ВЫДЕЛЕНИЕ ЭКЗОМЕТАБОЛИТОВ ЦИАНОБАКТЕРИЕЙ PLANKTOTHRIX AGARDHII ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МЕДИ

ISOLATION OF EXOMETABOLITES BY CYANOBACTERIUM PLANKTOTHRIX AGARDHII UNDER THE INFLUENCE OF COPPER

Krylova Veronika Yurievna

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

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

Исследовано влияние меди на рост и образование экзометаболитов цианобактерией Planktothrix agardhii. Показано, что ингибирование роста цианобактерии под воздействием меди сопровождается увеличением содержания в среде таких метаболитов, как растворимые экзополисахариды и цианотоксины, что значительно ухудшает качество воды.

ABSTRACT

The effect of copper on the growth and exometabolite production of the cyanobacterium Planktothrix agardhii has been investigated. It has been shown that copper-induced inhibition of cyanobacterial growth is accompanied by an increase in the concentration of such metabolites as soluble exopolysaccharides and cyanotoxins in the medium, which significantly impairs water quality.

Ключевые слова: медь; цианобактерия; экзометаболиты.

Keywords: copper; cyanobacteria; exometabolites.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязнителям водоемов в регионах с развитой промышленной инфраструктурой.  В природных водах наиболее часто встречаются соединения меди (Cu²⁺). Основными источниками поступления меди в природные воды являются сточные воды предприятий химической, металлургической промышленности, септики, сельское хозяйство, шахтные воды, альгициды и др. По оценкам, в пресные воды попадает около 8 тыс. тонн меди в год [1]. Предельно допустимая концентрация меди в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 1 мг/л [2].  Использование меди для борьбы с развитием водорослей, цианобактерий, грибов и моллюсков демонстрирует её чрезвычайную токсичность для водных организмов [3]. Медь является важным микроэлементом для цианобактерий, но при повышенных концентрациях становится токсичной для них, негативно влияя на фотосинтез, вызывая физиологические повреждения клеток [4].

Целью данной работы было изучение влияния меди на образование экзометаболитов цианобактерией Planktothrix agardhii, доминирующей в водоемах в период цветения воды.

В настоящем исследовании выявлено, что медь в концентрациях, не превышающих 17,0 мкг/л, не влияла на рост цианобактерии P.agardhii (Рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость степени ингибирования роста P.agardhii от концентрации меди (Cu²⁺)

На основании экспериментальных данных получено уравнение линейной регрессии степени ингибирования выхода биомассы цианобактерии на концентрацию Сu²⁺:

Y=1,46Х - 25,49

Y – степень ингибирования роста P. agardhii (%);

X – содержание Сu²⁺ (мкг/л), рассчитана концентрация, при которой выход биомассы P. agardhii после 7 суток культивирования подавлялся на 50% (ЕC₅₀) – 51,9 мкг Сu²⁺/л. На адекватность полученной линейной модели указывает высокое значение коэффициента детерминации 0,847.

Одной из основных проблем, связанных с массовым развитием цианобактерий, является синтез и выделение в окружающую среду их биологически активных вторичных метаболитов. Показано, что ингибирование роста P. agardhii медью сопровождается увеличением как продуктивности клеток цианобактерии по таким экзометаболитам, как водорастворимые экзополисахариды (ЭПС) и цианотоксины, так и повышением их концентраций в среде.

Водорастворимые ЭПС, как часть внеклеточных полимерных соединений, непрерывно прижизненно выделяемых цианобактериями в среду, выполняют различные функции в жизненном цикле цианобактерий, осуществляя защиту клеток от стрессов различной природы, а также выступая как антиоксиданты [5].

Под воздействием меди в концентрации, вызывающй 50%-е ингибирование роста P. agardhii, выявлено более, чем 3-х кратное увеличение концентрации ЭПС в среде. При этом повышение продуктивности биомассы по ЭПС составило 1,6 раза (табл. 1).

Таблица 1.

Влияние меди на продуктивность биомассы P. agardhii по ЭПС и их содержание в среде

ЭПС цианобактерий оказывают существенное влияние на качество воды и могут являться источниками её вторичного загрязнения в связи с высоким содержанием органических веществ, служащих субстратом для роста различных микроорганизмов, том числе патогенных [6].

Известно, что цианобактерии образуют сильнодействующие токсины, в частности микроцистины (МС), которые оказывают негативное действие на здоровье человека, поражая нервную, пищеварительную, дыхательную систему и др. [7].

Цианобактерия P. agardhii синтезирует ряд микроцистинов, основным из которых является деметилированный микроцистин-RR (dm-MC-RR) [8]. Установлено, что концентрация внеклеточного MC-dm-RR и его синтез значительно возрастают под воздействием меди: в 1,7 и 3,4 раза соответственно (рис. 2).

Рисунок 2. Влияние Cu²⁺ на концентрацию в среде внеклеточного микроцистина MC-dm-RR (a) и продуктивность биомассы P. agardhii (б) по MC-dm-RR

Увеличение концентраций микроцистинов приводит к загрязнению водоемов, нарушает нормальное функционирование экосистемы и увеличивает риск возникновения серьезных проблем со здоровьем у животных и людей [7].

Повышенное выделение цианобактериями экзометаболитов, существенно влияющих на формирование качества воды, несомненно, является одним из негативных последствий загрязнения водных экосистем медью.

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

Список литературы:

1. Sources of copper into the European aquatic environment / Comber S. [et al.] // Integrated Environmental Assessment and Management. – 2022. – Vol.19. – P. 1031–1047.
2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: Гигиенические нормативы. ГН 2 .1.5.1315-03. - М: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Министерства здравоохранения Российской Федерации, 2003. - 154 с.
3. Impacts of Copper on Aquatic Ecosystems and Human Health / Solomon F. [et al.] // Environment & Communities. – 2009. – Vol.15. – P. 25–28.
4. Metabolic Responses, Uptake, and Export of Copper in Cyanobacteria / Oder J.C. [et al.] // Biology (Basel). – 2025. – Vol.14. – P. 798–815.
5. Antioxidant activity of exopolysaccharides from marine cyanobacteria / Hazra P. [et al.] // The Microbe. – 2025. – Vol.8.
6. Influence Mechanism of Cyanobacterial Extracellular Polymeric Substances on the Water Quality in Dynamic Water Supply System / Sun F. [et al.] // Sustainability. – 2021. – Vol.13.
7. As We Drink and Breathe: Adverse Health Effects of Microcystins and Other Harmful Algal Bloom Toxins in the Liver, Gut, Lungs and Beyond / Lad A. [et al.] // Life (Basel). – 2022. – Vol.12. – P. 418.
8. Зайцева Т.Б., Мильман Б.Л., Луговкина Н.В., Чернова Е.Н., Русских Я.В., Сатаева С.М., Медведева Н.Г. Влияние октил- и нонилфенолов на рост, фотосинтетическую активность и токсинообразование цианобактерии Planktothrix agardhii (gom.) Anagnostidis et Komarek // Гидробиологический журнал. - 2015. - Т.51, № 4. - С. 40-52.