Потенциал применения микроводорослей

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 Pseudococco-myxa 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 про-

Potential applications of microalgae

A. V. Gogonin, T. N. Shchemelinina, E.M. Anchugova

Institute of Biology, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

Syktyvkar

The paper reviews the possibility for the sustainable production of amino acid-rich microalgal consortium biomass ( Vischeria magna, Coelastrum proboscideum ) in wastewater generated by the Syktyvkar timber-processing complex with the simultaneous purification of the wastewater from the main pollutants. The introduction of the microalgal consortium results in a reduction in the concentration of cadmium, barium, aluminium, ammonium, and nitrite nitrogen in comparison to the control. The concentration of amino acids accumulated by microalgae is found to be 84.98 % in sterile wastewater and 46.39 % in non-sterile wastewater.

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 magnu s (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. probos-cideum ) 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 дм3и 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, ам-моний-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,

Таблица 1

Схема эксперимента

Table 1

Experiment scheme

Обозначение пробы	Наименование
СВ	Контроль
НСВ+МВ	Нестерильная сточная вода с отстойников + консорциум МВ
ССВ+МВ	Стерильная сточная вода с отстойников + консорциум МВ

Таблица 2

Количественное содержание элементов в сточной воде в процессе эксперимента

Table 2

Quantitative content of elements in wastewater during the experiment

Показатели	СВ±Δ	НСВ + МВ±Δ	ССВ + МВ±Δ
pH	8,77±0,2	8,96±0,2	8,78±0,2
Концентрация, мг/дм3
NH4 +	1,8±0,4	0,62±0,25	0,49±0,4
NO2 -	0,044±0,01	0,015±0,006	0,014±0,006
Концентрация, мкг/дм3
Cd	0,70±0,25	0,51±0,18	0,35±0,12
Ba	105±21	24±6	30±8
Al	165±40	23±7	22±7

Условное обозначение. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при р = 0,95.

Key. ±Δ – absolute error limits at p = 0.95.

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 консор- циумом 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 мета-

Таблица 3

Содержание аминокислот в биомассе микроводорослей, культивированных на сточных водах, %

Table 3

Content of amino acids in biomass of microalgae cultivated in wastewater, %

Аминокислоты, %	Данные исследования			Сточная вода производства свиного мяса в Бразилии [23]
	Контроль	ССВ+МВ	НСВ+МВ	Chlorella sp. и Scenedesmus sp.	Spirulina maxima	Phormidium sp.
Незаменимые аминокислоты
Валин	0,9	5,5	0,49	1,4	4,1	2,1
Изолейцин	0,0	4,4	0,37	0,8	3,3	2,3
Треонин	0,2	1,2	0,11	1,1	4,0	2,6
Метионин	0,1	0,0	0,01	0,5	0,53	0,6
Лейцин	0,5	10,7	0,8	2,0	6,7	4,1
Фенилаланин	0,0	4,4	4,3	1,2	3,4	2,2
Лизин	0,7	7,9	6,0	1,2	4,1	1,8
Пролин	0,6	10,4	5,1	1,3	3,9	1,1
Гистидин	0,0	1,4	1,2	0,2	2,3	0,85
Аргинин	0,0	6,3	4,3	1,1	5,5	2,8
Триптофан	-	-	-	-	0,3	-
Заменимые аминокислоты
Аспарагин	0,5	9,0	6,7	2,4	7,3	4,7
Серин	0,2	2,1	1,5	1,0	3,9	2,1
Глутамин	0,5	1,28	0,92	3,6	12,3	5,01
Глицин	0,5	7,6	5,4	1,4	4,05	4,4
Аланин	0,2	10,4	6,9	2,3	5,9	3,8
Цистеин	0,0	1,2	1,5	0,3	-	-
Тирозин	0,0	1,2	0,8	0,7	3,2	2,6
Сумма	4,4	84,98	46,39	22,5	74,78	43,06

болизм 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 пред- приятия, 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.