CC BY
19
УДК 579.6 Я.В. Саванина
ГРНТИ 34.27.39 Московский государственный университет
DOI: m.47501ЛTNOU.202L2.25-30 имени М.В. Ломоносова
ЦИАНОБАКТЕРИИ В ДЕТОКСИКАЦИИ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОТ РЯДА ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ
В статье рассмотрены свойства диффузионных культур цианобактерий, позволяющих использовать их в очистке и ремедиации природных вод с последующей утилизацией органического материал. Ключевые слова: цианобактерии, бактерии, иммобилизованные культуры, водная токсикология, биологическая очистка, металлы, микропластик.
Savanina Y.
M.V.Lomonosov Moscow State University
CYANOBACTERIA IN AQUEOUS MEDIUM DETOXIFICATION FROM A NUMBER OF POLLUTANTS
The properties of diffusion cultures of cyanobacteria are considered, allowing them to be used in the purification and remediation of natural waters with the subsequent utilization of organic material.
Keywords: cyanobacteria, bacteria, immobilized cultures, aquatic toxicology, biological treatment, metals, micro-layers.
Введение
При постоянно возрастающем уровне антропогенного воздействия на водную среду процессы самовосстановления и самоочищения уже не справляются с потоком загрязняющих веществ. По объему поступления и по потенциальной биологической и экологической опасности к основным загрязнителям водных экосистемы относятся тяжелые металлы (ТМ) (I), углеводороды (II), включая полициклические ароматические углеводороды, и хлорорганическими соединения (растворители, пестициды). В качестве основных источников загрязнения природных вод обычно называют предприятия металлургической и горнодобывающей промышленности, тепловые электростанции, предприятия по переработке нефти. В последнее время к ним приближаются строительство, транспорт и бытовые загрязнения -эвтрофикационное и пластиковое(Ш).
В природных средах загрязняющие вещества претерпевают различные превращения, в результате которых они могут накапливаться, переходить из одной среды в другую, трансформироваться, распадаться, минерализоваться в абиотических и биотических процессах, полимеризоваться с образованием связанных остатков.
Устоявшегося термина для технологий контроля и использования всех этих превращений для удаления, обезвреживание загрязнений и восстановления свойств природных сред в настоящее время нет. Для почв используют понятие «ремедиация», для воздуха - кондиционирование. Биологическая ремедиация водоёмов основана, в том числе, на деятельности различных микроорганизмов и включает не только очистку сточных вод -ограничение поступления загрязнителей, но и последующее «оздоровление» - доочистку и минимизацию последствий токсического воздействия [1, 2].
Цель работы
Проанализировать особенности диффузионной культуры цианобактерий с точки зрения их использования для биологической очистки природных вод от основных групп загрязнителей.
Материалы и методы
Использовали культуры нитчатых цианобактерий Nostoc sp.^ Anabaena sp. из коллекции кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ и культуру бактерий Pseudomonas, выделенных из промышленного водоема (I). Рассматривались также бактериальные ассоциации, выделенные из почвы с бензоколонки (II) и аквариумного грунта [3].
Эксперименты проводили на минеральной среде «С» в периодическом суспензионном и периодическом диффузионном (далее в тексте «периодическом» и «диализном» соответственно) режимах культивирования цианобактерий. В ассоциативной (смешанно-раздельной) культуре автотрофный компонент помещали внутрь диализного мешка, а гетеротрофные бактерии - во внешнем объеме. Использовали мешки фирмы Serva (Германия), диаметром 25 мм и с размерами пор, пропускающих соединения с молекулярной массой до 15 кДа;а а также пищевую целлофановую прозрачную оболочку диаметром 25 мм.
Уровень детоксикации среды оценивался по остаточному содержанию действующего вещества в среде [3], а также с использованием диализной тест-культуры Synechococcus 6301 [4]. Для оценки удаления частиц микропластика в среду добавляли аптечный препарат на гелевой основе; статочное содержание частиц определялось при микроскопировании.
Результаты и обсуждение
Биологические методы очистки применимы, если содержание загрязнителя в среде ниже порога биотоксичности. При этом может использоваться как автохтонный фитопланктон, так и устойчивые к воздействию токсикантов лабораторные культуры, аксеничные или смешанные [1, 3]. Клетки водорослей способны аккумулировать из воды различные химические элементы, причем с достаточно высокими коэффициентами накопления. Основное место в фитопланктонных сообществах водоемов, в которые поступают сточные воды различных типов, занимают зеленые эвгленовые и диатомовые водоросли, а в промышленных отстойниках - цианобактерии (сине-зелёные водоросли) [3].
