сорбента // Решение о выдаче Патента РФ от 14.06.2012. Заявка № 2011118843. Приоритет от 10.05.2011.

12.McGriff C., McKinney R.E. Activated algae: a nutrient removal process//Water and Sewage Works. — 1971. — 118, N 11. — P. 377—379.

13.Overbeck J. Distribution pattern of phytoplankton and bacterial, microbial decomposition of organic matter and bacterial production in eutropic, stratified lake // Proc. IBP-UNESCO Symp. Prod. Probl. Freshwaters. — Warszawa; Krakow, 1972. — P. 227—237.