Фізико-хімічна характеристика піщаних матів содових озер Доронинське та Зун-Торей (Забайкалля) Текст наукової статті зі спеціальності «Біологічні науки»

Анотація наукової статті з біологічних наук, автор наукової роботи - Захарюк А. Г., Козирєва Л. П., Намсараєв Б. Б.

Наведено первинні дані з вивчення піщаних матів, виявлених у содових озерах Доронинське та Зун-Торей.

Схожі теми наукових праць з біологічних наук, автор наукової роботи - Захарюк А. Г., Козирєва Л. П., Намсараєв Б. Б.

ПСІХІЧНИЙ ТА ТЕХНІЧНИЙ CHARACTERISTICS OF SANDY MATS OF DORONINSKOE ТА ZUN-TOREI SODA LAKES (Zabaikalie)

Для першої години основні фізичні і хімічні показники з sandy mats, які повинні були вестися в soda lakes Doroninskoe і Zun-Torei були вивчені.

Текст наукової роботи на тему «Фізико-хімічна характеристика піщаних матів содових озер Доронинське та Зун-Торей (Забайкалля)»

6. Водорості: Довідник/С.П. Вассер, Н.В. Кондратьєва, Н.П. Масюк та ін. – Київ: Наукова думка, 1989. – С. 170-188.

ФІЗИКО-ХІМІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПІЩАНИХ МАТІВ СОДОВИХ ОЗЕР ДОРОНІНСЬКЕ І ЗУН-ТОРЕЙ (Забайкалля)

А.Г. Захарюк, Л.П. Козирєва, Б.Б. Намсараєв*

Інститут загальної та експериментальної біології СО РАН, Улан-Уде. Е-mail: [email protected] Бурятський державний університет, Улан-Уде.

Наведено первинні дані з вивчення піщаних матів, виявлених у содових озерах Доронинське та Зун-Торей.

Ключові слова: мікробні мати, содові озера.

ПСІХІЧНИЙ ТА ТЕХНІЧНИЙ CHARACTERISTICS OF SANDY MATS OF DORONINSKOE ТА ZUN-TOREI SODA LAKES (Zabaikalie)

A.G. Захарюк, L.P. Козирева, В.В. Namsaraev Institute of General and Experimental Biology of SB RAS, Ulan-Ude Buryat State University, Ulan-Ude

Для першої години основні фізичні і хімічні показники з sandy mats, які повинні були вестися в soda lakes Doron-inskoe і Zun-Torei були вивчені.

Ключові слова: microbial mats, soda lakes.

На території Забайкалля налічується понад 500 содово-солоних озер, що відрізняються за рівнем мінералізації, рН та іонним складом води [1, 2]. Останнім часом пильну увагу приділяють вивченню содового озера Доронінське [3]. Насамперед це пов'язано з тим, що озеро відноситься до типу меромектичних озер, в яких чітко простежуються аеробна та анаеробна зони. Озеро Доронінське є одним із найбільших мінералізованих озер у Забайкаллі. Площа водяної поверхні озера 4,5 км2, глибина близько 6 м. Безстічне солонувате озеро Зун-Торей розташоване на півдні Забайкалля. Площа водяного дзеркала 302 км2. В озеро впадає протока Утича. Обидва озера примітні тим, що в береговій зоні виявлені піщані мати, які були пухким піском, зверху покритим тонкою бактеріальною плівкою.

Метою цієї роботи було вивчення фізико-хімічних показників піщаних матів содових озер Доронинське і Зун-Торей.

Об'єктами дослідження служили піщані мати з двох содових озер, розташованих на території Забайкальського краю: Доронінське та Зун-Торей. Проби піщаних матів по горизонтах відібрано у серпні 2008 р. Максимальна товщина піщаного мату озера Доронінське сягала 3,5 см, озера Зун-Торей – 5 см.

У польових умовах визначення фізико-хімічних параметрів води у місцях відбору проб проводили за допомогою портативних приладів. Кислотність середовища вимірювали рН-метром рНер2 (Португалія), значення загальної мінералізації – тестер-кондуктометр TDS-4 (Сінгапур). У лабораторних умовах визначали вміст сірководню фотометричним методом з ^№-диметил-«ара-фенілендіаміном (ДМП) [4]. Органічний вуглець у піщаних матах аналізували шляхом мокрого спалювання по Тюрину [5]. Оптичну густину вимірювали на фотоелектрокалориметрі КФК-20 (Росія).рН водної витяжки піщаних матів вимірювали за допомогою рН-метра HANNA Instruments (Росія).

Результати та обговорення

Відмітними ознаками вод содових озер є висока мінералізація та екстремально-лужні значення рН.

Розподіл солоності води Доронинське озеро має загальну закономірність: збільшення концентрації солей від поверхневих шарів до придонних (від 25 г/дм3 на поверхні до 30 г/дм3 і більше біля дна). рН знаходиться в лужній ділянці і варіює від 9,7 до 10.

Концентрація солей в озері Зун-Торей становила 5,7 г/дм3. Значення рН води 9,6. В озері зафіксовано низьке значення окисно-відновного потенціалу (ЕЬ) – +55 мВ.

