РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ПИТАТЕЛЬНОЙ СМЕСИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РОСТА ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ПРЕСНОВОДНЫХ ВОДОЕМОВ

DEVELOPMENT OF EFFECTIVE MINERAL NUTRIENT MIXTURE FOR INTENSIFYING THE GROWTH OF FRESHWATER DIATOMS

Gulzira Yernazarova

andidate of biological sciences, assistant professor Al-Farabi's Kazakh National University,

Kazakhstan, Almaty

Kamilya Әbіt

master of Chemistry Al-Farabi's Kazakh National University,

Kazakhstan, Almaty

Tolkyn Duysebaeva

master of Chemistry Al-Farabi's Kazakh National University,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является изучение интенсификации роста фитопланктона в специальной среде, разрабатываемой для выращивания диатомовых водорослей: Nitzchia palea, Sumbella sp., Sceletonema costatum, Pinnularia viridis, Asterionella formoza. Были проведены исследования зависимости биомассы микроводорослей от различных концентраций минеральных веществ в питательной среде. Установлено, что повышение содержание ионов металлов, таких как натрий, калий, марганец, кобальт, железо, ведет к приросту биомассы в течение 10 суток в 2–6 раз.

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the intensification of phytoplankton growth in a special media, developed for the diatoms growing: Nitzchia palea, Sumbella sp, Sceletonema costatum, Pinnularia viridis, Asterionella formoza. The influence of the designed media concentration to the biomass of diatoms were studied under standard conditions. It is found that high concentration of metal ions such as sodium, potassium, manganese, cobalt, iron increased the biomass in 2–6 times after 10 days growth.

Ключевые слова: диатомовые водоросли, устойчивость, адсорбция, показатель роста, питательная среда, минеральное питание.

Keywords: diatoms, sustainability, adsorption, rate of growth, nutrient media, mineral nutrition.

Обеспеченность пресной водой является одним из ключевых вопросов, стоящих перед человечеством в XXI веке. Наступившее столетие можно смело назвать «веком водных проблем», которые в Средней Азии ведут к обострению политической и экономической ситуации между странами региона. Это прежде всего проблемы пограничных рек и уровень загрязнения источников питьевой воды различными токсикантами и в первую очередь тяжелыми металлами [4].

Механизм самоочищения с участием фитопланктона в природных водоёмах является одним из основных механизмов, поддерживающих экологическое равновесие. Многие физические и химические процессы самоочищения воды регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них. От концентрации клеток фитопланктона зависят масштабы сорбции загрязняющих веществ на оседающих частицах взвесей.

Однако при всё возрастающей антропогенной нагрузке природный механизм самоочищения перестаёт справляться с высоким уровнем загрязнений, в том числе тяжелыми металлами (ТМ). В этом случае интенсификация естественных процессов биосорбции может являться тем экономически выгодным методом по ремедиации TM и активации природных процессов самоочищения.

Микроводоросли являются основными биологическими адсорбентами микроэлементов в водных средах. Их способность адсорбировать и метаболизировать микроэлементы связана с высоким соотношением поверхность/объем, наличием структур на поверхности, обладающих высоким сродством к металлам, и эффективной системы поглощения и накопления металлов [2]. Как и для других видов фитопланктона, увеличение активности диатомовых водорослей можно достичь, производя активацию и подпитку для их стабильного размножения в природной или искусственной среде [6].

Целью данной работы является – разработка минеральной питательной среды для накопления биомассы в культуральной среде диатомовых водорослей, отобранных в пресноводных водоемах. В работе исследована возможность интенсификации роста диатомовых водорослей для создания биотехнологии по ремедиации водоемов, загрязненных тяжелыми металлами.

Для производства биомассы одноклеточных водорослей в качестве биологических очистителей водоемов могут быть использованы водоросли на основе естественного фитопланктона, полученные за счет интенсификации их роста путем добавления элементов минерального питания в воду из природных источников. Объектом исследования служила смешанная культура водорослей, полученная на основе природного сообщества фитопланктона.

