CC BY
7УДК:579.61/66+581.1,582.232
Рахманова А.
Заведующая лаборатории биотехнологий, Международный научно-технологический парк Академии наук Туркменистана
Туркменистан, г. Ашхабад Таганова Б.
Научный сотрудник лаборатории биотехнологий, Международный научно-технологический парк Академии наук Туркменистана Туркменистан, г.
Ашхабад
БИОНАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
(ОБЗОР)
Аннотация: в статье рассматриваются перспективы использования цианобактерий в борьбе с опустыниванием, в качестве бионанокомпозитных материалов, в строительных композитных материалов, биопрепаратов и пр. Анализируются биологические особенности цианофитов. Обсуждаются возможности использования цианобактерий в различных сферах промышленности в том числе в борьбе с опустыниванием, миграции песка. Проведен обзор отечественной и зарубежной литературы, обзор полученных результатов научных исследований и опытов учёных в мире науки.
Ключевые слова: сине-зелёные водоросли, цианобактерии, бионанокомпозитные материалы, штаммы, опустынивание.
Цианобактерии - уникальный объект для бионанотехнологических исследований.
Успехи в развитии науки и техники обусловили в последние годы более углубленное изучение во всем мире сырьевых, в том числе водных, биоресурсов. Еще не так давно биоресурсы водного происхождения рассматривались только как сырье для производства традиционных видов
пищевой, кормовой и технической продукции. Результаты многих исследований их состава показали, что они являются источниками разнообразных биологически активных веществ, которые могут использоваться не только для производства фармацевтической, косметической продукции, стимуляторов продуктивности
сельскохозяйственных животных и растений, но и для производства строительных композитных материалов, также материалов в профилактике и в борьбе с опустыниванием.
Цианобактерии, называемые также «сине-зелёные водоросли» являются одной из одиннадцати основных групп эубактерий, по морфологическим и физиологическим характеристикам они разнообразны, и у них есть свои особенности в развитии, они образуют разообразную группу прокариот которая включает более 1500 видов. К примеру А. Усербаева отмечает что особое отличие Цианобактерий в том, что от других фотосенсибилизирующих бактерий, они используют Н2О в качестве донора электронов и выделяют кислород (Усербаева,2017).
Научные исследования многих ученных показывают что именно эти бактерии являются перспективными объектами в биотехнологиях, так в диссертации Ефимовой М. приведены примеры Синезеленых водорослей (цианобактерии) поверхностных термопроявлений Камчатки и возможности их использования в биотехнологиях (Ефимова,2005).
Опираясь на работы большинства ученных в использовании цианобактерий в промышленности, сегодня в современных биотехнологиях данные бактерии применяются в качестве композиционных, строительных и пр. материалов. Ученые Политехнического института Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с коллегами из России, Индии и Саудовской Аравии разработали бетон, способный самостоятельно заделывать трещины, восстанавливая прочность. Для этого при изготовлении смеси добавляется водный концентрат, содержащий бактерии Bacillus cohnii,
которые заполняют образующиеся повреждения карбонатом кальция (CaCO3) (Федюк Р. Sustainability,2021). Для исследования использовали бактерии в качестве «ремонтной биодобавки». Бактерии вносятся в микротрещины на поверхности бетона, получают в качестве питания пропионат кальция и преобразуют его в карбонат кальция, выделяя углекислый газ и воду: Са(СзШ02)2 + 702 ^ СаСОз + 5CÜ2 + 5Ш0 Подобное бактериальное воздействие помогает не только залечивать трещины в бетоне, но и заполнять карбонатом кальция поры в материале. Исследования показывают, что при концентрации бактерий 105 клеток/мл прочность бетона на разрыв возрастает на 63% за 28 дней, а прочность на сжатие - на 42%. В результате заполнения пор бетона карбонатом кальция сам бетон становится гораздо устойчивее к прониканию воды, кислот и, соответственно, долговечнее. При этом им удалось установить, что некоторые виды бактерий, например, Bacillus subtilis, выживают в бетоне при температуре от -30 °C до 700 °C, что обеспечивает практически универсальное применение такого материала.