У водній витяжці піщаних матів рН значення варіювали від 9,98 до 9,23. Відмічено зниження рН за глибиною мату. При цьому в піщаному маті озера Доронінське зниження становило 0,1 одиницю, а в маті озера Зун-Торей 0,4 одиниці (рис. 1, 2).

Мал. 1. Значення рН у піщаному маті оз. Доронінське Мал. 2. Значення рН у піщаному маті оз. Зун-Торей

Зміст Сорг у піщаних матах озер Доронинське та Зун-Торей по горизонтах

Озеро Доронінське Озеро Зун-Торей

Шар, см Зміст Сорг, % Шар, см Зміст Сорг, %

,5 СП 1,0 СП - 1,0 - 1,5 1,7

Вміст органічної речовини (ОВ) у піщаних матах досліджуваних озер було незначним і становило 1,6-1,7% (табл. 1). Зміна Сорг за шарами не зафіксовано. Низький вміст ОВ у піщаних матах різко відрізняє їхню відмінність від ціанобактеріальних матів, що розвиваються в содових озерах, які характеризуються досить високим вмістом органічної речовини (до 19%). Для типових ціанобактеріальних матів характерна яскраво виражена шаруватість із чергуванням мікроорганізмів та мінеральних шарів. Досліджувані мати були представлені піщаними ґрунтами, які, як правило, бідні на органіку. Бактерії розвивалися на поверхні мату, утворюючи легкоруйнуючі тонкі плівки.

Раніше проведені дослідження з розподілу сірководню у водній товщі озера Доронинське показують, що максимум (26,28 мг/дм3) фіксується влітку в центрі озера в придонному шарі води, що, мабуть, пов'язано з посиленням активності сульфатредукуючих бактерій при підвищення температури [3]. При визначенні нами сірководню в піщаних матах методом Трюпера виходили значення лише на рівні помилки. Тому була проведена непряма оцінка утворення та розподілу сірководню в піщаному маті з використанням накопичувальних культур сульфатредукуючих бактерій (СРБ), отриманих з кожного шару мату. Як донори електронів і ростових субстратів використовували лактат і ацетат.

Отримані накопичувальні культури СРБ активно відновлювали сульфати з утворенням сірководню у лужних умовах (рН-9,6) (табл. 2). Максимальна кількість сульфід-іонів (243 мг/дм3) була зафіксована в накопичувальній культурі, виділеній з піщаного мату озера Доронінське, шар 0,2-0,5 см, при використанні як донора електронів лактату. Трохи слабше (203,33 мг/дм3) утворювала сірководень накопичувальна культура з піщаного матюка озера Зун-Торей, шар 0,5-1,0 см, також вирощена на лактаті. Мінімальна кількість сульфід-іонів (36,25

мг/дм3) виявлено у накопичувальній культурі, ізольованій з нижнього горизонту піщаного мату озера Доронінське.

Освіта сірководню накопичувальними культурами СРБ

Накопичувальна культура Шар, см Донор електронів Кількість H2S, мг/дм

Доронинське 0-0,2 ацетат 115,8

Зун-Торей 0,2-0,5 лактат 37,1

Встановлено, що максимальна кількість сірководню утворюється в шарах підповерхневих піщаних матів. Найкращим субстратом є лактат.

Робота виконана за підтримки грантів Президії ЗІ РАН № 38, 95, МО РФ РНП 2.1.1/2 165 та НОЦ «Байкал»

1. Дзюба А. А. Мінеральні озера // Географія та природні ресурси. – 2002. – №2. – С. 61-67.

2. Намсараєв Б.Б., Намсараєв З.Б.Мікробні процеси круговороту вуглецю та умови довкілля в лужних озерах Забайкалля та Монголії // Праці ін-ту мікробіології ім. С.М. Виноградського РАН. – М.: Наука, 2007. – 398 с.

3. Замана Л.В., Борзенко С.В. Сірководень та інші відновлені форми у кисневій воді озера Доронінське (Східне Забайкалля) // Докл. РАН. – 2007. – Т.417, №2. - З. 232-235

4. Truper, H., Schleget, H.G. Sulphur methabolism в Thiorhodaceae. Qualitative measurements on going cells of Chromatium okenii // J. Microbiol. і Serol - 1964. - V.30. - P.225-238.

5. Арінушкіна Є.В. Посібник з хімічного аналізу грунтів. - М.: Изд-во Московського університету, 1961. - З. 39-58.

ІЗОТОПНІ ВАРІАЦІЇ ВУГЛЕДУ КАРБОНАТІВ І ОРГАНІЧНОЇ РЕЧОВИНИ

МІНЕРАЛЬНИХ ОЗЕР ЗАБАЙКАЛЛЯ

Б.С. Циренов *, В.Б. Дамбаєв *, Г.Г. Гончиков *, Б.Б. Намсараєв*’**

Інститут загальної та експериментальної біології СО РАН, Улан-Уде. Е-mail: [email protected] **Бурятський державний університет, Улан-Уде

Досліджено ізотопний склад вуглецю та органічної речовини в донних опадах мінерального озера Біле. Згідно з отриманими даними, донні опади відображають ізотопний склад вуглецю органічної речовини як первинних продуцентів, так і його споживачів.

