ИСТИНА

Несмотря на возрастающую потребность в замещении дорогостоящих азотных и невозобновляемых фосфорных удобрений возобновляемыми органическими, в РФ практически не развиваются технологии переработки жидких отходов с целью получения биопрепаратов для улучшения структуры и плодородия почв Предлагаемый проект по созданию биокаталитических систем, состоящих из природных и искусственных альго-бактериальных ассоциаций, иммобилизованных на нетоксичных и биоразлагаемых носителях, а также изучение фундаментальных принципов функционирования таких систем, будет способствовать развитию технологий эффективного изъятия биогенных элементов (N и P) из сточных вод и возвращению их в агроэкосистемы. Важными задачами проекта, с одной стороны, являются поиск и изучение структуры природных сообществ оксигенных фототрофных организмов (микроводорослей и цианобактерий) с гетеротрофными бактериями, конструирование устойчивых альго-бактериальных ассоциаций, способных к «избыточному» поглощению биогенных элементов, с другой стороны, разработка биоразлагаемых носителей для иммобилизации ассоциаций с целью упрощения процесса сбора биомассы и интенсификации процесса биоизъятия азота и фосфора.

Despite the growing demand for the replacement of expensive nitrogen and non-renewable phosphate fertilizers with renewable organic compounds, the wastewater treatment technologies accompanied by bio-fertilizers production are practically undeveloped in Russian Federation. The presented project for the creation of biocatalytic systems comprised of natural and artificial algae-bacterial associations immobilized on non-toxic and biodegradable carriers, as well as the fundamental research of the such systems performance, will promote the development of technologies for the effective removal of nutrients (N and P) from wastewater and the returning them to agricultural systems. On the one hand, the project is aimed on the search and study of the natural associations comprised with oxygenic phototrophic microorganisms and heterotrophic bacteria; construction of stable algae-bacterial associations capable of "luxury" nutrients uptake. On the other hand, we intend to synthesize the biodegradable carriers for microorganisms immobilization allowing to simplify the process of biomass harvesting and enhance the process of P and N removal from wastewater.

- Будет получена оценка видового разнообразии природных ассоциаций микроорганизмов, выделенных из природных и антропогенных эвтрофицированных источников; выделены доминантные и субдоминантные альгологически чистые и аксеничные фото- и гетеротрофные культуры. - Будет выполнена молекулярно-биологическая идентификация наиболее перспективных штаммов фото- и гетеротрофных микроорганизмов, способных к «избыточному» накоплению биогенных элементов. - Будет создана коллекция альгологических монокультур фототрофных микроорганизмов и чистых культур гетеротрофных микроорганизмов, толерантных к эвтротрофным условиям и способных к эффективному поглощению и накоплению соединений P и/или N. - Будут созданы альго-бактериальные ассоциации, способные к эффективному биоизъятию N и P. Будет исследовано взаимное влияние фото- и гетеротрофных микроорганизмов и функционирование механизмов поглощения биогенных элементов. - Выбор материалов для носителей на основе полимеров включая поливиниловый спирт, полисахариды, хитозан. Выбор стратегии синтеза носителей. Характеризация полученных носителей в части физико-химических свойств таких как, степень набухания, пористость, величина поверхностного заряда, механическая прочность. - Структурные исследования полученных носителей с использованием методов рентгеновской дифракции. Определение их прочностных свойств полученных носителей. - Будет проведена оценка эффективности иммобилизации клеток на различных носителях. С помощью анализа флуоресценции хлорофилла а будет проведена оценка биосовместимости носителей различного состава и клеток модельной культуры ОФМ. - С помощью метода рентгеновской томографии будет изучено пространственное распределение иммобилизованных культур на материале носителя. - Будут отобраны носители и подобраны условия со-иммобилизации, обеспечивающие высокую плотность и скорость роста альго-бактериальных консорциумов. - Будет проведено сравнение эффективности биоизъятия P и N клетками свободных и иммобилизованных альго-бактериальных ассоциаций и изучено влияния иммобилизации на процессы поглощения и накопления биогенных элементов клетками. - Будут отобраны культуры ОФМ, характеризующиеся высокой чувствительностью ФСА к действию модельных токсикантов, а также оптимальные носители для их последующей иммобилизации. - Будут разработаны биосенсоры (тест-системы) на основе иммобилизованных клеток ОФМ с целью применения в оценке токсичности сточных вод.

Коллектив располагает коллекцией оригинальных штаммов и изолятов микроорганизмов контрастных экологических групп, включая микроводоросли и гетеротрофные бактерии, с высокой способностью к деградации различных органических соединений, биоизъятию углекислого газа и накоплению ценных соединений. Ведется изучение природных ассоциаций каротиногенной зеленой микроводоросли Haematococcus lacustris (Girod-Chantrans) Rostafinski выделенной из супралиторальной зоны Кандалакшского залива Белого моря. Коллектив имеет опыт работы с иммобилизованными клетками фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов. В качестве носителей синтезированы и исследованы сорбенты на основе полиэтиленимина, полилизина, полиэфиров, полипропилена, поливинилового спирта. Разработаны методы оценки эффективности иммобилизации и биосовместимости сорбентов с клетками микроорганизмов. Авторами проекта разработаны эффективные и чувствительные оптические методы для недеструктивного мониторинга физиологического состояния культур фототрофных микроорганизмов, основанные на спектроскопии поглощения и отражения, а также на измерении переменной флуоресценции хлорофилла. Разработана методика оценки токсичности сорбентов для иммобилизации фото- и гетеротрофных микроорганизмов с помощью флуоресцентного анализа. Разработана система, на основе биополимеров, которая может быть модифицирована различными наночастицами, придающими материалу определенные свойства и продемонстрирована возможность создания материала носителя наночастиц, способного к фотокатализу. Показана возможность создания полимерных систем, эффективных для адгезии клеток фототрофных микроорганизмов. У авторов имеется опыт проведения необходимых для характеризации полимерных материалов исследований, включая методы электронной микроскопии и рентгеновские методы. Кроме того, авторы имеют заделы по использованию метода рентгеновской томографии для анализа распределения клеток микроорганизмов в материале носителя.