Объекты, материалы, и методы исследования

Отбор проб фитопланктона и воды производился с поверхности глубиной не более 30 см Капчагайского водохранилища в районе речного порта г. Капчагай в мае месяце. Температура воды составляла 14⁰С.

Идентификацию видов и подсчет числа клеток проводили на световом микроскопе марки МТ 6000. Общее количество клеток фитопланктона подсчитывали в поле счетной камеры с каждой из исследуемых проб, затем количество клеток фитопланктона на 1 литр воды водоема вычисляли по формуле 1:

N = K • n • (A/a) • v • (1000/V),                                    (1)

где: N – количество организмов в 1 л воды исследуемого водоема; К – коэффициент, показывающий во сколько раз объем счетной камеры меньше 1 см³; n – количество организмов, обнаруженных на просмотренных дорожках (квадратах, полосах) счетной камеры; А – количество дорожек (квадратов, полос) в счетной камере; а – количество дорожек (квадратов, полос), на которых производится подсчет водорослей; v – объем сгущенной пробы (см³); V – первоначальный объем отобранной пробы (см³) [3].

Количество клеток фитопланктона на 1 литр воды в водоеме составило 27329 кл/л. В ходе микроскопического анализа начальных проб были выявлены следующие виды диатомовых микроводорослей: Nitzchia palea, Sumbella sp., Sceletonema costatum, Pinnularia viridis, Asterionella formoza (Рисунок 1).

(а)               (б)

(в)               (г)

Рисунок 1. Фотографии микроводорослей под микроскопом (увеличение в 400 раз): а) Nitzchia palea, б) Sumbella sp., в) Sceletonema costatum, г) Pinnularia viridis, Asterionella formoza

Для установления влияния разрабатываемой питательной смеси на прирост биомассы выявленных в пробах воды диатомовых водорослей были поставлены следующие эксперименты. Выращивание фитопланктона проводили в колбах Эрленмейера емкостью 500 мл (объем среды 200 мл) в орбитальных качалках. Температура среды поддерживалась равной 18–20ºС при постоянном освещении люминисцентной лампoй. В экспериментах применяли периодический (накопительный) режим культивирования.

Основу питательной смеси составила модифицированная среда Гольдберга, состав которой по ионам металлов и органическим компонентам приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание микроэлементов в питательной среде

Питательные смеси № 1-6 добавляли в начале эксперимента в шесть колб, содержащих по 200 мл воды и 0,2 мл аликвоты исследуемого сообщества микроводорослей. Концентрацию добавляемой питательной смеси варьировали от 5 до 2500 мг/л (таблице № 2).

Таблица 2.

Количество добавляемой питательной смеси

Результаты и их обсуждения

Одной из главных трудностей в практике культивирования микроводорослей является недостаточная изученность потребности водорослей в основных биогенных элементах, источниках и способах углеродного обеспечения, а также влияния на рост и развитие клеток высоких концентраций макро- и микроэлементов. Результатом этого явилось отсутствие специальных питательных сред для выращивания некоторых диатомовых водорослей в модельной среде и эффективных способов их интенсивного культивирования [5].

В ходе работы изучено влияние содержаний некоторых микроэлементов на рост диатомовых водорослей. Однако, следует отметить, что в клетках микроводорослей одновременно протекают процессы поступления металлов из раствора и их выведения. Адаптацию микроводорослей к действию ТМ связывают с установлением динамического равновесия между этими процессами [1].

Следует учитывать также, что отдельные элементы, главным образом микроэлементы, могут вноситься в питательные среды в виде примесей с дополнительными солями. Известно, что физиологически активные водоросли могут некоторое время развиваться за счет внутриклеточных запасов или использовать органические источники макро-и микроэлементов [5].