«Бетон остается конструкционным материалом номер один в мировом строительстве, поскольку он дешевый, прочный и универсальный. Однако любой бетон со временем может давать трещины в результате различных внешних факторов, в том числе из-за влаги и многократно повторяющихся циклов замораживания/размораживания, которых на Дальнем Востоке, к примеру, более ста за год. Как подчеркнул Федюк Р. Когда бетон даёт трещину — это практически необратимый процесс, который может поставить под угрозу всю конструкцию, то, что сделано в рамках эксперимента, соответствует международным трендам в строительстве, где существует запрос на подобные «живые» материалы, имеющие способность к самодиагностике и самовосстановлению. Благодаря им можно избежать или сократить технически сложные и дорогостоящие ремонтные процедуры». Самовосстанавливающийся бетон особенно актуален для
строительства в сейсмически опасных районах, где в конструкциях появляются мелкие трещины. Бактерии в бетоне заполняют поры цементного камня, и в него попадает меньше воды. Основы геоники заложены профессором Валерием Лесовиком из БГТУ им. В.Г. Шухова, членом-корреспондентом Российской академии архитектуры и строительных наук.
Как видно из результатов исследования ученые добились многоообещающих результатов у которых есть будущее. Если рассмотреть подробнее, процесс биоминерализации это формирование минералов в ходе биологических процессов. В основном выделяют два типа такой минерализации: • биологически контролируемая, биологически индуцируемая минерализация. В первом случае минерализация контролируется на генетическом уровне или регулируется организмами. Во втором случае минералы формируются в качестве побочного продукта при взаимодействии организмов с окружающей средой; бактерии приспосабливаются к окружающей среде на уровне метаболизма. Процессы биологически контролируемой минерализации, в особенности, образование карбоната кальция, характерны для многих эукариот: так формируются, например, раковины моллюсков, и иглы морских ежей. Отсюда можно сделать вывод что, возможности микроорганизмов можно и даже нужно испытать в борьбе с опустыниванием. В статье академика К.Н.Куликом «Остановить опустынивание» отмечено, Опустынивание - важнейшая угроза биоразнообразию на Земле. По данным ЮНЕП (Программы ООН по окружающей среде), четверть нашей суши находится под угрозой опустынивания. Всего в мире подвержено опустыниванию более 2 млрд. га. Ежегодно эта цифра увеличивается на 12 млн га. В результате снижения продуктивности пахотных земель и пастбищ возникает угроза существования свыше 1 млрд. человек более чем в 100 странах мира. Согласно официальному определению ЮНЕП, опустынивание — это деградация земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах земли
в результате действия природных и, конечно, антропогенных факторов. А их совместное проявление в разы усугубляет процессы опустынивания. Деградация земель может быть очень сильной, сильной, средней или умеренной, слабой. Именно сильную и очень сильную деградацию земель принято называть опустыниванием. Разрушается структура почв, усиливается их насыщение минеральными солями. Снижается биопродуктивность экосистем. (Кулик, 2021) Поэтому опустынивание представляет собой крупную экономическую, социальную и экологическую проблему для многих стран на всех континентах земли. За последние десятилетия процессы опустынивания усилились в связи с резкой интенсификацией природопользования и изменениями климата как в глобальном, так и в региональном масштабах. Причем это характерно не только для России, но и для всего мира: это и африканские страны, и страны Юго-Восточной Азии и др. В Европе, особенно южной, этот процесс тоже наблюдается. А как борются с процессами опустынивания в наши дни?
