НОВЫЙ ШТАММ ТЕРРИГЕННОГО ГРИБА ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАССОВОГО РАЗВИТИЯ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В ВОДОЕМАХ

A NEW TERRIGENIC FUNGUS STRAIN FOR BIOLOGICAL CONTROL OF CYANOBACTERIA IN WATER RESERVOIRS

Krylova Veronika Yurievna

Student, Department of Microbiological Synthesis Technology Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University),

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В условиях усиления эвтрофикации и цветения водоёмов, сопровождающегося накоплением опасных цианотоксинов, актуальным является поиск эффективных агентов биоконтроля. Целью работы стала идентификация нового терригенного штамма гриба, способного подавлять рост токсигенных цианобактерий Microcystis aeruginosa и Planktothrix agardhii и разрушать микроцистин-LR. Методами спектрофотометрии и хромато-масс-спектрометрии установлено, что выделенный из донных осадков Финского залива штамм Penicillium sp. в концентрации 10% полностью ингибирует рост цианобактерий за 96 часов и снижает содержание микроцистина-LR на 36±3%. Полученные результаты подтверждают перспективность использования данного гриба для микоремедиации водоёмов, загрязнённых микроцистином-LR.

ABSTRACT

In the context of increasing eutrophication and water body blooms, accompanied by the accumulation of dangerous cyanotoxins, the search for effective biocontrol agents is relevant. The aim of the work was to identify a new terricidal fungal strain capable of inhibiting the growth of toxic cyanobacteria Microcystis aeruginosa and Planktothrix agardhii and degrading microcystin-LR. Using spectrophotometry and chromatographic-mass spectrometry, it was found that the strain of Penicillium sp. isolated from the bottom sediments of the Gulf of Finland at a concentration of 10% completely inhibits the growth of cyanobacteria within 96 hours and reduces the content of microcystin-LR by 36±3%. These results confirm the potential use of this fungus for mycoremediation of water bodies contaminated with microcystin-LR.

Ключевые слова: гриб; цианобактерия; микроцистин.

Keywords: fungus; cyanobacterium; microcystin.

Возрастающая интенсивность «цветения» водоемов в условиях изменения климата и эвтрофикации водоемов вызывает опасения в связи с тем, что многие цианобактерии — возбудители «цветения», образуют сильнодействующие токсины, в частности микроцистины (МС) [1]. МС являются гепатотоксинами, оказывают негативное действие на нервную, пищеварительную, дыхательную систему и др. Международное агентство по изучению рака в 2010 году классифицировало микроцистин-LR (MC-LR) как канцероген группы 2B [2].

С 2000-х годов вредоносное «цветение» ежегодно наблюдается в Балтийском море. В летний сезон оно регистрируется как в открытых, так и прибрежных акваториях Финского залива, а также в юго-западной части Балтийского моря. Восточная часть Финского залива менее подвержена цветению. В период 2012-2015 гг. в восточной части Финского залива "цветение" наблюдалось на ограниченных участках изучаемого региона. В осенний период 2015 и 2017 гг. оно было зарегистрировано в прибрежных водах Санкт-Петербурга. Максимальная суммарная концентрация МС в прибрежных водах в районе Зеленогорска достигала 49 мкг/л и была значительно выше рекомендуемых ВОЗ нормативных значений как для питьевой воды, составляющего 1 мкг/л, так и для рекреационных вод, составляющего 10 мкг/л (по MC-LR) [3]. Молекулярными методами (ПЦР с использованием родо-специфических праймеров) цианобактерии Microcystis aeruginosa и Planktothrix agardhii были идентифицированы как потенциальные продуценты микроцистинов в Финском заливе [4]. Благодаря циклической структуре МС устойчивы к воздействию высоких температур, экстремальных рН, солнечному свету, вследствие чего могут сохраняться в водоемах месяцами.

Многие водные организмы могут ограничивать рост цианобактерий и разлагать микроцистины. Именно биодеградация является основным механизмом разрушения МС в природных условия. Известно о разложении МС индигенной микробиотой озер, водохранилищ, морей, донных осадков [5-7].

Целью данной работы была идентификация терригенного гриба, обладающего альгицидным свойством в отношении токсигенных штаммов Microcystis aeruginosa CALU 973 и Planktothrix agardhii CALU 1113, а также изучение влияния идентифицированного гриба на рост и содержание хлорофилла а у M. aeruginosa 973 и P. agardhii 1113 и способность микромицета разрушать микроцистин-LR.

В настоящем исследовании из донных осадков Финского залива выделены микроорганизмы, обладающие альгицидным свойством в отношении токсигенных штаммов Microcystis aeruginosa CALU 973 и Planktothrix agardhii CALU 1113, полученных из Ресурсного центра «Культивирование микроорганизмов» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета (Россия), и способных к биодеструкции микроцистинов. Идентификацию грибов проводили по культуральным и морфологическим характеристикам. Грибы культивировали на среде Чапека с 2% глюкозы, цианобактерии на минеральной среде BG11. Рост цианобактерий контролировали по содержанию хлорофилла а, которое определяли спектрофотометрическим методом [8]. Концентрацию микроцистина - LR определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии - масс-спектрометрии высокого разрешения с использованием масс-спектрометра LTQ Orbitrap XL (30000) (Thermo Fisher Scientific, San Jose, California, USA) с жидкостным хроматографом серии Prominence LC-20 (Shimadzu, Tokyo, Japan) [9].