Ключові слова: ізотопні варіації, вуглець, карбонати, органічна речовина.

THE ISOTOPE VARIATIONS OF CARBON OF CARBONATES AND ORGANIC MATTER OF THE MINERAL LAKES OF ZABAIKALIE

B.S. Циренов, V.B. Дамбаєв, G.G. Гончіков, В.В. Namsaraev Institute of General and Experimental Biology SB of RAS, Ulan-Ude.

Buryat State University, Ulan-Ude

Ізотопна комбінація карбону і органічних матерів в нижній частині мінерального lake Beloe була розглянута. З огляду на об'єднані дані, поряд з седіментами відображається isotope композиції з карбону органічних материнів як первинних виробників, і його споживачів.

Key words: isotope variations, carbon, carbonates, organic matter.

Мінеральні озера є унікальними екосистемами, в яких екстремально високі рН поєднуються з високими концентраціями солей аж до насичених.

Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біомедіації. Текст наукової статті зі спеціальності «Промислові біотехнології»

МІКРОБНІ МАТИ / БІОРЕМЕДІАЦІЯ / ПОЛЮТАНТ / БІОДЕГРАДАЦІЯ / БІОРЕМЕДІАЦІЙНИЙ ПОТЕНЦІАЛ МІКРОБНИХ МАТІВ / MICROBIAL MATS / BIOREMEDIATION / POLLUTANT / BIODEGRADATION / BIODEGRADATION

Анотація наукової статті з промислових біотехнологій, автор наукової роботи - Топчий Іван Анатолійович, Жданова Галина Олегівна, Купчинський Олександр Борисович

Мікробні мати це високоструктуровані шаруваті мікробні співтовариства з істотними фізико-хімічними градієнтами. запропоновано в аквакультурі, біоремедіації органічних сполук, очищенню стічних вод, виробництві біоводню. дослідники зрозуміли, що можна Самим підвищувати біоремедіаційний потенціал матів і не використовувати мікробні мати, що мешкають у забруднених зонах. Зараз технології виходять на новий рівень. іммобілізація на синтетичних матеріалах і т.д.).Ці технології дозволять виявляти активні в біоремедіаційному плані мікробні мати, культивувати їх, підвищувати корисні властивості. У цьому огляді будуть розглянуті сучасні уявлення про використання мікробних матів у біоремедіації. Також будуть перераховані потенційні застосування мікробних матів у цій галузі.

Подібні теми наукових праць з промислових біотехнологій, автор наукової роботи — Топчий Іван Анатолійович, Жданова Галина Олегівна, Купчинський Олександр Борисович

Про стійкість епіфітних ціанобактерій Кольської затоки до впливу нафтових вуглеводнів у водному середовищі

Розробка та польові випробування технології біоремедіації територій підприємств, забруднених токсичними хімічними речовинами, підготовка нормативно-технічної документації

Modern views на application of microbial mats в bioremediation

Мікробіальні маті є високоструктурованими помітними мікробіальні товариства з значущими фізично-хімічними gradients. Склади мікробіальних матів включають різні консортиу, що вводяться в геохімічні та біохімічні cycles на millimeter scale. Study of microbial mats is of great interest. Там є багато прикладів використання мікробіальних матів . Вони є використані в аквакультури, bioremediation of organic compounds, wastewater treatment, production biohydrogen. Там є багато досліджень на основі мікробіальних матів в bioremediation . Під лабораторними умовами, ефектом petroleum і petroleum hydrocarbons, pesticides, wastewater components and heavy metals on microbial mats has been studied. Учні зробили, що це можливо, щоб збільшити bioremediation потенційних матів і не використовувати мікробіальні маті, які живуть в відхилених областях.У дослідженнях на bacterial communities, включаючи microbial mats , metagenomics, transcriptomics і proteomics методів є widely used. p align="justify"> Biotechnological methods are used as well (cultivation in bioreactors, immobilization on synthetic materials, etc.). Ці технології можуть бути можливі для визначення активних microbial mats , щоб cultivate them, і збільшення їх сприятливих властивостей. article reviews concepts applications of microbial mats in bioremediation . Potential applications of microbial mats є reviewed as well.

Текст наукової роботи на тему «Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біоремедіації»

Оригінальна стаття / Original article УДК 579.6

Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біомедіації.

