CC BY
167
и инновации
(X
U
сЕ
СП
А
...великая книга природы
открыта перед всеми, и в этой великой книге до сих пор... прочтены только первые страницы.
Д.И. Писарев
культивируемых и планктонных микроскопических водорослей
Повсеместное распространение водорослей в природе, их обильное развитие в водоемах разного типа, на наземных субстратах и в почве имеют огром ное значение для человека. Являясь неотъемлемой частью экосистем, они играют важную историческую роль в эволюции при роды, с их помощью планируется решение глобальных проблем, например продовольственной, энергетической, охраны окружающей среды, освоения космического пространства, недр Земли, богатств Мирового океана, изыскания новых источников промышленного сырья, строительных материалов, фармацевтических препаратов, биологически активных веществ, новых объектов биотехнологии. Естественно, что в первую очередь внимание на себя обратили макроскопические морские водоросли. С древнейшего времени они используются людьми в качестве пищи и корма для домашних животных. Практически все морские водоросли съедобны.
Тамара Михеева,
главный научный сотрудник
научно-исследовательской
лаборатории гидроэкологии
биологического
факультета БГУ,
доктор биологических наук,
доцент
http://inn0sfera.by | №2 (180) | Февраль 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 15
Трудно найти растительный или животный продукт, который по набору разнообразнейших питательных веществ был бы таким же универсальным. Помимо применения в пищу морская растительность является ценным сырьем для химической, нефтяной, фармацевтической, парфюмерной, микробиологической, рыбной промышленности, медицины, широко используется в коммунальном и сельском хозяйстве. Поэтому во многих приморских странах получила развитие марикультура - искусственное выращивание водорослей в хозяйственных целях.
Несмотря на широкую распространенность и непреходящее историческое значение в создании кислорода и органического вещества на Земле, микроскопические водоросли значительно медленнее признаются источником продуктов питания, кормов и сырьем для промышленности, хотя перспективы здесь необозримы. Только в 1940-е гг. исследователи обратились к вопросам искусственного культивирования. За прошедшее время неоднократно изменялись объем и направление работ, связанных с изучением возможностей использования микроводорослей в хозяйственной сфере. Так, после второй мировой войны в США, Японии, ЧССР и некоторых других странах их усиленно изучали в качестве добавочного источника пищевых и кормовых продуктов. Однако начиная с 60-х гг., внимание к ним, как объектам промышленного выращивания, значительно уменьшилось, и лишь в Японии, КНР, Мексике и Советском Союзе исследования продолжались и давали практические результаты.
Временное разочарование в перспективах использования микроводорослей можно объяснить недостаточностью научного обоснования, отсутствием предварительных селекционно-генетических исследований, несовершенством методов выращивания и переработки, высокой себестоимостью получаемых продуктов. Не всегда положительными были результаты потребления нативной биомассы водорослей. Низкая их перевариваемость нередко обусловливалась наличием крепкой целлюлозной оболочки, нуждающейся в предварительной обработке и разрушении, или токсичностью отдельных объектов.