На первом году исследований был проведен сбор образцов биопленок фосфат-резистентных сообществ микроорганизмов (природных иммобилизованных альго-бактериальных сообществ) из эвтрофицированных водоемов вблизи апатит-нефелиновой обогатительной фабрики (АНОФ-2) в окрестностях г. Апатиты и проведена оценка биоразнообразия природных сообществ микроорганизмов методом метагеномного анализа. В рамках проекта были получены 2 серии образцов носителей на основе хитозана ChitoClear HQG 800 (Исландия) и «Биопрогресс» (Россия), синтезированных путем криополимеризации хитозана с использованием глутарового альдегида в качестве сшивающего агента. Высокопористые полимеры характеризовались высокой механической прочностью и удельной площадью поверхности, обладали высокой эффективностью иммобилизации клеток микроводорослей, не влияли на жизнеспособность и фотосинтетическую активность клеток микроводорослей. На втором году проекта был исследован процесс поглощения биогенных элементов культурой зеленой микроводоросли (МВ) Micractinium simplicissimum IPPAS C-2056, выделенной из эвтрофицированной по фосфору среды обитания, а также биотехнологически значимой культурой Lobosphaera sp. IPPAS C-2047. Было показано, что обе культуры МВ способны к избыточному поглощению биогенных элементов из среды и способны к накоплению полифосфатов. С помощью метагеномных исследований были идентифицированы ассоциированные с МВ гетеротрофные бактерии, которые могут быть использованы при конструировании альго-бактериальных ассоциаций. Изучение процесса поглощения фосфора и азота клетками смешанных культур МВ и цианобактерий (ЦБ) позволяет моделировать природные условия и создавать ассоциаций ЦБ и МВ для эффективной очистки сточных вод. Показано, что биоизъятие фосфора смешанными культурами МВ M. simplicissimum и ЦБ Synechococcus sp. 1Dp66E-1 также эффективно, как и биоизъятие монокультурами, при этом нитраты клетки ЦБ поглощали со значительно меньшей скоростью, чем клетки смешанных культур и МВ. Проведена оценка способности смешанных культур МВ и ЦБ произвольно прикрепляться к поверхности полимера на основе хитозана. Показано, что эффективность пассивной иммобилизации клеток смешанных культур МВ и ЦБ на поверхности хитозана в течение 48 часов культивирования составляла 92-97%. Методами рентгеновской томографии и сканирующей электронной микроскопии были изучены особенности иммобилизации клеток модельных ОФМ. Разработана технология активной иммобилизации клеток ОФМ на поверхности и в объеме носителей и сконструированы модельные лабораторные биореакторы для изучения процесса биоизъятия биогенных элементов иммобилизованными клетками ОФМ. Для оптимизации технологии иммобилизации ОФМ, снижения стоимости и увеличения биодеградируемости носителей были синтезированы полимерные материалы на основе хитозана и клеточно-структурированного материала (КСМ), полученного из клеток растений Ajuga turkestanica или Polyscias fruticosa. Изучение кинетики иммобилизации клеток Lobosphaera sp. показало высокую сорбционную способность указанных полимеров и биосовместимость с клетками МВ. Для создания биосенсоров на основе клеток ОФМ, иммобилизованных на хитозановых полимерах, и последующего применения при оценки токсичности различных поллютантов в водных средах, была исследована возможность применения МВ M. simplicissimum и Lobosphaera sp. в качестве тест-объектов. Было показано, что обе культуры обладают высокой толерантностью к повышенным концентрациям хлорида марганца, выбранного в качестве модельного токсиканта, и могут использоваться в биоремедиации сточных вод. Исследована толерантность и изучены механизмы адаптации клеток МВ к экстремально высоким количествам фосфатов в среде, позволяющие расширить представления о метаболизме фосфатов в клетках МВ. Культура Lobosphaera sp. характеризовалась высокой толерантностью к фосфатам при концентрации ≤ 50 г/л, клетки M. simplicissimum при концентрации ≤ 14 г/л. Впервые было проведено сравнение кинетики поглощения нитратов и фосфатов суспензионными и иммобилизованными на хитозановых полимерах клетками Lobosphaera sp. Сравнение темпов биоизьятия азота и фосфора иммобилизованными на хитозане и суспензионными клетками МВ показало стимулирующее влияние иммобилизации на процесс поглощения биогенных элементов клетками. Было показано, что иммобилизация способствует сохранению высокой фотосинтетической активности клеток Lobosphaera sp. при неблагоприятных условиях культивирования. Было исследована кинетика биоизъятия фосфатов клетками сконструированого альго-бактериального сообщества на основе штаммов микроводоросли M. simplicissimum и цианобактерии Synechococcus sp. 1Dp66E-1, иммобилизованных на хитозановом полимере. Эксперименты, проводимые в фотобиореакторе с интенсивной аэрацией и в каскадном проточном фотобиореакторе, показали высокую эффективность биоизъятия фосфатов клетками иммобилизованного сообщества МВ и ЦБ из сточных вод. Была создана коллекция альгологически чистых культур фототрофных микроорганизмов и чистых культур гетеротрофных бактерий толерантных к эвтотрофным условиям и способных к эффективному поглощению и накоплению в биомассе соединений биогенных элементов.