I. В природных сообществах обнаружена статистически значимая зависимость распределения Fe, Cd, Zn от общей биомассы фитопланктона и доминирующей группы видов Cyanophyta. Природные сообщества, преобладающим компонентом которых являются цианобактерии, удаляют из водной среды до 98% растворенных металлов и металлоидов - Cd, Zn, Cr, Mn. Количество цианобактерий как правило возрастает в условиях замедленного стока и повышенного содержания биогенных элементов [3, 5].
К группе тяжелых металлов (ТМ) относятся металлы плотностью более 5 г/см3 (с массой более 56 у.е.). Их объединяет ряд свойств, проявляющихся по отношению к живым организмам, таких как пути поступления в организм, токсичность, кумулятивные свойства, период полувыведения и накопление в пищевой цепи. Перечисленные свойства в значительной степени зависят от их концентрации и «подвижности». Легко вступают в реакции и оказывают наибольший токсический эффект ионы ТМ в высокой степени окисления
Микробиологические процессы удаления металлов из растворов можно подразделить на три группы: адсорбция металлов на поверхности клеток, поглощение металлов клетками, их химическое превращение. Основная часть связанных ТМ
переходит в донные осадки в виде карбонатов, сульфидов и органических соединений [1].
В культуре цианобактерий поверхностное связывание ионов ТМ осуществляется в течение первых часов инкубации и обусловлено электростатическим взаимодействием с отрицательно заряженными группами клеточных оболочек, включая клеточные стенки и поверхностные структуры (слизистые слои, капсулы и чехлы) и диффузный слой полисахаридов вблизи клеток [2, 3]. Степень диссоциации ионогенных групп на поверхности клеток зависит от рН среды. Внутриклеточное связывание ионов ТМ обусловлено их взаимодействием с компонентами, которые характеризуются низким молекулярным весом и высоким содержанием SH-групп [3, 6]. Степень окисления и подвижность ионов ТМ снижается при повышении рН и снижении величины окислительно-восстановительного потенциала (Б^) среды, подобный эффект наблюдается при увеличении содержания тиоловых соединений. Сточные воды как правило включают разнообразные токсичные соединения. Для повышения эффективности их очистки все чаще используют микробные ассоциации. Видовое разнообразие ассоциативной системы обеспечивает её ферментное разнообразие и способствует детоксикации стоков от сопутствующих загрязнителей [7].
Таким образом, детоксикация среды от ТМ возрастает при:
1) увеличении количества клеток цианобактерий;
2) повышенной концентрации внеклеточных углеводов;
3) повышенном синтезе тиоловых соединений;
4) включении цианобактерий в микробные ассоциации
Диффузионная (диализная) культура представляет собой одну из разновидностей культуры иммобилизованных клеток. Иммобилизованная культура (в гранулах геля, на синтетическом волокне) характеризуется сниженной скоростью роста и фотосинтеза при сохранении высокой скорости метаболизма [3, 8]. При данном типе культивирования клетки микроорганизмов находятся в мешке из диализной мембраны, погруженном в 10 (и более)-кратный объем «внешней среды». Благодаря этому обеспечивается непрерывное поступление питательных веществ и отток метаболитов, ингибирующих клеточное деление. Внутри малого объема концентрируется плотная суспензия физиологически «молодых» клеток. В пересчете на общий объем к достижению стационарной фазы биомасса диализной культуры в 2,5 -3 раза выше, чем в периодической (в объёме мешка концентрация суспензии цианобактерий выше в десятки раз); а содержание хлорофилла превышает таковое в периодической культуре в 6 раз. Свободному прохождению молекул токсикантов (как и других веществ с молекулярной массой до 8-10 kDa ) диализная мембрана не препятствует [3, 6]. В диализном мешке накапливаются преимущественно высокомолекулярные соединения (главным образом углеводы), а низкомолекулярные диффундируют во внешний объем. В результате диффузионная культура представляет собой вязкую суспензию: концентрация углеводов в диализном мешке 6 раз выше, чем снаружи (и в 3 раза - чем в периодической культуре). Как и полисахариды клеточной оболочки, диффузионный слой экзополисахаридов выполняет барьерную функцию между организмом и окружающей средой, в частности, связывая химически активные или
трудноразлагаемые вещества и поддерживая низкий (благоприятный) уровень Eh среды [3].