Данные науки и многолетняя практика земледелия и животноводства в лесостепных, степных и полупустынных районах убеждают в возможности эффективно противодействовать многим начавшимся негативным явлениям опустынивания комплексом биотехнологических, биолого-мелиоративных мероприятий, организующей основой которого служит создание взаимодействующих защитных комплексных систем. Сегодня основной, наиболее экологичный и экономичный метод - использование микроорганизмов в сочетании с лесо- и фитомелиорацией. Во ВНИАЛМИ разработана уникальная технология закрепления открытых песков посадкой и посевом фитомелиорантов (джузгуна, терескена, овса песчаного, кумарчика и др.) По данным Центра ФОБОС «Микроорганизмы будут бороться с опустыниванием» 2021, в последние десятилетия опустынивание территорий усилилось как за счёт негативного воздействия комплекса природно-антропогенных факторов, так и из-за последствий изменения климата.
Трагедия ещё заключается в том, чтобы восстановить слой почвы, подвергшийся влиянию эрозии толщиной всего до 2,5 см, понадобится не менее 500 лет. Уникальные чернозёмы формировались тысячелетиями, а человек разрушил их за короткий исторический период в 150-200 лет. Глобальное потепление усугубляет проблему. На поиски её преодоления направлены усилия многих институтов В частности, в Астраханском госуниверситете обнаружили микроорганизмы, которые могут помочь в борьбе с опустыниванием, ими заселят 80 га опытного поля. Ученые выяснили, что водоросли и цианобактерии положительно влияют на растения: помогают им быстрее расти и быть устойчивее к вредителям даже при неблагоприятных погодных условиях. Микроорганизмы работают в качестве биоагентов: при внедрении бактерий в грунт во время высадки растений вскоре вырабатывается набор полезных веществ, подпитывающих корневую систему, как минеральные удобрения.В ходе исследований выделено 6 штаммов таких бактерий. Сначала метод опробовали на томатах, теперь специалисты проведут аналогичный эксперимент с растениями, которые сдерживают распространение песков: джузгун и терескен. Бактерии создадут защитную экосистему, благодаря которой растениям будет проще разрастаться в жарком климате на засоленных почвах. Одним из последствий песчаного нашествия становятся пыльные и песчаные бури.
Также по данным РИА новости 2009 «Бактерии могут остановить опустынивание», утверждает ученый ООН в 2007 году назвала опустынивание самой большой экологической угрозой нашего времени. Наступление пустыни ставит под удар около трети населения Земли, примерно два миллиарда человек, живущих в Китае, Центральной Азии и в Африке. МОСКВА, Стена длиной 6 тысяч километров, созданная с помощью бактерий, поможет остановить продвижение пустыни Сахара, считает британский архитектор Магнус Ларсон «Опустынивание - серьезная угроза, мой ответ на нее - стена, созданная из затвердевшего песка", - говорит
Ларсон, слова которого цитирует Би-би-си (Larsson, 2009). Ряд североафриканских государств пропагандируют идею создания Великого зеленого пояса - полосы леса, которая призвана остановить пески. Подобный метод предлагается для остановки пустыни Гоби. Ларсон предлагает метод, который может стать дополнением и защитой для "зеленых стен". Его идея состоит в том, чтобы распылить над песчаными дюнами бактерии Bacillus pasteurii, которые обычно обитают назаболоченных землях. "Это микроорганизмы, которые выделяют кальцит - разновидность натурального цемента", - говорит Ларсон. Бактерии таким образом могут "заморозить" песчаные дюны, превратив их в барьер для дальнейшего разрастания пустыни. По его мнению, бактерии можно "сеять" над пустыней с гигантского воздушного шара.
В докладах II Международной научной конференции
«Цианопрокариоты/цианобактерии: систематика, экология,
распространение» проведенная 16-21 сентября 2019 г., Сыктывкар, Россия представлены материалы исследования цианопрокариот/цианобактерий с позиций альгологических и микробиологических подходов по различным направлениям: биотехнологическое применение; современные подходы и методы сбора и культивирования цианобактерий. В работе Кокшаровой О.изучены функции вторичных метаболитов цианобактерий, историю вопроса и современное состояние. Цианобактерии - древнейшие фотоавтотрофные микроорганизмы, способные к оксигенному фотосинтезу и фиксации атмосферного азота. Высокая пластичность и приспособляемость цианобактерий обеспечивается большим количеством разнообразных вторичных метаболитов, многие из которых имеют биотехнологическое, медицинское и экологическое значение. Это широкий спектр веществ различной химической природы, обладающих разнообразными биологическими функциями. Продемонстрировано, что бактериальные кетоны подавляют активность фотосистемы II в клетках цианобактерий. Это
новое перспективное направление экспериментальных исследований актуально как для фундаментальной науки, так и в плане практических разработок, представляющих интерес для сельского хозяйства, медицины, биотехнологии. (Патова, Стерлягова, 2019).
