Разработка эффективной минеральной питательной смеси для интенсификации роста диатомовых водорослей пресноводных водоемов
Аннотация
Целью данной работы является изучение интенсификации роста фитопланктона в специальной среде, разрабатываемой для выращивания диатомовых водорослей: Nitzchia palea, Sumbella sp., Sceletonema costatum, Pinnularia viridis, Asterionella formoza. Были проведены исследования зависимости биомассы микроводорослей от различных концентраций минеральных веществ в питательной среде. Установлено, что повышение содержание ионов металлов, таких как натрий, калий, марганец, кобальт, железо, ведет к приросту биомассы в течение 10 суток в 2-6раз.
Ключевые слова: диатомовые водоросли, устойчивость, адсорбция, показатель роста, питательная среда, минеральное питание.
Abstract
The aim of this paper is to investigate the intensification of phytoplankton growth in a special media, developed for the diatoms growing:Nitzchia palea, Sumbella sp, Sceletonema costatum, Pinnularia viridis, Asterionella formoza. The influence of the designed media concentration to the biomass of diatoms were studied under standard conditions. It is found that high concentration of metal ions such as sodium, potassium, manganese, cobalt, iron increased the biomass in 2-6times after 10days growth.
Keywords:diatoms, sustainability, adsorption, rate of growth, nutrient media, mineral nutrition.
Биомасса диатомовый водоросль микроэлемент
Обеспеченность пресной водой является одним из ключевых вопросов, стоящих перед человечеством в XXI веке. Наступившее столетие можно смело назвать "веком водных проблем", которые в Средней Азии ведут к обострению политической и экономической ситуации между странами региона. Это прежде всего проблемы пограничных рек и уровень загрязнения источников питьевой воды различными токсикантами и в первую очередь тяжелыми металлами[4].
Механизм самоочищения с участием фитопланктона в природных водоемах является одним из основных механизмов, поддерживающих экологическое равновесие. Многие физические и химические процессы самоочищения воды регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них. От концентрации клеток фитопланктона зависят масштабы сорбции загрязняющих веществ на оседающих частицах взвесей.
Однако при все возрастающей антропогенной нагрузке природный механизм самоочищения перестает справляться с высоким уровнем загрязнений, в том числе тяжелыми металлами (ТМ). В этом случае интенсификация естественных процессов биосорбции может являться тем экономически выгодным методом по ремедиации TM и активации природных процессов самоочищения.
Микроводоросли являются основными биологическими адсорбентами микроэлементов в водных средах. Их способность адсорбировать и метаболизировать микроэлементы связана с высоким соотношением поверхность/объем, наличием структур на поверхности, обладающих высоким сродством к металлам, и эффективной системы поглощения и накопления металлов[2]. Как и для других видов фитопланктона, увеличение активности диатомовых водорослей можно достичь, производя активацию и подпитку для их стабильного размножения в природной или искусственной среде[6].
Целью данной работы является - разработка минеральной питательной среды для накопления биомассы в культуральной среде диатомовых водорослей, отобранных в пресноводных водоемах. В работе исследована возможность интенсификации роста диатомовых водорослей для создания биотехнологии по ремедиации водоемов, загрязненных тяжелыми металлами.
Для производства биомассы одноклеточных водорослей в качестве биологических очистителей водоемов могут быть использованы водоросли на основе естественного фитопланктона, полученные за счет интенсификации их роста путем добавления элементов минерального питания в воду из природных источников. Объектом исследования служила смешанная культура водорослей, полученная на основе природного сообщества фитопланктона.
Объекты, материалы, и методы исследования
Отбор проб фитопланктона и воды производился с поверхности глубиной не более 30см Капчагайского водохранилища в районе речного порта г. Капчагай в мае месяце. Температура воды составляла 140С.
Идентификацию видов и подсчет числа клеток проводили на световом микроскопе марки МТ 6000. Общее количество клеток фитопланктона подсчитывали в поле счетной камеры с каждой из исследуемых проб, затем количество клеток фитопланктона на 1 литр воды водоема вычисляли по формуле 1:
N = K * n * (A/a) * v * (1000/V), (1)
Где: N - количество организмов в 1л воды исследуемого водоема; К - коэффициент, показывающий во сколько раз объем счетной камеры меньше 1 см3; n - количество организмов, обнаруженных на просмотренных дорожках (квадратах, полосах) счетной камеры; А - количество дорожек (квадратов, полос) в счетной камере; а - количество дорожек (квадратов, полос), на которых производится подсчет водорослей; v - объем сгущенной пробы (см3); V - первоначальный объем отобранной пробы (см3)[3].