В 70-е гг. число работ по массовому культивированию данной морской растительности увели-
чилось. В качестве объектов используют представителей разных отделов и групп водорослей, преимущественно зеленых, вольвоксовых, синезеленых (цианобактерий), динофитовых, золотистых. Культивируемые виды составляют лишь незначительную часть мировой альгофлоры, насчитывающей свыше 55,5 тыс. видов. Чаще всего выращивают хлореллу, спирулину, хламидомонас, дуналиеллу, сценедесмус, анкистродесмус, микроцистис, синехококкус (ана-цистис). Применяются два способа культивирования - массовое под открытым небом и интенсивное в замкнутых аппаратах в полностью контролируемых условиях по типу современных микробиологических производств. В обоих случаях задача заключается в получении максимальных выходов биомассы, что требует изучения путей оптимизации роста и фотосинтетической продуктивности культур микроводорослей. Существует много разных конструкций для их выращивания первым способом. Из-за постоянно меняющихся погодных условий в наших широтах культуры водорослей в установках такого типа характеризуются низкими коэффициентами размножения, и в них невозможно длительное стабильное получение устойчивого урожая, в отличие от южных стран - Мексики, Гаити, Израиля, Вьетнама. Их производительность составляет в среднем 0,2 г/л сухой биомассы в сутки, поднимаясь в отдельных случаях до 1,2 г, ее удается повысить путем организации систем обогрева и охлаждения, досвечивания культуры искусственными источниками тепла. В 60-е гг. в лабораториях разных стран были разработаны установки и аппараты для высокоинтенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых условиях с автоматической стабилизацией оптимального режима и непрерывной автоматической регистрацией таких важных физиологических функций культуры, как скорость роста, интенсивность фотосинтеза, минеральное питание. Созданы также специальные реакторы, в которых используются мощные источники света и системы светораспределения и светодиодов, обеспечивающие равномерное освещение клеток. В таких установках получают урожаи, например, хлореллы (3040 г сухой массы с 1 л суспензии в сутки).
Широкое использование массовых культур микроводорослей как источника промышленного сырья лимитируется высокой стоимостью их биомас-
16 НАУКА И ИННОВАЦИИ | №2 (180) | Февраль 2018 |
http://innosfera.by
ТЕМА НОМЕРА
сы, обусловленной несовершенством методов выращивания и сбора урожая, применением дорогостоящих сред. Наиболее рентабельным считают промышленное производство, сопряженное с очисткой сточных вод. Такое культивирование водорослей впервые провели в Калифорнийском университете в 1950 г. в специально сконструированных биологических прудах, где сточные воды инокулировались определенными видами водорослей. Применение высокоскоростных окислительных водоемов оказалось весьма перспективным в тропических и субтропических странах, а позже и в умеренном климате. Результатами многих экспериментов доказана целесообразность альголизации биологических очистных прудов для очистки и до-очистки бытовых, смешанных бытовых и промышленных сточных вод; стоков сахарных, крахмальных, крахмало-паточных, винокуренных, пивоваренных заводов, молокозаводов, фармацевтических предприятий, животноводческих
ферм; сточных вод фабрик первичной обработки шерсти, инфицированных микробактериями, с последующим изъятием накопленной биомассы водорослей, ее переработкой и использованием в различных областях хозяйства.
Наибольшее внимание привлекают биологические системы, в которых наблюдается спонтанное массовое развитие водорослей, например биологические пруды для доочистки сточных вод производства минеральных удобрений. Почти в 3-5 раз снижается себестоимость биомассы при использовании отселектированных высокопродуктивных штаммов водорослей. Рентабельность массового культивирования существенным образом зависит от аспектов применения получаемого продукта и должна оцениваться в каждом конкретном случае индивидуально.
Все больше внимания привлекает пресноводный планктон. Дешевый источник промышленного сырья - биомасса водорослей, вызывающих «цветение»
ък
г>:
• ■ 1 v VT ■ ^ - - -
it-
К -. T-J
http://innosfera.by
Рис. 1. Ар1ют ithea ' stagnina (Sprengel)
A. Braun на атопл енных
разработках в Лид 1ском районе
^ у,:; »
та
| №2 (180) | Февраль 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 17
ЬлSWK * & ^ - 3*■ : Л к аЗ*i ч ! JESSES -1 ЯЯВ
воды. Она является ценным природным органическим веществом, которое может найти самое разнообразное применение в народном хозяйстве. Давно разработана технология сбора, консервирования и промышленной переработки синезеленых водорослей (цианопрокариот) для получения кормовых концентратов, аминокислот, ферментов, хло-рофилл-каротиновой пасты, ароматических соединений, компонентов питательных сред для выращивания кормовых дрожжей, энтомопатогенных микроорганизмов, флоккулентов, репеллентов, ан-тифудантов [1-4]. Из 1 т сухой массы водорослей можно получить 50 кг кормового концентрата, который можно использовать и для удобрения полей.