Природные и культивируемые популяции цианобактерий по природе гетерогенны и часто включают в себя гетеротрофный компонент (бактерии, грибы, актиномицеты).
Отсутствие строгой приуроченности бактерий к цианобактериальному партнеру дает возможность создавать в экспериментальных условиях сообщества микроорганизмов, не встречающиеся в природе (например лабораторные штаммы цианобактерий и аборигенные бактерии из придонных отложений промышленных водоемов). Использование диализных систем облегчает как выделение устойчивых штаммов из природных субстратов, так и подбор компонентов для смешанных культур. При смешанно-раздельном культивировании цианобактерии выделяют органические субстраты, которые поддерживают рост бактерий и способствуют накоплению ионов и взвесей металлов в ближайшем окружении клеток; бактерии в свою очередь обеспечивают окисление, восстановление и осаждение связанных ионов ТМ. При разделении двух групп микроорганизмов полупроницаемой мембраной их взаимодействие осуществляется на уровне продуктов метаболизма, а ингибирующий эффект, связанный с межклеточными контактами отсутствует. В природных ассоциациях суммарный гетеротрофный компонент, обеспечивающий ферментное разнообразие, составляет 0,1-1%, при диализном культивировании доля бактерий -до 10-20% [3].
II. Для интенсификации очистки сточных вод и почвенных растворов от нефтепродуктов используются в том числе и иммобилизованные монокультуры или ассоциации углеводородокисляющих микроорганизмов, способных усваивать различные углеводороды нефти в качестве единственного источника углерода. В ассоциациях микроорганизмы-деструкторы отличаются по спектру потребляемых субстратов. Наиболее перспективны методы, основанные на применении иммобилизованных бактериальных клеток. Данный подход совмещает в себе сорбцию и концентрирование загрязняющего вещества на твердофазной подложке вблизи иммобилизованных клеток, что делает его более доступным для последующего окисления бактериальными клетками [8].
Внесение лабораторных культур родококков не всегда способствует повышению эффективности очистки загрязненной воды. В то же время, использование иммобилизованного на различных носителях консорциума из водорослей и бактерий, в том числе Rhodococcus sp. Ac-1267, способствует эффективному удалению нефти (96%), фенола (85%) анионных поверхностно-активных веществ (72%), а также тяжелых металлов (62-90%) при очистке пруда, загрязненного промышленными стоками [9]. Детоксикация почвенного раствора (нефтепродукты, ТМ) смешанно-раздельной культурой, содержащей ассоциацию бактерий, выделенную из загрязнённой почвы и цианобактерии оценивается в 80-92%.
III. Пластиковое загрязнение представлено множеством форм, одной из которых является «микропластик». В настоящее время этот термин означает частицы синтетических полимеров или сополимеров (пластика), размером от нм до 5 мм, включая и те, которые используются при производстве лечебных, гигиенических и косметических средств (загустители, регуляторы вязкости и т.п.). Эти частицы состоят из твердых материалов, нерастворимы в воде и являются стойкими загрязнителями, т.к. разлагаются в течение длительного времени [10].. Характер наносимых ими повреждений не установлен; соответственно, не регламентирован и уровень загрязнения (ПДК). Показано, что в водной среде частицы микропластика легко колонизируются бактериями и захватывают различные виды загрязнителей. Эти частицы накапливаются главным образом в поверхностном слое воды, частично обнаруживаются и в донном осадке.
Установки по очищению сточных вод проходят до 10-30% частиц, которые при этом смешиваются с различными химическими загрязнителями и микробами. Для повышения эффективности очистки от взвешенных в водной среде мелких частиц пластика может быть использована биофлокуляция - связывание биополимерами (крахмал, полиальгинаты, лигносульфоновые и гуминовые кислоты, хитозан), а также биомассой клеток микроорганизмов или продуктами их метаболизма) [7, 10].
Применяемый для иммобилизации клеток материал не должен разрушаться, чтобы клетки микроорганизмов не загрязняли водоём, но должен разлагаться при утилизации отработанного материала. Диализный мешок с цианобактериями в экспериментах разрывался под собственным весом при попытке извлечь его (более 3-7 дней очистки) или на границе водной и воздушной среды (2 недели, при фиксации мешка на стеклянной трубке для отбора проб). Таким образом, мешок с цианобактериями должен находиться на подложке, полностью погруженным в воду. В качестве подложки можно. использовать коррозионно-стойкий (полистиров, пеностекло, алюминий) материал, как в обычных дисковых фильтрах. Для создания максимальной поверхности в экспериментах диализный мешок укладывался петлями.