Количество клеток фитопланктона на 1литр воды в водоеме составило 27329кл/л. В ходе микроскопического анализа начальных проб были выявлены следующие виды диатомовых микроводорослей: Nitzchiapalea, Sumbellasp., Sceletonema costatum, Pinnulariaviridis, Asterionellaformoza (Рис. 1).
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 1. Фотографии микроводорослей под микроскопом (увеличение в 400раз): а) Nitzchiapalea, б) Sumbellasp., в) Sceletonema costatum, г) Pinnulariaviridis, Asterionellaformoza
Для установления влияния разрабатываемой питательной смеси на прирост биомассы выявленных в пробах воды диатомовых водорослей были поставлены следующие эксперименты. Выращивание фитопланктона проводили в колбах Эрленмейера емкостью 500мл (объем среды 200мл) в орбитальных качалках. Температура среды поддерживалась равной 18-20єС при постоянном освещении люминисцентной лампoй. В экспериментах применяли периодический (накопительный) режим культивирования.
Основу питательной смеси составила модифицированная среда Гольдберга, состав которой по ионам металлов и органическим компонентам приведен в таблице 1.
Таблица 1. Содержание микроэлементов в питательной среде
Компоненты питательной среды |
Количество микроэлемента, мг/л | |||||
Среда № 1 |
Среда № 2 |
Среда № 3 |
Среда № 4 |
Среда № 5 |
Среда № 6 | |
K |
0,0027 |
0,0270 |
0,1350 |
0,27 |
0,6750 |
1,35 |
Na |
0,0039 |
0,0385 |
0,1925 |
0,385 |
0,9625 |
1,9250 |
Mn |
0,00003 |
0,0003 |
0,0150 |
0,003 |
0,0075 |
0,0150 |
Co |
0,0011 |
0,0105 |
0,0525 |
0,105 |
0,2625 |
0,5250 |
Fe |
1,85 |
18,50 |
92,50 |
185,00 |
462,50 |
925,00 |
Цистин |
5,00 |
5,00 |
5,00 |
5,00 |
5,00 |
5,00 |
Этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевая соль |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
Питательные смеси №1-6 добавляли в начале эксперимента в шесть колб, содержащих по 200мл воды и 0,2мл аликвоты исследуемого сообщества микроводорослей. Концентрацию добавляемой питательной смеси варьировали от 5 до 2500мг/л (таблице №2).
Таблица 2. Количество добавляемой питательной смеси
Концентрация питательной смеси | ||||||
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
№ 5 |
№ 6 | |
С, мг/л |
5 |
50 |
250 |
500 |
1250 |
2500 |
Результаты и их обсуждения
Одной из главных трудностей в практике культивирования микроводорослей является недостаточная изученность потребности водорослей в основных биогенных элементах, источниках и способах углеродного обеспечения, а также влияния на рост и развитие клеток высоких концентраций макро - и микроэлементов. Результатом этого явилось отсутствие специальных питательных сред для выращивания некоторых диатомовых водорослей в модельной среде и эффективных способов их интенсивного культивирования[5].
В ходе работы изучено влияние содержаний некоторых микроэлементов на рост диатомовых водорослей. Однако, следует отметить, что в клетках микроводорослей одновременно протекают процессы поступления металлов из раствора и их выведения. Адаптацию микроводорослей к действию ТМ связывают с установлением динамического равновесия между этими процессами[1].
Следует учитывать также, что отдельные элементы, главным образом микроэлементы, могут вноситься в питательные среды в виде примесей с дополнительными солями. Известно, что физиологически активные водоросли могут некоторое время развиваться за счет внутриклеточных запасов или использовать органические источники макро - и микроэлементов[5].
Оценка прироста культуры водоросли в исследуемых питательных средах производилась через 10 суток после начала опыта. Для определения роста и развития диатомовых водорослей в исследуемой среде, нами выбран показатель роста (ПР), вычисляемый как отношение сухой массы клеток в конце опыта к сухой массе в начале опыта.
На рис. 2 представлены данные по изменению ПР диатомовых культур при их 10-дневном выращивании с нарастанием содержания концентраций микроэлементов в среде.