© І.А. Топчій1, Г.О. Жданова2, А.Б. Купчинський3

1,2 Іркутський державний університет, м. Іркутськ, Росія

3 Байкальський музей Іркутського наукового центру Сибірського відділення Російської академії наук, сел. Листв'янка, Росія

Резюме: Мікробні мати - це високоструктуровані шаруваті мікробні угруповання з істотними фізико-хімічними градієнтами. До складу мікробних матів входять різноманітні консорціуми, що беруть участь у гео- та біохімічних циклах у міліметровому масштабі. Вивчення мікробних матів має величезний інтерес. Існує безліч прикладів використання мікробних матів у практиці. Їх застосування було запропоновано в аквакультурі, біоремедіації органічних сполук, очищенні стічних вод, виробництві біоводню. Існує чимало досліджень, присвячених застосуванню мікробних матів у біоремедіації. У лабораторних умовах вивчено дію нафти та її вуглеводнів, пестицидів, компонентів стічних вод та важких металів на мікробні мати. Проводячи подібні експерименти, дослідники зрозуміли, що можна самим підвищувати біоремедіаційний потенціал матів і не використовувати мікробні мати, що мешкають у забруднених зонах. Нині технології виходять на новий рівень.У наукових дослідженнях бактеріальних угруповань, у тому числі мікробних матів, широко впроваджують методи метагеноміки, транскриптоміки та протеоміки. Застосовуються біотехнологічні методи (культивування в біореакторах, іммобілізація на синтетичних матеріалах тощо). Ці технології дозволять виявляти активні в біоремедіаційному плані мікробні мати, культивувати їх, підвищувати корисні властивості. У цьому огляді будуть розглянуті сучасні уявлення про використання мікробних матів у біомедіації. Також будуть перераховані потенційні застосування мікробних матів у цій галузі.

Ключові слова: мікробні мати, біоремедіація, поллютант, біодеградація, біоремедіаційний потенціал мікробних матів

Інформація про статтю: Дата надходження 27 травня 2019 р.; дата прийняття до друку 27 червня 2019 р.; дата онлайн-розміщення 30 вересня 2019 р.

Подяки: Автори вдячні за всебічну підтримку та допомогу у роботі кандидата біологічних наук С.В. Зайцева, кандидата біологічних наук Д.Д. Бархутової. Робота виконана за фінансової підтримки гранту РФФІ 18-48-030019 «Вивчення взаємодії окремих штамів та мікробних асоціацій, які мають електрогенну активність у МТЕ, із забруднювачами господарсько-побутових стічних вод та розробка рекомендацій щодо інтенсифікації їх очищення».

Формат цитування: Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Сучасні ставлення до застосування мікробних матів в биоремедиации. ХХІ століття. Техносферна безпека. 2019; 4 (2): 283-289. DOI: 10.21285/2500-1582-2019-3-283-289.

Modern views на application of microbial mats в bioremediation

Ivan A. Topchiy1, Galina O. Zhdanova2, Alexander B. Kupchinsky3

1,2Irkutsk State University, Росія

3Baikal Museum of Irkutsk Research Center of Siberian Branch of the RAS, Listvyanka, Russia

Абстрактні: Microbial mats є високо структурованими помітними microbial communities with significant physicochemical gradients.Склади мікробіальних матів включають різні консортиу, що вводяться в геохімічні та біохімічні cycles на millimeter scale. Study of microbial mats is of great interest. Там є багато прикладів використання мікробіальних матів.

XXI СТОЛІТТЯ. ТЕХНОСФЕРНА БЕЗПЕКА XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

(print) ISSN 2500-1574 (online)

Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біоремедіації Topchiy I.A., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Modern views on the application

of microbial mats in bioremediation

Вони є використані в аквакультури, bioremediation organіc compounds, wastewater treatment, production biohydrogen. Там є багато досліджень на основі мікробіальних матів в bioremediation. Під лабораторними умовами, ефектом petroleum і petroleum hydrocarbons, pesticides, wastewater components and heavy metals on microbial mats has been studied. Учні зробили, що це можливо, щоб збільшити bioremediation потенційних матів і не використовувати мікробіальні маті, які живуть в похилих областях. У дослідженнях на bacterial communities, включаючи microbial mats, metagenomics, tran-scriptomics і proteomics методи є широко використані. p align="justify"> Biotechnological methods are used as well (cultivation в bioreac-tors, immobilization on synthetic materials, etc.). Ці технології можуть бути можливі для визначення активних microbial mats, для культивування їх, і збільшення їх сприятливих властивостей. article reviews concepts applications of microbial mats in bioremediation. Potential applications of microbial mats є reviewed as well.

Key words: microbial mats, bioremediation, pollutant, biodegradation, bioremediation potential of microbial mats

Інформація про матеріал: Received May 27, 2019; accepted for publication June 27, 2019; available online September 30, 2019.

Посилання: Автори пізнання сприятливого підприємництва і допомоги, передбачені Candidates of Biological Sciences S.V. Заїцева і Д.Д.Бархатова. Ця робота була фінансово підтримана RFBR grant 18-48030019 "Study of interaction of individual strain and microbial asociations with electrogenic activity in MFCs with pollutants of homewaterwater and development of recommendations for intensification of their treatment.

Для citation: Topchiy І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Modern views на application of microbial mats в bioremediation. XXI ст. Technosphere Safety. 2019; 4 (3): 283-289. (In Ukrainian) DOI: 10.21285/2500-1582-2019-3-283289.