Массированное антропогенное воздействие на почву приводит к ее физической, химической и биологической деградации. Среди путей, способствующих возвращению «здоровья» почвы, определенное место занимают мероприятия по активизации полезной почвенной микробиоты, а также создание биопрепаратов на основе микроорганизмов, которые при интродукции в почву способны снижать стрессовые воздействия на нее. Особое место в ряду подобных микроорганизмов занимают цианобактерии отмечает в докладе Домрачева Л. , Фокин А. "Роль цианобактерий в стабилизации почвенных экосистем". Постоянно вегетируя в толще почвы, они способны к массовому размножению на ее поверхности, образуя визуально заметные налеты («цветение» почвы) или многовидовые биопленки. Определения, проведенные в природных условиях, показали, что для цианобактерий при благоприятных условиях характерны высокие темпы размножения со временем генерации в пределах 10 ч, высокая удельная скорость роста (1 = 1.66сут.-1), а в акинетах некоторых видов (например, Cylindrospermum 1. который часто является эдификатором «цветения» почвыв агроэкосистемах) формируются нити, содержащие до 50 вегетативных клеток, обеспечивающих быструю пространственную экспансию . Плотность цианобактериальных популяций при «цветении» почвы в различных экотопах варьирует в широких пределах. В работе приведены максимальные размерные показатели цианобактериального компонента альго-цианобактериальных комплексов, зарегистрированные ими при «цветении» почвы на территории Кировской области. Эти свойства цианобактерий (обезвреживание патогенов и детоксикация поллютантов) чрезвычайно важны в прикладном аспекте, поскольку позволяют в перспективе создавать
биопрепараты полифункциональго действия, способствующие биореставрации химически и биологически загрязненных почв.
Дуб С., Мельничук О. в научной статье "известковые цианобактерии и кальцимикробы в верхнем девоне и нижнем карбоне восточного склона среднего урала" Исследовали, Верхнедевонские и нижнекаменноугольные отложения часто содержат многочисленные остатки известковых цианобактерий и других кальцимикробов. Предполагается, что их массовое распространение в это время было обусловлено значительным падением парциального давления углекислого газа в атмосфере. Кроме того,позднедевонский биотический кризис, затронувший многокллеточных рифообразователей, позволил микроорганизмам занять их экологическую нишу. Кальцимикробы широко распространены в отложениях рассматриваемого стратиграфического интервала на восточном склоне Среднего Урала. Вероятнее всего, небольшие области карбонатного осадконакопления находились в пределах крупной дельтовой системы и особенности существования биоты в них определялись миграцией речных рукавов. В разрезе изолированной карбонатной платформы в известняках верхнего франа присутствуют органогенные постройки (N 57°25'15'', E 61°29'12''), представленные строматопороидеями и в меньшей степени ренальцидами (Renalcis,Izhella). Предполагается, что они слагали атолловидную структуру на ранних этапах развития платформы. Также в научном докладе Женавчук О, Карбышевой Е, Михеевой Л. " Гетероцистные цианобактерии в ассоциации с marchantia poHmorpha:новые изоляты из подмосковья" отмечено что, цианобактерии способны образовывать стабильные симбиотические ассоциации с самыми различными эукариотическими организмами, такими как грибы, растения, простейшие, губки и др. В подавляющем большинстве случаев такие ассоциации являются факультативными для цианобактерий, поскольку они сохраняют способность к росту и размножению и вне организмов-партнеров. Гетероцистные
