Создание биокаталитических систем на основе природных и сконструированных альго-бактериальных ассоциаций для биоремедиации сточных вод

Объект исследования - изоляты оксигенных фототрофных микроорганизмов (микроводорослей и цианобактерий), природные и модельные ассоциации фототрофных микроорганизмов с бактериями, способными к биоизъятию и накоплению в биомассе биогенных элементов из сточных вод. Цель исследования - изучение фундаментальных принципов функционирования и конструирования биокаталитических систем, состоящих из природных и искусственных альго-бактериальных ассоциаций, иммобилизованных на нетоксичных и биоразлагаемых носителях, предназначенных для изъятия биогенных элементов (N и P) из сточных вод и последующего получения биопрепаратов для улучшения структуры и плодородия почв. В ходе работы проведен сбор образцов биопленок фосфат-резистентных сообществ микроорганизмов (природных иммобилизованных альго-бактериальных сообществ) из эвтрофицированных постоянных (оз. Большая Имандра, затона озера и пруда вблизи апатит-нефелинового открытого карьера) и временного водоема по типу лужа вблизи апатит-нефелиновой обогатительной фабрики (АНОФ-2) в окрестностях г. Апатиты. Оценка биоразнообразия природных сообществ микроорганизмов, толерантных к высоким содержаниям биогенных элементов, проведена методом метагеномного анализа путем секвенирования ампликонов 16S рРНК на платформе Illumina. Анализ α-разнообразия сообществ для родов бактерий в каждой пробе проведен на основе значения индексов АСЕ, Chao-1, Шеннона и Симпсона. Анализ β-разнообразия бактерий изученных сообществ проведен по индексу Морисита-Хорна и методом главных компонент. Для выявления наиболее представленных семейств построена диаграмма Венна. Установлено, что 11 родов бактерий входят в состав сообществ всех изученных проб. Наиболее представленными в сообществах являются бактерии рр. Microbacterium, Arthrobacter, Rhizobium, Sphingomonas, Pseudomonas, Chthoniobacter. Сделано предположение, что именно эти рода бактерий участвуют в формировании ядра бактериального сообщества (core community) изученных проб; они будут использованы в дальнейшей работе. Из образцов постоянных водоемов получены две альгологические монокультуры микроводоросли. Таксономический статус одной культуры установлен по последовательности ITS1-5,8S рРНК-ITS2 и отнесен к микроводорослям рода Micractinium (Chlorophyta, Trebouxiophyceae) (98 - 99% сходства). Вторая культура по морфологическим признакам (формирование ценобиев) отнесена к сем. Scenedesmaceae и находится в процессе идентификации. Из этих же образцов получено шесть фосфатрезистентных штаммов бактерий. Получены две серии образцов носителей на основе хитозана ChitoClear HQG 800 (Исландия) и «Биопрогресс» (Россия), каждая серия составила не менее 132 образцов с пористостью 99,0; 98,5 и 98,0%. Исследованы влаговпитываемость и прочностные характеристики полимера, полученного из хитозана ChitoClear HQG 800, отобранного для иммобилизации клеток микроводорослей. Оценена равновесная степень набухания носителей. Разработана технология пассивной и активной иммобилизации клеток микроводоросли в объеме и на поверхности синтезированных сорбентов. Проведена оценка стабильности хитозановых сорбентов в модельных сточных водах. Показано, что механическую прочность лучше сохраняли носители на основе хитозана с молекулярной массой 600 кДа. Иммобилизация на данном носителе клеток микроводоросли Lobosphaera sp. не приводила к снижению их жизнеспособности в течение 21 суток. При активной иммобилизации суспензии микроводорослей на носителе достигалась практически полная иммобилизация клеток в реальном времени. При пассивной иммобилизации более 90% исходного числа клеток в течение 12 ч полностью интегрировались в структуры носителя. Таким образом, исследованные носители оказались способными к эффективной, быстрой иммобилизации клеток микроводоросли Lobosphaera sp., суспендированных в модельных сточных водах. Пространственную структуру полимерных гранул в макромасштабе визуализировали методами рентгеновской микротомографии. Исследования микроводорослей, иммобилизованных на хитозановых носителях, показали, что метод рентгеновской микротомографии позволяет оценивать заселенность гранул носителя микроводорослями.