Однако описанные способы выращивания под открытым небом, в полупроизводственных и производственных условиях, изъятие водорослей, обитающих в естественных водоемах, их переработка
и утилизация, несмотря на кажущуюся дешевизну, не менее трудоза-тратны и не всегда экономически оправданы в нашей республике.
Массовое развитие водорослей до стадии «цветения» воды возможно не во всех водоемах и водотоках. Тысячи озер, которыми располагает республика, вообще не исследованы в альгологиче-ском отношении, нет их инвентаризации по данному свойству с оценкой уровня биомассы и по определению видов-возбудителей. Если же судить по выборке изученных озер республики (порядка 600), максимальная биомасса фитопланктона в сыром весе отмечена в оз. Червоном - 600 г/м3. В отдельных случаях, например в оз. Клиер в Калифорнии, при «цветении» синезелеными (цианобактериями) образуется пленка толщиной 10 см и более. Но следует иметь в виду, что такие высокие биомассы развиваются лишь в поверхностном слое и, как правило, резко уменьшаются с глубиной. В водохранилищах, по сравнению с озерами, биомасса обычно выше. Например, в Осиповичском (в нашей стране) она достигает 1 кг/м3, в молдавских - 5-7 кг/м3. В Кременчугском и Киевском водохранилищах (в Украине) -до 36 кг/м3 и 40-50 кг/м3 соответственно [4]. По данным М.Л. Пидгайко, их сырая масса в нагонных скоплениях выражается даже сотнями килограммов на 1 м3 [4]. В белорусских водоемах такой высокий уровень биомассы водорослей не отмечался.
В естественных водоемах и водотоках в условиях нашего нестабильного климата сроки наступления массового развития водорослей слабо предсказуемы. Например, в оз. Риславском Гомельской обл. после аварии на Чернобыльской АЭС мощное развитие макропредставителя синезеленых водорослей Aphanothece stagnina (Sprengel) А. Braun (уровень биомассы на отдельных участках дна озера достигал 50 кг/м2, а средневзвешенное ее значение составляло 10 кг/м2 в расчете на сырое вещество [5, 6]) продолжалось 3 года, а затем совершенно прекратилось по невыясненной причине. Как правило, «цветение» в наших водоемах происходит в июле - августе, но в теплые годы отмечается и в сентябре -октябре (рис. 1).
Среди водорослей - возбудителей «цветения» воды имеются виды, продуцирующие токсические вещества, потенциально опасные для животных и человека. Требуются специальные исследования для их выявления. Частично такая работа уже проводилась нами на разных хозяйственно важных объектах
http://innosfera.by
ТЕМА НОМЕРА
республики [7-9]. Анализ фитопланктона с помощью световой микроскопии по казал, что во многих водоемах наблюдалось массовое развитие цианобак-терий родов Aphanocapsa, Anabaena
и Microcystis. С помощью сочетания мо-лекулярно-биологических и аналитических методов в исследовании токсичных «цветений» и использования генетических маркеров выполнен поиск генов синтеза гепатотоксично-го микроцистина, нодулярина и ци-линдроспермозина, нейротоксич-ного сакситоксина. Обнаружено 8 типов микроцистинов и широкий спектр биологически активных веществ. В 7 водоемах найдены также гены синтеза сакситоксина и близкие ему варианты паралитических токсинов. Цианобактериальные «цветения» во многих водоемах Беларуси наблюдаются ежегодно (рис. 2). Массовое развитие цианобактерий (даже вне связи с их токсичностью) снижает качество воды, придавая ей неприятный вкус и запах, что усложняет проблему выбора источников питьевой воды, рекреационных озер и требует эффективного их экологического мониторинга.
Прежде чем изымать микроводоросли из естественных водоемов и пускать их в производство, необходимо разработать собственную технику добычи, консервации и утилизации или купить ее у другой страны.