азотфиксирующие цианобактерии порядка Nostocales встречаются в пресных и соленых водах, в почвах, встречаются в пресных и соленых водах, в почвах, на камнях во всех климатических зонах, включая экстремальные условия пустынь, горячих источников, приполярных областей. Хорошо известна способность филаментозных цианобактерий формировать пленочные обрастания на любых поверхностях, таких как водные растения, стволы, камни, памятники, строения, которые часто служат источником выделения многочисленных новых штаммов-изолятов азотфиксирующих цианобактерий. В коллекции кафедры генетики МГУ имеется несколько штаммов цианобактерий Anabaena/Nostoc, перПрирода симбиоза цианобактерий с мохообразными (отдел Bryo -phyta) изучена еще недостаточно, но такие ассоциации широко рас ) изучена еще недостаточно, но такие ассоциации широко распространены, имеют естественную природу и большое значение в накоплении биомассы и почвообразовании в условиях сурового климата приполярных зон, тундры, высокогорья, где мохообразные и лишайники являются основными первичными продуцентами. В бореальных лесах умеренной зоны мохообразные занимают до 65% почвенного покрова и обеспечивают до 50% поступающего в экосистему связанного азота. Цианобактерии, колонизируя растения мхов, получают надежный субстрат для роста и обеспечивают растения дополнительным азотным питанием за счет азотфиксации.
Выявлены функции кристалообразования ЦБ, показывают результаты исследований в.и. катковой в., митюшевой т." биокристаллогенезис в цианофитах из водных систем европейского севера" цианобактерии, обитающие в различных природных средах, участвуют в круговороте вещества на Земле, образовании осадочных пород и связанных с ними полезных ископаемых. Включение биогенного фактора в минералогенезис способствует формированию кристаллических образований, отличающихся от аналогов абиогенных минералов формой, строением и свойствами. Ранее
проведенными исследованиями современного минералообразования в различных водоемах Республики Коми было установлено, что основным минералом, формирующимся в гликокаликсе колоний ностока сливовидного карстовых озер Тимана «Параськины озера», является кварц (SiO2) [1], зафиксированы также полевой шпат и слюда в качестве примесных минералов. Частичная карбонатизация колоний цианобактерий рода Ривулярия имела место in situ из соло- in situ из соло- situ из соло- situ из соло из солоноватых Cl-Na техногенно загрязненных вод руч. Богадельский в Серегово. В гликокаликсе колоний Ривулярия ex situ кальцит формируется в виде скелетных кристаллов и шестоватых агрегатов.
В образцах в качестве примесных минералов также были определены галит, карналлит, бассанит, кварц. Исследователи Михайлюк Т., Глазер К. Карстен выделяют роль цианобактерий в формировании биологических почвенных корочек приморских песчаных дюн (балтийское море, германия) Биологические почвенные корочки (БПК) - сложная микроэкосистема, включающая разные компонены: бактерии, грибы, водоросли, лишайники, мхи, протисты, беспозвоночных животных, а также некоторые высшие растения. Данное явление широко распространено в природе во всех климатических зонах, где рост высших растений лимитирован определенными неблагоприятными факторами среды . Значение БПК в природе очень высоко (круговорот веществ, цепи питания, стабилизация почвы и повышение ее качественного состава и плодородия и т.д.), особенно в экосистемах с разреженной высшей растительностью (пустыни, саванны, ксерофитные степи, отвалы горнодобывающей промышленности, пожарища, прибрежные песчаные дюны и др.). Были обнаружены также редкие и интересные цианобактерии в составе БПК исследованных песчаных дюн.
