ВведениеВ настоящее время применение микроводорослей (далее – МВ) в различных отраслях биотехнологии и промышленности становится наиболее перспективным в связи с их интенсивным ростом и рентабельностью культивирования некоторых штаммов. Например, Tetradesmus obliquus, Chlorella vulgaris, Dictyococcus varians и Pseudococcomyxa simplex используются для решения задач во многих отраслях промышленности: энергетика (производство биодизеля), сельское хозяйство, фармацевтика, производство пищевых продуктов и др. [1–3]. В экологической биотехнологии чаще всего культуры микроводорослей применяют для очистки сточных вод [4, 5] или в составе консорциума для рекультивации нефтезагрязненной почвы [6].Сточная вода, как и природная, является нестабильной и сложной системой, в составе которой содержатся минеральные и органические вещества, биогенные элементы, различные газы [7]. Концентрация перечисленных веществ в некоторых случаях превышает предельно допустимые концентрации (далее – ПДК) в естественных условиях [8]. Сточные воды (далее – СВ) лесопромышленного предприятия цеха биологической очистки сточных вод (ЦБОСВ) ОАО «Сыктывкарский ЛПК», включающие как промышленные (210 тыс. м3/сут), так и коммунально-бытовые (81 тыс. м3/сут) стоки, весьма неоднородны по химическому составу и разнообразны по времени [9]. Сброс недостаточно очищенной сточной воды приводит к загрязнению водных ресурсов и угнетению экосистемы водоема.Доочистка сточных вод с применением микроводорослей снижает содержание поллютантов в сбрасываемой воде в открытые гидрологические системы [10]. Кроме того, при очистке сточной воды от загрязнителей происходит стремительный рост биомассы микроводорослей с образованием ценных вторичных метаболитов – аминокислот.  Свободные аминокислоты участвуют в постройке молекул белка, синтезе метаболитов, осуществляют транспорт азота и его ассимиляцию, выполняют антиоксидантную функцию, снижают токсичность ионов тяжелых металлов на организмы [11].Культивирование МВ на сточной воде лесопромышленного комплекса могло бы быть решением многих задач: доочистка сточной воды от основных загрязнителей, накопление биомассы МВ с образованием аминокислот для использования в различных отраслях промышленности [12].Цель работы – исследование возможности получения на сточной воде лесопромышленного комплекса ОАО «Сыктывкарский ЛПК» биомассы микроводорослей с высоким содержанием аминокислот с одновременной очисткой сточной воды от основных загрязняющих веществ. Материалы и методыДля проведения исследования по одновременной очистке сточной воды и накоплению аминокислот микроводорослями были подобраны следующие штаммы:– Vischeria magna (J. B. Petersen) Kryvenda, Rybalka, Wolf & Friedl – водоросль из отдела Ohrophyta (Eustigmatos magnus (J. B. Petersen) D. J. Hibberd (SYKOA E-001-09)). Клетки одиночные, коккоидные, от 14 до 34 мкм в диаметре. Вид встречается в водной и почвенной средах [13]. Водоросль легко культивируется, толерантна к воздействию тяжелых металлов и устойчива к высоким температурам. Верхний предел устойчивости зафиксирован при температуре воды около +66 оC [14].– Coelastrum proboscideum Bohlin – зеленая микроводоросль из отдела Chlorophyta (IPPAS С-2055). Образует ценобии из 4–64 клеток, но встречаются одно- и двуклеточные формы. Клетки от 5 до 30 мкм в диаметре [15]. Вид широко распространен в пресных водоемах с различным уровнем загрязнения поллютантами [16]. Характеристика СВ приведена в табл. 2. Накопление маточных культур МВ (V. magna, C. proboscideum) проводили в 250 см3 колбах на питательной среде Тамия в течение 14 сут, раздельно. Далее культуры объединяли. Титр клеток консорциума составлял 4,5×108 кл/см3. Для эксперимента в емкости на 3 дм3 помещали сточную воду (по схеме: стерильную (далее – ССВ) и нестерильную (далее – НСВ) СВ по 1,5 дм3 и инокулировали консорциумом МВ в количестве 1 % от общего объема. Стерильную воду получали путем автоклавирования в стерилизаторе паровом Tuttnauer 2540 ML. Режим – освещение фитолампой OSRAM L 18W/77 Fluora, световой поток 550 lumen, аэрация компрессором Tetratec APS 400, температура – комнатная (+22–23 °С). Контролем служила СВ, отобранная из вторичных отстойников без внесения инокулята (табл. 1). Продолжительность эксперимента – 24 ч., в трех повторностях.Химический анализ образцов проводили: рН – потенциометрическим методом [17]; содержание аммиака, аммоний-иона – фотометрическим методом [18], массовую концентрацию элементов – атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой [19], содержание аминокислот – методом жидкостной хроматографии на ионообменных смолах [20].Результаты и их обсуждениеВ системе ЦБОСВ ОАО «Сыктывкарский ЛПК» на последней стадии очистки (вторичных отстойниках) в качестве доочистки можно использовать микроводоросли. Однако состав воды вторичных отстойников предполагает наличие и сторонних микроорганизмов, которые могут либо негативно сказаться на процессе очистки, либо, напротив, в синергетических отношениях с микроводорослями образовывать ассоциации и повышать эффективность доочистки. Для модельного эксперимента был выбран ранее исследованный консорциум МВ (V. magna, C. proboscideum) [21], инокулированный в стерильную и нестерильную сточную воду (табл. 2).