Наиболее приемлемым на данный момент может быть использование собранных планктонных микроводорослей в качестве удобрений, а также монокультур зеленых водорослей - для очистки сточных вод. При организации исследований и создании соответствующих промышленных технологий в республике они могут проявить себя как перспективные продуценты в различных отраслях народного хозяйства и медицины. Так, интересным является изучение золотистой водоросли Сarteria sp. в водоемах, принимающих стоки Солигорского калийного комбината. Большое развитие в летнее время кроме обычных возбудителей «цветения» - представителей родов Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena получают такие синезеленые, как Gloeotrichia echinulata (J. Smith et Sowerby) Richter (даже в чистом оз. Нарочь), Planktothrix (Oscillatoria) agardhii (Gomont) Anagnostidis et Komarek (в Вилейском водохранилище), Cylindrospermopsis (=Anabaenopsis) raciborskii (Wolosz.) Seenayya et Subba Raju (в оз. Белом - водоеме-охладителе Березовской ГРЭС). Но перспективное направление исследований требует значительных капиталовложений. СИ
http://innosfera.by/2018/02/seaweed
ЛИТЕРАТУРА
1. Калантыренко И.И.,Сухоруков П.А. Исследование процессов осаждения и фильтрации цветущих водорослей на песчаных грунтах.- Киев, 1968. С. 326-332.
2. Сиренко Л.А., Кульский Л.А., Шкавро З.Н и др. Технология сбора и концентрирования фитопланктона (сестона) евтрофных водоемов // Гидробиологический журнал. 1986, Т. 22. №5. С. 92-96.
3. Сиренко Л.А., Козицкая В.Н. Биологически активные вещества водорослей и качество воды.- Киев, 1988.
4. Брагинский Л.П., Береза В.Д., Величко И.М. и др. «Пятна цветения», нагонные массы, выбросы синезеленых водорослей и происходящие в них биологические процессы.- Киев, 1968. С. 92-149.
5. Остапеня А.П., Жукова Т.В., Никитина Л.В., Макаревич Т.А. Массовое развитие цианобактерии Aphanothecestagnina в озере, загрязненном радионуклидами // Озерные экосистемы: биол. процессы, антропогенная трансформация, качество воды: Материалы Междунар. науч. конф.- Минск, 2000. С. 313-318.
6. Ostapenia A.P., Zu kova T.V., Nikitna L.V., Ma ka revich Т.А. Phenomen of mass development of blue-green algae Aphanothece stagnina In a radiation contaminaed lake // Proc. Annual Meeting of the American Society of Limnology and Oceanography, ASLO.- Copenhagen, 2000.
7. Михеева Т.М., Белых О.И., Сороковикова Е.Г., Гладких А.С. и др. Цветение воды в городских экосистемах реки Свислочь (Беларусь) и выявление потенциально токсичных цианобактерий / Сахаровские чтения 2011 г.: экологические проблемы XXI в.: материалы 11-й междунар. науч. конф.- Минск, 2011. С. 175-176.
8. Михеева Т.М., Белых О.И., Сороковикова Е.Г. и др. Цианобактерии и цианотоксины в планктоне зарегулированных водохранилищ и на городском отрезке реки Свислочь (Беларусь) // ISEU.Экологический вестник. 2011, №4 (18). С. 30-37.
9. Mikheyeva T.M., Belykh O.I., Sorokovikova E.G. et al. Detection of microcystin producing cyanobacteria in the Svisloch River, Belarus // Baltic Coastal Zone. Journal of Ecology and Protection of the Coastline, 2012. V.16. P. 131-146.
10. Мельников С.С., Мананкина Е.Е. Хлорелла: Физиологически активные вещества и их использование.- Минск, 1991.
11. Мельников С.С. Спирулина: Справочное пособие в вопросах и ответах.- Минск, 2005.
12. Шалыго Н.В., Мельников С С. Хозяйственно полезные виды водорослей // Наука и инновации. 2009, №3 (73). С. 34-36.
13. Мельников С.С., Мананкина Е.Е., Будакова Е.А., Шалыго Н.В. Каталог генетического фонда хозяйственно полезных видов водорослей.- Минск, 2011.
http://innosfera.by
| №2 (180) | Февраль 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ
19