Нынешние тенденции развития науки в изучении функциональных возможностей и применение ЦБ можно охарактеризовать как стремление к наибольшему использованию бактерий, способствовавшего бы более
полному изучению изменяющейся реальности в экосистеме. В нашей работе исследуются местные штаммы ЦБ и использование их в борьбе с опустыниванием, на основе ЦБ были разработаны бионанокомпозитные материалы и апробированы на месте в пустынных, песчанных степях. Выявлено образование биологических почвенных корочек. В песчаных местностях создается среда с достаточно жесткими условиями существования и стрессовыми факторами: ветер и подвижность субстрата, бедного питательными веществами и водой, периодические высокие температуры на поверхности субстрата, интенсивное освещение, возможность засоления. Данное сообщение посвящено исследованию видового состав местных штаммов и использование функциональных возможностей в миграции песка. В целом, при исследовании ЦБ выявлено несколько видов цианобактерий и водорослей. Следует отметить, что цианобактерии составляют около 15% полученного видового состава, а наиболее многочисленными являются зеленые водоросли. Среди доминирующих видов ЦБ выявлены нитчатые цианобактерии, которые сплетаясь и склеивая почвенные частицы образующие основу корочки. Данные исследования проводятся во многих иностранных строительных, технологических практиках, как в борьбе с опустыниванием, так и для применения в других отраслях промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Диссертация Усербаева А. А. Генетическая характеристика штамма Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200- потенциального продуцента биодизеля: Автореферат дис. Докт.фил. наук М.: 2017-10 с.
2. Диссертация Ефимовой М.В. Синезеленые водоросли (цианобактерии) поверхностных термопроявлений Камчатки и возможности их использования в биотехнологии: Автореферат дис. по ВАК РФ 03.00.32, кан. биологических наук М.: 2005-20 с.
3. Дальневосточный федеральный университет ДВФУ, Россия, исследования Метод восстановления бетона при помощи бактерий М.:, «Наука» 2021, Электрон. журн. - М., Basel, Switzerland - URL: http:// https://www.mdpi.com/joш•nal/sustamaЫHt(дата обращения: 5.07.2024).
4. Электрон. журн. портал «Научная Россия » 18.09.2020 М., -URL: https://scientificrussia.ru/ (дата обращения: 5.07.2024).
5. Электрон. РИА новости 2009 «Бактерии могут остановить опустынивание», Магнус Ларсон Magnus Larsson Опустынивание - серьезная угроза.
6. О.А. Кокшарова Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия., Функции вторичных метаболитов цианобактерий:история вопроса и современное состояние // цианопрокариоты/цианобактерии: систематика, экология, распространение: Мат. Докл. / II Межд. Конф. Сыктывкар, Россия, 2019.- С.29-32.
7. Домрачева Л. , Фокин А. роль цианобактерий в стабилизации почвенных экосистем // Там же. - С. 119-123.
8. Дуб С., Мельничук О. "известковые цианобактерии и кальцимикробы в верхнем девоне и нижнем карбоне восточного склона среднего урала" // Там же. - С. 127-131.
9. В.И. Катковой В., Митюшевой Т." биокристаллогенезис в цианофитах из водных систем европейского севера"// Там же. - С. 156-160.
10. Т.И. Михайлюк1 , К. Глазер2 , У. Карстен2 роль цианобактерий в формировании биологических почвенных корочек приморских песчаных дюн (балтийское море, германия) "// Там же. - С. 203-206.
Rahmanova A.
Head of the Biotechnology Laboratory, International Science and Technology Park of the Academy of Sciences of
Turkmenistan Turkmenistan, Ashgabat
Taganova B.
Researcher at the Laboratory of Biotechnology, International Science and Technology Park of the Academy of Sciences of
Turkmenistan Turkmenistan, Ashgabat
BIONANOTECHNOLOGICAL POTENTIAL OF CYANOBACTERIA
(REVIEW)
Abstract: the article discusses the prospects of using cyanobacteria in combating desertification, as bionanocomposite materials, in building composite materials, biological products, etc. The biological features of cyanophytes are analyzed. The possibilities of using cyanobacteria in various industries, including in combating desertification and sand migration, are discussed. A review of domestic and foreign literature, a review of the results of scientific research and experiments of scientists in the world of science.
Keywords: blue-green algae, cyanobacteria, bionanocomposite materials, strains, desertification.
