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

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.