Рисунок 2. Изменение показателя роста диатомовых культур водорослей при различных концентрациях микроэлементов
Результаты анализа образцов воды, отобранной в месте сбора фитопланктона представлены в таблице №3.
Таблица 3. Содержание ионов металлов в образце воды Капчагайского водохранилища
№ |
Место отбора |
Содержание, мг/л | ||||
Na |
K |
Mn |
Fe |
Co | ||
1 |
Капчагайское водохранилище |
?50 |
3,12 |
0,0079 |
0,2552 |
0,00003 |
2 |
ПДК р/х/ВОЗ |
120 |
/- |
0,010 |
1,00 |
/- |
Прочерк означает, что данный параметр не нормируется |
Изучено влияние содержания ионов металлов и состава питательной среды на жизнедеятельность диатомовых водорослей Капчагайского водохранилища.
Из рисунка №2 видно, что с увеличением концентрации питательной среды повышение биомассы диатомовых водорослей в фитопланктонном сообществе идет гораздо интенсивнее, по сравнению с контрольным образцом. В культурах, выращенных в среде №6 величина ПР гораздо больше, чем в других культурах. Это указывает на то, что концентрации ионов железа и кобальта в водохранилище Капчагая возможно являются лимитирующим фактором роста исследуемых диатомитовых водорослей.
Был изучен видовой состав микроводорослей в пробе после выращивания в колбах с добавлением исследуемой питательной смеси. Среда содержала следующие виды диатомовых водорослей: Nitzchiapalea, Sumbellasp., Sceletonema costatum, Pinnulariaviridis, Asterionellaformoza (Рис. 3).
Каждый из видов изучаемых диатомовых водорослей характеризуется определенной толерантностью к повышению содержания питательной смеси. При низких концентрациях микроэлементов в среде №2 наблюдалось ускорение прироста биомассы по сравнению с контрольным образцом. По-видимому, даже в относительно низких концентрациях питательная смесь (среда №3) вызвала резкий скачок роста водорослей:Sceletonema costatum, Synedrasp., Diatomasp., Sumbellasp.
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 3. Фотографии микроводорослей под микроскопом (увеличение в 400раз: а) Asterionella formoza; б) Sumbella sp.; в) Nitzchiapalea; г) Pinnularia viridis
Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавляемая питательная среда до высоких концентраций микроэлементов ионов железа и кобальта ведет к пятикратному увеличению концентрации диатомовых микроводорослей по сравнению с контрольной пробой без добавления питательной среды.
В дальнейшем проведенные исследования по показателю роста диатомовых водорослей позволят определить количество ауксоспор, от которых зависит интенсивность роста микроводорослей, и образующихся на их основе размножения диатомей: Nitzchiasp., Sumbellasp., Sceletonemacostatum, Cheatocerosurcellatus, Asterionellaformosa.
Список литературы
- 1. Налимова А. А., Попова В. В., Цоглин Л. Н., Пронина Н. А. Влияние меди и цинка на рост Spirulinaplatensis и аккумуляция клетками тяжелых металлов // Физиология растений. - 2005. - Т.52, №2. - С.259-265. 2. Остроумов С. А. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и приложения // Успехи современной биологии. - 2004. - Т.124. №5. - С.429-442. 3. Садчиков А. П. Методы изучения пресноводного фитопланктона. - М.: Изд-во "Университет и школа", 2003. - 158с. 4. Сарсенбаев М. Х., Баженов М. Г., Жанабаева Ж. А. Современные пути управления водными ресурсами // G-Global, май 2015. 5. Тренкенщу Р. П. Ростовые и фотоэнергетические характеристики морских микроводорослей в плотной культуре // Красноярск, 1984г. 6. Rajamani S., S. Siripornadulsil, V. Falcao, M. Torres, P. Colepicolo, R. Sayre. Phycoremediation of Heavy Metals Using Transgenic Microalgae // Advances in Experimental Medicine and Biology. - V.616, - 2007. - P.99-109.
Похожие статьи
-
Ауксины - Клетка как осмотическая система. Электрон-транспортная цепь митохондрий. Фитогормоны роста
Ауксины -- это вещества индольной природы. Основным фитогормоном типа ауксина является B -индолилуксусная кислота (ИУК). Открытие ауксинов связано с...
-
Питательные среды для получения липидов - Промышленное получение липидов
Итак, основную роль в процессе биосинтеза липидов играют различные штаммы дрожжей. Они используют те же источники сырья, что и для получения кормового...
