Россия
Россия
УДК 16 Логика. Теория познания. Методология и логика науки
Исследована возможность устойчивого производства биомассы консорциума микроводорослей (Vischeria magna, Coelastrum proboscideum) с высоким содержанием аминокислот на сточной воде лесопромышленного комплекса ОАО «Сыктывкарский ЛПК» с одновременной очисткой сточной воды от основных загрязняющих веществ. Внесение консорциума микроводорослей приводит к снижению содержания кадмия, бария, алюминия, аммонийного и нитритного азота по сравнению с контрольным вариантом. Концентрация накопленных микроводорослями аминокислот в стерильной сточной воде составила 84,98 %, в нестерильной – 46,39 %.
аминокислоты, микроводоросли, стерильная и нестерильная сточная вода, культивирование
Введение
В 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 методы
Для 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 обсуждение
В 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).
Заключение
Технология 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.
1. A multidisciplinary review of Tetradesmus obliquus: a microalgae suitable for large-scale biomass production and emerging environmental applications / C. Y. B. Oliveira, C. D. L. Oliveira, R. Prasad [et al.] // Reviews in Aquaculture. – 2021. – Vol. 13. – P. 1594–1618. – DOI:https://doi.org/10.1111/raq.12536
2. Ahmad, F. The potential of Chlorella vulgaris for wastewater treatment and biodiesel production / F. Ahmad, A. U. Khan, A. Yaşar // Pakistan Journal of Botany. – 2013. – Vol. 45. – P. 461–465.
3. Бажукова, Н. В. Использование микроводорослей Eustigmatos magnus, Dictyococcus varians и Pseudococcomyxa simplex как объектов перспективных для биотехнологии / Н. В. Бажукова, И. В. Новаковская, Н. В. Матистов // Биотехнология. Взгляд в будущее : тезисы II-й Международной виртуальной интернет-конференции : Казань. – 2013. – С. 11–13. –http://www.paxgrid.ru/conference/index.php?c=biotech2013&lang=rus
4. Reuse of effluent water from municipal wastewater treatment plant in microalgae cultivation for biofuel production / S. Cho, T. T. Luong, D. Lee [et al.] // Bioresource Technology. – 2011. – Vol. 102. – P. 8639–8645. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.03.037
5. Choi, H.-J. Parametric study of brewery wastewater effluent treatment using Chlorella vulgaris microalgae / H.-J. Choi // Environmental Engineering Research. – 2016. – Vol. 21, is. 4. – P. 401–408. – DOI:https://doi.org/10.4491/eer.2016.024
6. Щемелинина, Т. Н. Комплексная биотехнология очистки нефтезагрязнённой почвы / Т. Н. Щемелинина, Е. М. Анчугова // Поволжский экологический журнал. – 2023. – № 2. – С. 246–256. – DOI:https://doi.org/10.35885/1684-7318-2023-2-246-256
7. Орлова, Т. Н. Химия природных и промышленных вод : учебное пособие / Т. Н. Орлова, Д. А. Базлов, В. Ю. Орлов. – Ярославль : ЯрГУ, 2013. – 120 с.
8. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания : постановление от 28 января 2021 года № 2 Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21. – 2021. – 636 с.
9. Гогонин, А. В. Консорциум микроводорослей для очистки сточных вод лесопромышленного комплекса : автореф. ... канд. биол. наук / А. В. Гогонин. – Оболенск, 2023. – 24 с.
10. Гогонин, А. В. Оценка использования сточной воды в качестве питательной среды для накопления биомассы микроводорослей / А. В. Гогонин, Т. Н. Щемелинина, Е. М. Анчугова // Теоретическая и прикладная экология. – 2022. – № 2. – С. 68–74. – DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2022-2-109-115
11. Rai, V. K. Role of amino acids in plant responses to stresses / V. K. Rai // Biologia Plantarum. – 2002. – Vol. 45, iss. 4. – P. 481–487. – DOI:https://doi.org/10.1023/A:1022308229759
12. Composting parameters and compost quality: a literature review / K. Azim, B. Soudi, S. Boukhari [et al.] // Organic Agriculture. – 2018. – Vol. 8. – P. 141–158. – DOI:https://doi.org/10.1007/s13165-017-0180-z
13. Давыдов, Д. А. Водоросли и цианопрокариоты на участках самозарастания золошлакоотвалов ТЭЦ города Апатиты (Мурманская область) / Д. А. Давыдов, В. В. Редькина // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. – 2021. – С. 51–68. – DOI:https://doi.org/10.17076/bg1270
14. Сафиуллина, Л. М. Толерантность почвенных водорослей Eustigmatos magnus (B.Petersen) Hibberd (Eustigmatophyta) и Hantzschia amphioxys (Ehrenberg) Grunow in Cleve et Grunow (Bacillariophyta) к воздействию тяжелых металлов / Л. М. Сафиуллина, А. И. Фазлутдинова, Г. Р. Бакиева // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2009. – С. 42–44.
15. Царенко, П. М. Краткий определитель хлорококковых водорослей Украинской ССР : учебное пособие / П. М. Царенко. – Киев : Изд-во «Наукова Думка», 1990. – 208 с.
16. Топачевский, А. В. Пресноводные водоросли Украинской ССР : учебное пособие / А. В. Топачевский, Н. П. Масюк. – Киев : Вища школа, 1984. – 336 с.
17. Методика выполнения измерений pH в водах потенциометрическим методом. ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97 (ФР.1.31.2007.03794). – Сыктывкар : ИБ Коми НЦ УрО РАН, 2004.