Оценка прироста культуры водоросли в исследуемых питательных средах производилась через 10 суток после начала опыта. Для определения роста и развития диатомовых водорослей в исследуемой среде, нами выбран показатель роста (ПР), вычисляемый как отношение сухой массы клеток в конце опыта к сухой массе в начале опыта.

На рисунке 2 представлены данные по изменению ПР диатомовых культур при их 10-дневном выращивании с нарастанием содержания концентраций микроэлементов в среде.

Рисунок 2. Изменение показателя роста диатомовых культур водорослей при различных концентрациях микроэлементов

Результаты анализа образцов воды, отобранной в месте сбора фитопланктона представлены в таблице № 3.

Таблица 3.

Содержание ионов металлов в образце воды Капчагайского водохранилища

Изучено влияние содержания ионов металлов и состава питательной среды на жизнедеятельность диатомовых водорослей Капчагайского водохранилища.

Из рисунка № 2 видно, что с увеличением концентрации питательной среды повышение биомассы диатомовых водорослей в фитопланктонном сообществе идет гораздо интенсивнее, по сравнению с контрольным образцом. В культурах, выращенных в среде № 6 величина ПР гораздо больше, чем в других культурах. Это указывает на то, что концентрации ионов железа и кобальта в водохранилище Капчагая возможно являются лимитирующим фактором роста исследуемых диатомитовых водорослей.

Был изучен видовой состав микроводорослей в пробе после выращивания в колбах с добавлением исследуемой питательной смеси. Среда содержала следующие виды диатомовых водорослей: Nitzchia palea, Sumbella sp., Sceletonema costatum, Pinnulariaviridis, Asterionella formoza (Рисунок 3).

(а)               (б)

(в)               (г)

Рисунок 3. Фотографии микроводорослей под микроскопом (увеличение в 400 раз: а) Asterionella formoza; б) Sumbella sp.; в) Nitzchiapalea ;г) Pinnularia viridis

Каждый из видов изучаемых диатомовых водорослей характеризуется определенной толерантностью к повышению содержания питательной смеси. При низких концентрациях микроэлементов в среде № 2 наблюдалось ускорение прироста биомассы по сравнению с контрольным образцом. По-видимому, даже в относительно низких концентрациях питательная смесь (среда № 3) вызвала резкий скачок роста водорослей: Sceletonema costatum, Synedra sp., Diatoma sp., Sumbella sp.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавляемая питательная среда до высоких концентраций микроэлементов ионов железа и кобальта ведет к пятикратному увеличению концентрации диатомовых микроводорослей по сравнению с контрольной пробой без добавления питательной среды.

В дальнейшем проведенные исследования по показателю роста диатомовых водорослей позволят определить количество ауксоспор, от которых зависит интенсивность роста микроводорослей, и образующихся на их основе размножения диатомей: Nitzchiasp., Sumbellasp., Sceletonemacostatum, Cheatocerosurcellatus, Asterionellaformosa.

Список литературы:

1. Налимова А.А., Попова В.В., Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Влияние меди и цинка на рост Spirulinaplatensis и аккумуляция клетками тяжелых металлов // Физиология растений. – 2005. – Т. 52, № 2. – С. 259–265.
2. Остроумов С.А. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и приложения // Успехи современной биологии. – 2004. – Т. 124. № 5. – С. 429–442.
3. Садчиков А.П. Методы изучения пресноводного фитопланктона. – М.: Изд-во «Университет и школа», 2003. – 158 с.
4. Сарсенбаев М.Х., Баженов М.Г., Жанабаева Ж.А. Современные пути управления водными ресурсами // G-Global, май 2015.
5. Тренкенщу Р.П. Ростовые и фотоэнергетические характеристики морских микроводорослей в плотной культуре // Красноярск, 1984 г.
6. Rajamani S., S. Siripornadulsil, V. Falcao, M. Torres, P. Colepicolo, R. Sayre. Phycoremediation of Heavy Metals Using Transgenic Microalgae // Advances in Experimental Medicine and Biology. – V. 616, – 2007. – P. 99–109.