Мікробні мати є високоструктурованими, дрібномасштабними мікробними екосистемами з суттєвими фізико-хімічними градієнтами, які є результатом метаболічної активності мікроорганізмів. Мікробні мати - донні спільноти, що мають вертикальну стратифікацію [9]. До складу мікробних матів входять різноманітні консорціуми, що утворюються в результаті багатовимірних взаємодій між біотичними та абіотичними факторами. Через ці взаємодії біогенні та біогеохімічні цикли зазвичай відбуваються в міліметровому масштабі і коливаються протягом добового циклу, створюючи таким чином хімічні градієнти. Це сприяє диференціації екологічних ніш між мікробними спільнотами та відображає просторові потреби у поживних речовинах [15].

Мікробні мати вивчаються рядом дисциплін, як природних, і точних. Їх застосування було запропоновано в різних галузях, включаючи аквакультуру,

біоремедіацію органічних сполук, очищення стічних вод, видалення металів та виробництво біоводню [10].

Існує безліч прикладів використання мікробних матів у практиці. Особливо актуальним на даний момент є застосування мікробних матів у біоремедіації - комплекс технологій очищення та відновлення забруднених екосистем з використанням метаболічного потенціалу біоагентів. Як біоагенти можуть виступати бактерії, протисти, водорості, гриби, рослини і нижчі тварини.Основні переваги мікробіологічної біоремедіації полягають у її низькій вартості та високій ефективності. Чимало досліджень, присвячених біоремедіаційному потенціалу мікробних матів. Завдяки активним біохімічним процесам, що відбуваються всередині матів, і таксономічній різноманітності складових мат бактерій, можна говорити про перспективність мікробних матів у біоремедіації.

Ціль роботи. Оцінити можливості використання мікробних матів для біоремедіації стічних вод від найпоширеніших органічних сполук.

2. Нафта та вуглеводні нафти

Нафта та вуглеводні нафти становлять велику небезпеку для природних екосистем, зокрема водних. На даний момент існують технології відновлення зон, уражених нафтою і нафтопродуктами. Мікробна біоремедіація найбільш ефективна порівняно з традиційними методами (фізичним та хімічним).

Вивчення деструкційних властивостей у ціанобактеріальних матів, що розвиваються в зонах розливу нафти, почалося вже давно. Було показано деградацію сирої нафти на світлі, з подальшим розвитком ціанобактерій Phormidium spp. та OscШatoha spp. Однак у чистій культурі ці штами втрачали властивість розкладати нафту. Штами сульфатредукторів та аеробних гетеротрофів були здатні до деградації вуглеводнів аліфатичного та ароматичного ряду. Однак основний внесок у біодеструкцію нафтової плівки вносили аеробні гетеротрофи. Дослідниками було зроблено такий висновок: ціанобактеріальні мати можуть бути використані в біоремедіації на нафтових розливах біля берегової лінії [2].

Пізнішим прикладом застосування мікробного мату в біодеструкції нафти та її вуглеводнів є дослідження матів водно-болотних угідь з нафтового родовища на південному сході Аравійського півострова. У ході цього дослідження виявилася здатність розкладати 53-100% алканів після

шість тижнів інкубації.Також було зроблено висновок про безпосередній вклад мікробних матів у видалення вуглеводнів зі стічних вод нафтового родовища [1].

Варто зауважити, що активні ціанобактеріальні мати утворюються в середовищах з сильним забрудненням нафтою або в зонах її природного надходження.

також в антропогенно-забруднених зонах, включаючи гострі (аварії з розливами нафти) та хронічні (нафтохімічне забруднення стічних вод) забруднення. Характерним індикатором нафтового забруднення у фототрофних матах є переважання представників філ Proteobac-teria та Firmicutes у порівнянні з ціанобактеріями [8, 12].

Пестициди мають великий комерційний попит у промисловому сільськогосподарському виробництві. Проте виробниками не враховується той факт, що пестициди впливають на вміст мікроелементів у продукті, корисні для здоров'я споживачів. Застосування пестицидів загрожує руйнуванням природних біоценозів і часто наражає на смертельну небезпеку нецільові організми.

Раніше в науковій літературі вже повідомлялося про можливість біорозкладання хлорорганічних пестицидів галофільними мікробними матами, де воно пояснюється широким діапазоном різних функціональних груп мікроорганізмів у поєднанні з екстремальними добовими змінами фізико-хімічних градієнтів. Також проводилися дослідження, що доводять сказані вище твердження. Протягом тринадцяти днів експерименту з режимом день/ніч інкубовані мати розкладали 97% гербіциду 2,4-D, тоді як без освітлення лише 35%. Дослідники зробили висновок про те, що вивчені гало-фільні мати є надійною та ефективною системою для деградації гербіциду 2,4-D, де, ймовірно, є аеробні гетеротрофи, які безпосередньо беруть участь у процесі деградації пестициду [5]. Пізніші дослідження з галофільних мікробних матів стосуються біодеградації ацетохлору та діурону in vitro [4, 11].