18. Методика измерений массовой концентрации аммиака и аммоний-ионов в питьевых, природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера. ПНД Ф 14.1:2:4.276-2013, (ФР.1.31.2013.16660). – Сыктывкар : ИБ Коми НЦ УрО РАН, 2013.
19. Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. ПНД Ф 14.1:2:4.135-98. – Сыктывкар : ИБ Коми НЦ УрО РАН, 2008.
20. Методика выполнения измерений содержания аминокислот, входящих в состав белков растений, методом жидкостной хроматографии на ионообменных смолах, Методика измерений № 88-17641-97-2010 (AH/1/31/2014/17660). – Сыктывкар : ИБ Коми НЦ УрО РАН, 2010.
21. Гогонин, А. В. Создание консорциума микроводорослей с оптимальным составом и титром клеток / А. В. Гогонин, И. В. Новаковская // Материалы докладов III Всероссийской (XVIII) молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере» (с элементами научной школы). – Сыктывкар, 2018. – С. 80–81.
22. Markou, G. Microalgal and cyanobacterial cultivation: the supply of nutrients / G. Markou, D. Vandamme, K. Muylaert // Water Research. – 2014. – Vol. 65. – P. 186–202. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.07.025
23. Andersen, R. A. The microalgal cell. In A. Richmond & Q. Hu (Eds.) / R. A. Andersen // Handbook of Microalgal Culture : Applied Phycology and Biotechnology. – 2013. – P. 3–20.
24. Barsanti, L. Algae: anatomy, biochemistry, and biotechnology / L. Barsanti, P. Gualtieri // Boca Raton : CRC Press, 2006. – 301 p. – DOI:https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch1
25. Priyadarshini, E. Heavy metal resistance in algae and its application for metal nanoparticle synthesis / E. Priyadarshini, S. S. Priyadarshini, N. Pradhan // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2019. – Vol. 103. – P. 3297–3316. – DOI:https://doi.org/10.1007/s00253-019-09685-3
26. Microalgae: a potential alternative to health supplementation for humans / A. K. Koyande, K. W. Chew, K. Rambabu [et al.] // Food Science and Human Wellness. – 2019. – Vol. 8. – P. 16–24. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.fshw.2019.03.001
27. FAO/WHO. Report of a Joint FAO/WHO Expert Committee. In: Food and Agriculture Organization (ed) Energy and Protein Requirements. 1973.
28. Amino acids, fatty acids, and peptides in microalgae biomass harvested from phycoremediation of swine wastewaters / W. Michelon, M. L. B. da Silva, A. Matthiensen [et al.] // Biomass Conversion and Biorefinery. – 2022. – Vol. 12. – P. 869–880. – DOI:https://doi.org/10.1007/s13399-020-01263-2
29. Chemical composition of cyanobacteria grown in diluted, aerated swine wastewater / R. O. Canizares-Villanueva, A. R. Dominguez, M. S. Cruz, E. Rios-Leal // Bioresource Technology. – 1995. – Vol. 51. – P. 111–116.
30. Microalgae, soil and plants: A critical review of microalgae as renewable resources for agriculture / A. L. Alvarez, S. L. Weyers, H. M. Goemann [et al.] // Algal Research. – 2021. – Vol. 54. – 102200. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.algal.2021.102200
31. Effect of elements availability on the decomposition and utilization of S-containing amino acids by microorganisms in soil and soil solutions / Q. Ma, R. Yao, X. Liu [et al.] // Plant and Soil. – 2024. – DOI:https://doi.org/10.1007/s11104-024-06864-8
32. Competition for two sulphur containing amino acids (cysteine and methionine) by soil microbes and maize roots in the rhizosphere / D. Wang, J. Wang, D. R. T. Ge Chadwick, D. L. Jones // Biology and Fertility of Soils. – 2023. – Vol. 59. – P. 697–704. – DOI:https://doi.org/10.1007/s00374-023-01724-6
33. Amino acids in the root exudates of Agave lechuguilla Torr. Favor the recruitment and enzymatic activity of nutrient-improvement Rhizobacteria / G. M. la Rosa, F. García-Oliva, C. Ovando-Vázquez [et al.] // Microbial Ecology. – 2023. – Vol. 86. – P. 1176–1188. – DOI:https://doi.org/10.1007/s00248-022-02162-x
34. Protein-restricted diet balanced for lysine, methionine, threonine, and tryptophan for nursery pigs elicits subsequent compensatory growth and has long term effects on protein metabolism and organ development / Y. Sun, T. Teng, G. Bai, [et al.] // Animal Feed Science and Technology. – 2020. – Vol. 270. – 114712. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114712
35. Siegert, W. The relevance of glycine and serine in poultry nutrition: a review / W. Siegert, M. Rodehutscord // British Poultry Science. – 2019. – Vol. 60, N 5. – P. 579–588. – DOI:https://doi.org/10.1080/00071668.2019.1622081
36. He, W. Amino acid nutrition and metabolism in chickens / W. He, P. Li, G. Wu // Advances in Experimental Medicine and Biology. – 2021. – Vol. 1285. – P. 109–131. – DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-54462-1_7
37. Yang, Z. Physiological effects of dietary amino acids on gut health and functions of swine / Z. Yang, S. F. Liao // Frontiers in Veterinary Science. – 2019. – Vol. 6. – P. 1–13. – DOI:https://doi.org/10.3389/fvets.2019.00169
38. – Vol. 13. – P. 1594–1618. – DOI:https://doi.org/10.1111/raq.12536