Цианобактерии - автотрофы, устойчмвые к эвтрофикационным загрязнениям. Источниками энергии для очистки служат фотосинтез, а также окисление органических веществ, как вырабатываемых «на месте», так и привнесённых, Для очистки достаточно естественного освещения (с учётом повышенного содержания хлорофилла в клетках диализной культуры), возможна и досветка. В экспериментах исследуемый раствор, содержащий частицы геля (0,5 мм и ниже) очищался за 15-60 мин на ~90%: фиксировались только отдельные частицы, основная масса их оседала на поверхности диализного мешка. При использовании фрагментов повреждённого мешка наблюдается аналогичный эффект - частицы микропластика и цианобактерии связываются высокомолекулярными полисахаридами и оседают на дно.
Осадок, содержащий флокулы и/или избыточную биомассу может использоваться для производства грунтов и удобрений. В данном случае речь идет не о сельском хозяйстве, а о городском озеленении или рекультивации свалок и карьеров: данных о том, что частицы микропластика оказывают отрицательное влияние на высшие растения нет; а при очистке стоков сложного состава большая часть токсикантов обезвреживается [10].
Заключение
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: Проанализировано взаимодействие нитчатых цианобактерий, иммобилизованных в полупроницаемой плёнке с наиболее распространёнными в городской среде токсикантами - тяжёлыми металлами, нефтепродуктами и микропластиком. Показано, что как в чистой, так и в смешанно-раздельной культуре очистка водной среды осуществляется достаточно эффективно, а переработанные органические материалы также могут быть использованы в производстве гумуса.
Литература
1. Янин Е.П. Ремедиация территорий, загрязненных химическими элементами: общие подходы, правовые аспекты, основные способы (зарубежный опыт). Проблемы окружающей среды и природные ресурсы: обзорная информация/ ВИНИТИ РАН. 2014. № 3. С. 3-105.
2. Остроумов С.А. Преобразование и детоксикация организмами среды обитания // Современные тенденции развития биогеохимии. Москва, ГЕОХИ РАН, 2016. С.
3. Лебедева А.Ф., Саванина Я.В., Барский Е.Л. Диализное культивирование ци-анобактерий. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. 2008. № 2. С. 16-25.
4. Саванина Я.В., Барский Е.Л., Фомина И.А., Лобакова Е.С. Диализная культура цианобактерий в биомониторинге качества водной среды. Материалы XXV Между-народн. конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии». М.: ООО «Новые информационные технологии». 2016. С.
5. Снитько Л.В., Рогозин А.Г., Гаврилкина С.В. Накопление тяжелых металлов фитопланктоном в озере Большое Миассово (Южный Урал). Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т 16, № 1. С. 218-222.
6. Лебедева А.Ф., Саванина Я.В., Барский Е.Л. Изменения редокс-потенциала и содержания углеводов в среде при периодическом и диализном культивировании циа-нобактерии Anacystis nidulans и бактерии Pseudomonas diminuta. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. 2002. № 2. С. 24-29.
7. Остроумов С.А. Качество и кондиционирование воды в природных экосистемах: разработка теории биологических механизмов самоочищения воды // Экологическая химия 2017. Т .26 (4). С. 175-182.
8. Васильева С.Г.,. Лобакова Е.С.,. Лукьянов А.А. 2016. Применение иммобилизованных водорослей в биотехнологии // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. М.: Изд-во Моск. ун-та. № 3. С. 65-72.
9. Адаптация коиммобилизованных родококков к нефтяным углеводородам в колоночном биореакторе / М.К. Серебренникова и др. // Прикладная биохимия и микробиология. 2014. Т. 50, № 3. С. 295-303.
10. Саванина Я.В., Барский Е.Л., Фомина И.А., Лобакова Е.С. 2019. Загрязнение водной среды микропластиком: воздействие на биологические объекты, очист-
283-293.
249-261.
ка//ИТНОУ. № 2. С. 54-58.
Сведения об авторе
Янина Вячеславовна Саванина
кандидат биолог. Наук, Биологический факультет Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Москва, Россия
Эл. почта: v.savanin@gmail.com
PhD, School of Biology M.V.LomonosovMoscow State University Moscow, Russian Federation E-mail: v.savanin@gmail.com
Information about author
Yanina Savanina