XXI СТОЛІТТЯ. ТЕХНОСФЕРНА БЕЗПЕКА XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

(print) ISSN 2500-1574 (online)

Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біоремедіації Topchiy I.A., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Modern views on the application

of microbial mats in bioremediation

Стічні води згубно впливають в розвитку природних екосистем. Вони є причиною евтрофікації водойм через велику кількість вмісту в них сполук фосфору і азоту, а також призводять до загибелі біологічних видів, забруднення об'єктів водокористування. Стічні води через ґрунт проникають у ґрунтові води. Залежно від типу стічних вод змінюється їхній склад. В іонному складі побутових стічних вод часто переважають амоній і нітрат. Іони амонію ^Н4+) і нітрату (NO3-) у високих концентраціях завдають значної шкоди екологічній обстановці. Раніше було доведено наявність ніт-рифікаційних та денітрифікаційних процесів у мікробних матах, що вказує на потенційну можливість їх застосування в біоремедіації стічних вод та водойм, забруднених сполуками азоту. Також відомо, що ціанобактерії здатні асимілювати азотисті сполуки, такі як амоній і сечовина.

Група дослідників на чолі з Оксаною Кобаном провели дослідження, в якому вивчалося видалення нітрату та амонію з морської води ціанобактеріальними матами з домінуванням Coleofas-ciculus sp. та Lyngbya sp. Біоремедіаційний потенціал двох вивчених зразків матів був досить високий для видалення азотистих забруднень. Обидва мікробні мату були здатні до високого поглинання амонію. Дане дослідження продемонструвало поглинання високих концентрацій (до 2 мМ) амонію та нітрату природними мікробними матами. Ця властивість може бути використана для обробки забрудненої морської води. Також була показана кореляція між азотфіксуючими мікробними співтовариствами та концентрацією нітратів у навколишньому середовищі. Автори зауважують, що цей зв'язок має бути вивчений у майбутньому [3].

Ще одну роботу було проведено науковим колективом під керівництвом Дхананьї Кумара. Зростання мікробного мату з величезним переважанням Phormidium Ыдгапи1а№т було протестовано при різних хімічних параметрах і типах субстрату. Було відзначено збільшення біомаси мату при збагаченні середовища фосфатом до 0,25 мМ, тоді як вищі концентрації інгібували зростання. При нижчому рівні фосфатів серед (0,1 мМ) в мікробних матах починають поширюватися зелені водорості. Було доведено, що нітрат найкраще підтримував зростання мату при концентраціях понад 10 мМ. Оптимальна концентрація сульфату для зростання мату складала 0,10 мМ. В результаті дослідники дійшли висновку, що випробуваний мат вимагає високої концентрації фосфатів і нітратів для зростання, і, отже, є хорошим кандидатом для біоремедіації стічних вод [7].

Крім природних мікробних матів, апробовано використання штучних мікробних матів, іммобілізованих на полімерних підкладках. 16S рРНК-аналіз мату виявив домінуючі філи та пологи: Cyanobacteria (Chroococcus sp. та Lyngbya sp), клітини водоростей, в основному Nitzschia sp., в-протеобактерії, Ni-trospira та Nitrosomonas sp. Завдяки надлишку сполук азоту та фосфору в стіковій воді посилювалося зростання мікробних угруповань, що утворюють мат. Ефективне видалення аміаку зі стічних вод мікробним матом дозволяло прогресувати нітрифікації та пом'якшити рівень забруднення поллютантом [13].

До групи важких металів відносять хімічні елементи (метали та металоїди) з великою атомарною вагою. У певних концентраціях вони представляють проблему для навколишнього середовища.

ди. Ці метали набувають токсичних властивостей залежно від концентрації. У малих дозах вони необхідні метаболізму більшості організмів, а високих викликають важкі отруєння.

Біоплівки мікроводоростей та ціанобактеріальних мікробних матів здатні ефективно акумулювати важкі метали з навколишнього середовища і мають потенціал для використання в біомедіації.Деякі мікробні мати здатні розвиватися при високих концентраціях важких металів. Мікробні мати здатні ізолювати або осаджувати важкі метали та радіонукліди шляхом поверхневої сорбції або через підвищення рН-середовища, таким чином, концентруючи поллютант [8].

Дхананья Кумар із співавторами провів дослідження, суть якого полягала у видаленні іонів важких металів за допомогою ціанобактеріального мату з переважанням Phormidium bigranulatum у біореакторах періодичної та безперервної дії. Мат успішно видаляв РЬ(II), Сі(II) та Cd(II) з водного розчину в обох типах біореакторів, проте перевага надавалася першому типу. Ефективність видалення металу (%) збільшувалася пропорційно до площі мату, але падала зі збільшенням концентрації металу в розчині. Мікробний мат мав майже однаковий біоремедіаційний потенціал по відношенню до всіх досліджуваних металів і, отже, має бути корисним для очищення стічних вод, що містять кілька іонів важких металів [6].

У тому ж році Падма Ванкар із співавторами вивчив біоремедіацію Сг (VI) ціанобактеріальним матом, зібраним зі стічних вод шкіряного заводу. Експерименти з адсорбції проводилися частинами

з використанням концентрацій хрому 210, 15-30 та 300 ррт при рН 5,5-6,2. Адсорбція відбувалася протягом 15 хв, зниження концентрації металу – протягом 210 хв. Явище адсорбції було підтверджено за допомогою Фур'є-перетворення [14]. Проведені авторами дослідження свідчать про потенційне застосування ціанобактеріальних матів із забруднених важкими металами стоків у біоремедіації.