Штамм терригенного гриба, способный подавлять рост Microcystis aeruginosa 973 и Planktothrix agardhii 1113 и обладающий свойством деструктировать MC-LR, предварительно был идентифицирован как Penicillium sp.

Культуральная жидкость гриба Penicillium sp. в концентрации 10% (v/v) ингибировала развитие цианобактериальных клеток Microcystis aeruginosa 973 и Planktothrix agardhii 1113. Содержание хлорофилла а у M. aeruginosa 973 и P. agardhii 1113 снижалось с 280±20 мкг/л и 386±14 мкг/л соответственно, примерно до 0 после 96 часов совместного культивирования цианобактерий и гриба, что коррелировало с подавлением биомассы цианобактерий. Предполагается, что альгицидная активность гриба была обусловлена выделением метаболитов, обладающих антагонистическим свойством в отношении исследуемых цианобактерий.

Кроме альгицидных свойств у Penicillium sp. выявлена способность к биодеструкции MC-LR.  Удаление сырца MC-LR в концентрации 0,45 мкг/мл штаммом Penicillium sp. составило 36±3%. Снижение содержания MC-LR происходило, главным образом, за счет его биодеструкции и/или биотрансформации грибом.

Полученные результаты могут свидетельствовать о перспективности использования выделенного штамма гриба Penicillium sp. как в качестве эффективного биоагента против вредоносных цианобактерий Microcystis aeruginosa CALU 973 и Planktothrix agardhii CALU 1113, так и в процессах микоремедиации поверхностных вод, загрязненных цианотоксином микроцистином-LR.

Работа выполнена в НИЦЭБ РАН - СПб ФИЦ РАН в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FFZF-2025-0017).

Список литературы:

1. Buratti F.M., Manganelli M., Vichi S., Stefanelli M., Scardala S., Testai E., Funari E. Cyanotoxins: Producing organisms, occurrence, toxicity, mechanism of action and human health toxicological risk evaluation // Arch. Toxicol. – 2017. – V.91. – P.1049–1130.
2. ГОСТ Р ИСО 23500-3–2021. Подготовка жидкостей для гемодиализа и сопутствующей терапии и менеджмент качества. Часть 3. Вода для гемодиализа и сопутствующей терапии : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 октября 2021 г. N 1196-ст : введен впервые : дата введения 2022-02-01 / разработан Федеральным государственным бюджетным учреждением «Российский институт стандартизации» (ФГБУ «РСТ») и Обществом с ограниченной ответственностью «Медтехстандарт» (ООО «Медтехстандарт»). – Москва : Стандартинформ, 2021. – IV, 25 c.
3. Ding W., Shangguan Y., Zhu Y., Sultan Y., Feng Y., Zhang B., Liu Y., Ma J., Li X. Negative impacts of microcystin-LR and glyphosate on zebrafish intestine: Linked with gut microbiota and microRNAs? // Environ. Pollut. – 2021. – V.286. – P.117685.
4. Chernova E., Sidelev S., Russkikh I., Voyakina E., Zhakovskaya Z. First observation of microcystin- and anatoxin-a-producing cyanobacteria in the easternmost part of the Gulf of Finland (the Baltic Sea) // Toxicon. – 2019. V.157. P.18–24.
5. Medvedeva N.G., Kuzikova I.L. Mycrocystin-LR degradation by indigenous bacterial community of Rybinsk reservoir // IOP Conference Series “Earth and Environmental Science”.  – 2021. – V. 834(1). Article 012066.
6. Dziga D., Maksylewicz A., Maroszek M., Budzyńska A., Napiorkowska-Krzebietke A., Toporowska M., Grabowska M., Kozak А., Rosińska J., Meriluoto J. The biodegradation of microcystins in temperate freshwater bodies with previous cyanobacterial history // Ecotoxicol. Environ. Saf. – 2017. – V.145. – P. 420–430.
7. Zhu F.-P., Han Z.L., Duan J.L., Shi X.S., Wang T.T., Sheng G.P., Wang S-G., Yuan X-Z. A novel pathway for the anaerobic biotransformation of microcystin-LR using enrichment cultures // Environ. Pollut. – 2019. –V. 247. – P. 1064–1070.
8. Jeffrey, S. W. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c₁ and c₂ in higher plants, algae and natural phytoplankton / S. W. Jeffrey, G. E. Humphrey // Biochemie und Physiologie der Pflanzen. – 1975. – Bd. 167. – № 2. – P. 191-194.
9. Kuzikova I., Zaytseva T., Chernova E. et al. Algicidal activity and microcystin-LR destruction by a novel strain Penicillium sp. GF3 isolated from the Gulf of Finland (Baltic Sea). Toxins. 2023;15(10):607.  DOI: 10.3390/toxins15100607.