Введение в стерильную и нестерильную сточную воду консорциума микроводорослей приводило к снижению содержания кадмия, бария, алюминия, аммонийного и нитритного азота по сравнению с контрольным вариантом (табл. 2). Азот является важнейшим и лимитирующим элементом в питании фотосинтезирующих микроорганизмов для быстрого роста и накопления первичных и вторичных метаболитов. По распространенности в клетках микроводорослей азот занимает второе место после углерода, так как входит в состав большого количества внутриклеточных компартментов и соединений – пептидов, белков, аминокислот, ферментов [22, 23]. Одним из источников азота в сточных водах и естественных гидросистемах является аммоний. По данным литературы [24], аммоний считается предпочтительнее при культивировании микроводорослей, так как отсутствует необходимость в окислительно-восстановительной реакции. Аммоний в большинстве случаев поступает в природные и искусственные гидросистемы с хозяйственно-бытовыми стоками, отходами производства животноводческих комплексов, сельскохозяйственных предприятий. Эффективность потребления консорциумом МВ в НСВ и ССВ аммоний-ионов составила 65,5 и 72,8 % и нитрит-ионов – 65,9 и 68,0 % соответственно (см. табл. 2). В конце эксперимента содержание NO2– в НСВ и ССВ было ниже уровня ПДК, содержание NH4+ в ССВ не превышало ПДК.Биосорбция клетками микроводорослей ионов тяжелых металлов происходит в два этапа – адсорбция ионов на поверхности клеток микроводорослей с последующим проникновением и накоплением ионов тяжелых металлов в цитоплазме клетки. Накопление ионов металлов в клетках живых организмов является необходимым, вследствие метаболических реакций, роста и развития культуры клеток [25]. В СВ содержание алюминия превышало ПДК. Аккумуляция ионов Al консорциумом МВ приводила к снижению его содержания до уровня ПДК (см. табл. 2).Микроводоросли синтезируют незаменимые и заменимые аминокислоты [26], которые могут быть использованы не только в качестве пролонгированного удобрения, но и очищены и переработаны для питания животных [27]. В табл. 3 приведен сравнительный анализ аминокислотного состава микроводорослей, консорциумов МВ, культивированных на сточной воде ЦБОСВ ОАО «Сыктывкарский ЛПК» и сточной воде производства свиного мяса в Бразилии [28]. Во всех вариантах было идентифицировано 18 аминокислот, из которых 11 являются незаменимыми. В составе белка биомассы преобладали глутаминовая, аланиновая и лейциновая кислоты, ответственные за метаболизм азотсодержащих биохимических веществ. Состав аминокислот меняется не только в зависимости от штамма МВ [29], но и типа сточной воды. Michelon и др. [28] показали, что концентрации аминокислот, обнаруженных в биомассе Spirulina maxima, были сравнительно выше, чем в Phormidium sp.  и в консорциуме (Chlorella sp. и Scenedesmus sp.) при культивировании в одних и тех же разбавленных сточных водах свиноводческого комплекса (табл. 3). Накопление аминокислот в биомассе консорциума МВ происходило при культивировании на ССВ и НСВ, при этом на стерильной воде содержание аминокислот было больше в 1,8 раза (табл. 3). Так как культивированные на богатых питательными веществами сточных водах МВ улавливают их избыток, биомассу можно использовать в качестве биоудобрений пролонгированного действия, из которых элементы питания поступают в почву в соответствии со скоростью усвоения их растениями на протяжении всего периода вегетации. В этом контексте микроводоросли представляют собой платформу для потенциальной разработки продуктов для улучшения качества почвы, производства и защиты сельскохозяйственных культур, таких как биоудобрения, органические удобрения, биостимуляторы, средства биоконтроля и кондиционеры почвы [30]. Так, серосодержащие аминокислоты, метионин и цистеин являются важными компонентами растворимых в почве органических S и N [31, 32]. В работе Rosa la et al. [33] сообщается о влиянии аминокислот метионина и аргинина на повышенную активность азотфиксирующих и фосформинерализующих бактерий в ризосфере Agave lechuguil­la. Высокое накопление аргинина отмечено в биомассе консорциума МВ на ССВ (табл. 3). Концентрация метионина была нулевой в ССВ+МВ и низкой – в НСВ+МВ.Стандартный белковый рацион, используемый в свиноводстве, требует добавления незаменимых аминокислот, таких как лизин, треонин, метионин и триптофан [34], в птицеводстве – глицин, треонин, пролин, а также играют физиологическую и регулирующую роли, помимо синтеза белка, в росте цыплят и яйценоскости значимое место занимает заменимая кислота – глютамин [35, 36]. Дефицит аминокислот может ухудшить рост животных, иммунитет, повышать восприимчивость к инфекционным заболеваниям, а также способствовать возникновению других проблем с пищеварением и репродукцией [37]. Концентрация перечисленных аминокислот, обнаруженных в биомассе микроводорослей, культивированных как на СВ лесопромышленного предприятия, так и СВ свиноводческого комплекса в пределах 0,1–12,3 % (табл. 3), превышает минимальные требования к содержанию аминокислот. Таким образом, МВ, полученные при фикоремедиации сточных вод, могут быть переработаны в качестве источника биоудобрений и пищевых добавок для животных (экономика замкнутого цикла).ЗаключениеТехнология получения аминокислот из водорослей, ранее использованных для очистки богатых питательными веществами сточных вод, позволит одновременно иметь  доступ к получению вторичного сырья для крупномасштабного производства биодобавок на основе микроводорослей, применяемых в агропромышленном секторе, и уменьшить воздействие промышленных стоков на окружающую среду.Установлено, что сточная вода вторичных отстойников ЦБОСВ лесопромышленного предприятия ОАО «Сыктывкарский ЛПК» может быть использована как питательная среда для культивирования микроводорослей с целью получения биомассы с высоким содержанием аминокислот. Внесение в сточную воду микроводорослей приводит к снижению основных загрязняющих веществ, содержание которых не превышает ПДК.Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.