Мікробні мати через безліч біогеохімічних процесів і різноманітності мікроорганізмів у своєму складі можуть бути ефективними біоагентами для біо-ремедіації наземних і водних екосистем, забруднених різними поллютантами. У лабораторних умовах вивчено дію нафти та її вуглеводнів, пестицидів, компонентів стічних вод та важких металів на мікробні мати.Проводячи подібні експерименти, дослідники зрозуміли, що можна самим підвищувати біо-медіаційний потенціал матів і не використовувати мікробні мати, що мешкають у забруднених зонах.

Зараз технології виходять на новий рівень. У наукових дослідженнях бактеріальних угруповань, у тому числі мікробних матів, широко використовують метагеномний, транскриптомний, протеомний методи аналізу. Застосовуються біотехнологічні методи (культивування в біореакторах, іммобілізація на синтетичних матеріалах тощо). Ці технології дозволять виявляти активні в біоремедіаційному плані мікробні мати, культивувати їх, підвищувати корисні властивості.

XXI СТОЛІТТЯ. ТЕХНОСФЕРНА БЕЗПЕКА XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

(print) ISSN 2500-1574 (online)

Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Сучасні уявлення про застосування мікробних матів у біоремедіації Topchiy I.A., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. Modern views on the application

of microbial mats in bioremediation

1. Abed Raeid M.M., Al-Kharusi Samiha, Prigent S., Headley T. Diversity, Distribution and Hydrocarbon Biodegradation Capabilities of Microbial Communities in Oil-Contaminated Cyanobacterial Mats from Constructed Wetland // PLOS ONE. 2014. Vol. 9. № 12. P. el 14570. DOI: 10.1371/journal.pone.0114570

2. Cohen Y. Bioremediation of oil by marine microbial mats. International Microbiology. 2002. Vol. 5. Iss. 4. P. 189-193. DOI: 10.1007/s10123-002-0089-5

3. Coban O., Williams MiKalley, Bebout Brad M. Mechanisms of nitrogen attenuation from seawater by 2 microbial mats // Water Research. 2018. Vol. 147. P. 373-381. DOI: 10.1016/j.watres.2018.09.044

4. El-Nahhal Y., Awad Y., Safi J. Bioremediation of Acetochlor in Soil and Water Systems by Cyanobacteri-al Mat. // International Journal of Geosciences. 2013. Vol. 4. P. 880-890. DOI: 10.4236/ijg.2013.45082

5. Grötzschel S., Köster J., de Beer D.Відхилення від 2,4-Дихлорофеноксияціческого оксиду (2,4-D) до Hypersaline Microbial Mat і Related Functional Changes in Mat Community // Microbial Ecology. 2004. Vol. 48. P. 254-262. DOI: 10.1007/s00248-003-2020-9

6. Gaur J.P., Kumar D., Rai J. Removal з металів іонів Phormidium bigranulatum (Cyanobacteria)- dominated мат в batch і continuous flow systems // Biore-source Technology. 2012. Vol. 104. P. 202-207. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.11.00

7. Кумар D., Pandey L.K., Gaur J.P. Ріст Пhormidium bigranulatum-домінований мат в відносинах з характером субстрату, часу, pH і nutrient availability // Engineering & Management Journal. 2018. Vol. 17.

8. Kenneth N. Timmis. Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology. Berlin: Springer Publ., 2010. 4699 p.

9. Pactick C. Hallenbeck. Modern Topics в Photo-trophic Prokaryotes. Switzerland: Springer International Publ., 2017, 492 p.

10. Roeselers G., van Loosdrecht M.C.M., Muyzer G. Phototrophic biofilms and їхніх потенційних applications // Journal of Applied Phycology. 2008. Vol. 20. P. 227-235. DOI: 10.1007/s10811-007-9223-2

11. Safi J., Awad Y., El-Nahhal Y. Bioremediation of Diuron in Soil Environment: Influence of Cyanobacterial Mat. // American Journal of Plant Sciences. 2014. Vol. 5. P. 1081-1089. DOI: 10.4236/ajps.2014.58120

12. Sheppard C. World Seas: An Environmental Evaluation. Volume II: The Indian Ocean to the Pacific. Elsevier Publ., 2019. 932 p.

13. Tripathi B. N., Kumar. D. Prospects and Challenges in Algal Biotechnology. Singapore: Springer Publ., 2017. 311 p. DOI: 10.1007/978-981-10-1950-0

14. Ванкар Padma S., Shukla D., Sarvesh Kumar Sri-vastava. Bioremediation of hexavalent chromium by ayanobacterial mat. // Applied Water Science. 2012. Vol. 2. №4. P. 245-251. DOI: 10.1007/s13201-012-0044-3

15. Wong Hon Lun, Visscher P.T., Richard Allen White III, Smith Daniela-Lee, Patterson Molly M., Burns B.P.Dynamics of archaea at fine spatial scales in Shark Bay mat microbiomes // Scientific Reports. 2017. Vol. 7(1). P. 1-12. DOI: 10.1038/srep46160

1. Abed R, Al-Kharusi S, Prigent S, Headley T. Diversity, Distribution and Hydrocarbon Biodegradation Capabilities of Microbial Communities in Oil-Contaminated Cyanobacterial Mats from Constructed Wetland. PLoS ONE. 2014; 9 (12): e114570.

2. Cohen Y. Bioremediation of oil by marine microbial mats. International Microbiology. 2002; 5 (4): 189-193. DOI: 10.1007/s10123-002-0089-5

3. Coban O, Williams M, Bebout B. Mechanisms of nitrogen attenuation from seawater by 2 microbial mats. Water Research. 2018; 147: 373-381.

4. El-Nahhal Y, Awad Y, Safi J. Bioremediation of Acetochlor in Soil and Water Systems by Cyanobacteri-al Mat. International Journal of Geosciences. 2013; 04 (05): 880-890. DOI: 10.4236/ijg.2013.45082

5. Grtzschel S, Köster J, de Beer D. Відхилення від 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid (2,4-D) до Hyper-

saline Microbial Mat і Related Functional Changes in the Mat Community. Microbial Ecology. 2004; 48 (2): 254-262. 10.1007/s00248-003-2020-9

6. Кумар D, Rai J, Gaur J. Removal з мілальних йонів за Phormidium bigranulatum (Cyanobacteria) - dominated mate in batch and continuous flow systems. Bioresource Technology. 2012; 104: 202-207.

7. Кумар D, Pandey L, Gaur J. Розвиток Phormidium bigranulatum-домінований мат у відносинах до природи субстрату, часу, pH і nutrient availability. Екологічна технологія управління та управління Journal. 2018; 17 (2): 307-316. DOI: 10.30638/eemj.2018.032

8. Kenneth N. Timmis. Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology. Berlin: Springer, 2010. 4699 p.

9. Modern Topics в Phototrophic Prokaryotes. In: Pactick C. Hallenbeck. (eds.) Switzerland: Springer International, 2017, 492 p.

10. Roeselers G, Loosdrecht M, Muyzer G. Photo-

trophic biofilms and їх можливі застосування. Journal of Applied Phycology. 2007; 20 (3): 227-235. DOI: 10.1007/s10811 -007-9223-2

11.Safi J, Awad Y, El-Nahhal Y. Bioremediation of Di-uron in Soil Environment: Influence of Cyanobacterial Mat. American Journal of Plant Sciences. 2014; 05 (08): 1081-1089.

12. Sheppard C. World Seas: An Environmental Evaluation. Vol. II: The Indian Ocean to the Pacific. Elsevier, 2019. 932 p.

13. Tripathi BN, Kumar D. Prospects and Challenges in Algal Biotechnology. Singapore: Springer, 2017. 311 p. DOI: 10.1007/978-981-10-1950-0

14. Shukla D, Vankar P, Srivastava S. Bioremediation of hexavalent chromium by a cyanobacterial mat. Applied Water Science. 2012;2(4):245-251.

15. Wong H, Visscher P, White III R, Smith D, Patterson M, Burns B. Dynamics of archaea at fine spatial scales in Shark Bay mat microbiomes. Scientific Reports. 2017; 7 (1): 1-12. DOI: 10.1038/srep46160

Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. мають рівні авторські права. Топчій І.А., Жданова Г.О., Купчинський А.Б. несуть рівну відповідальність за плагіат.

Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів.

Відомості про авторів Топчий Іван Анатолійович,

Іркутський державний університет, 664025, м. Київ Іркутськ, вул. Леніна, 3, Росія, e-mail: [email protected] Жданова Галина Олегівна,

науковий співробітник лабораторії водної токсикології науково-дослідного інституту біології,

Іркутський державний університет, 664025, м. Київ Іркутськ, вул. Леніна, 3, Росія, І e-mail: [email protected] Купчинський Олександр Борисович,

кандидат біологічних наук, виконуючий обов'язки директора,

Байкальський музей Іркутського наукового центру Сибірського відділення Російської академії наук, 664520, Іркутська область, сел. Листівка, вул. Академічна, 1, Росія, e-mail: [email protected]

Topchiy І.А., Жданова Г.О. and Kupchinsky A.B. має еqual author's rights. Topchiy І.А., Жданова Г.О. and Kupchinsky A.B. bear responsability for plagiarism.

Conflict of interests

Автівки зазначають, що не conflict інтересів, що регулюють публікацію цієї статті.

Irkutsk State University, 3 Lenin Str., Irkutsk 664025, Росія, e-mail: [email protected] Галина О. Жданова,

Researcher, Laboratory of Water Toxicology, Institute of Biology, Irkutsk State University, 3 Lenin Str., Irkutsk 664025, Росія, E-mail: [email protected]

Alexander B. Kupchinsky,

Cand. Sci. (Біологія), Діяльність директора Baikal Museum of Irkutsk Research Center of Siberian Branch of the RAS, 1 Akademicheskaya, Listvvyanka 664520, Irkutsk region, Russia, e-mail: [email protected]

XXI СТОЛІТТЯ. ТЕХНОСФЕРНА БЕЗПЕКА XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

(print) ISSN 2500-1574 (online)