-
Рост и размножение бактерий - Физиология микроорганизмов
Микроорганизм бактерия биохимический Рост - увеличение массы клеток, размножение - увеличение чила популяции клетки. Если бактерии культивируются в...
-
ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Как и всем живым организмам микробам присущ обмен веществ. Для построения цитоплазмы они нуждаются в пластическом материале,...
-
Биотехнологическая стадия - Производство биоферментных препаратов
Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов,...
-
Изменения свойств клеток, определяющие рост и размножение. - Строгие постулаты Коха
Большинство нормальных клеток, размножаясь, прикрепляются к субстрату (к стеклянной или пластмассовой стенке сосуда). Нормальные клетки перестают...
-
Рассмотрим сначала питание растительноядных рыб. В Казахстане к ним, прежде всего, следует отнести белого амура, вывезенного с Дальнего Востока и...
-
Микроорганизмы - продуценты липидов - Промышленное получение липидов
Для промышленного использования важное значение имеет способность усиленно накапливать липиды. Этой способностью обладают немногие микроорганизмы, в...
-
Современные стандартизованные методы определения чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам подразделяют на две группы: 1. Диффузные...
-
Таблица 68 - Дифференциация видов и биоваров рода Brucella Признаки В. abortus биовары В. canis В. melitensis В. neotomae В. ovis В. suis Потребность в...
-
Влияние экстремальных факторов на почвенную микробиоту
Введение Результатом возрастающей антропогенной нагрузки на почву являются значительные экологические изменения [10] Промышленное применение пестицидов...
-
Этапы микроклонального размножения растений - Биотехнология микроклонального размножения особей
Процесс клонального микроразмножения можно разделить на 4 этапа: 1. Выбор растения-донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной...
-
В каждом организме (животном, растительном или микробной клетке) все время происходят сложные процессы превращения веществ. Велика роль в этих процессах...
-
Расчет объема культуруальной жидкости
Лабораторная работа Расчет объема культуруальной жидкости Цель работы: Расчет объема культуруальной жидкости в ферментаторе. Эффективность процесса...
-
Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ....
-
Обмен белков - Питательные вещества
После расщепления белков в пищеварительном тракте образовавшиеся аминокислоты всасываются в кровь. В кровь всасывается также незначительное количество...
-
Влияние нитратов в разных концентрациях на рост и развитие головастиков Ranaesculenta L
Влияние нитратов в разных концентрациях на рост и развитие головастиков Ranaesculenta L Проведенный эксперимент позволил выявить закономерность скорости...
-
Вода и растворенные в ней вещества, числе минеральные соли, создают внутреннюю среду организма, свойства к-й сохраняются постоянными или изменяются...
-
На плотных питательных средах микробы растут в виде колоний. Колонии разных микробов отличаются по форме, размерам, консистенции, цвету и другим...
-
Введение, Белки - Анализ пищевых веществ, необходимых для организма человека
Организм человека состоит из белков (19,6 %), жиров (14,7 %), углеводов (1 %), минеральных веществ (4,9 %), воды (58,8 %), Он постоянно расходует эти...
-
Минеральные вещества - Анализ пищевых веществ, необходимых для организма человека
Минеральные, или неорганические, вещества относят к числу не заменимых, они участвуют в жизненно важных процессах, протекающих в организме человека:...
-
В целях повышения эффективности стоматологического ортопедического лечения челюстно-лицевых больных стоит острая необходимость исследования микрофлоры...
-
Какие свойства делают растение полезным - Рожденный в Южной Америке
Научные исследования подтверждают высокое содержание в растении белков, наличие витаминов (витамины А, С, D и Е и группа В) и минеральных веществ (до 4%,...
-
Определение КМАФАнМ - Санитарно-микробиологический анализ мороженой рыбы
Исследуемую рыбу отбирают в количестве не более 3 штук. От каждого экземпляра из нескольких мест вырезают кусочка с кожей и мышцами, не затрагивая...
-
Практическое применение - Генная инженерия
Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и...
-
Факторы, влияющие на интенсивность дыхания - Нуклеиновые кислоты и их структура
Дыхание, подобно другим процессам жизнедеятельности, зависит от факторов среды: температуры, влажности, содержания кислорода, степени освещенности и др....
-
На эффективность микроклонального размножения влияет масса факторов различной природы. Это физиологические особенности вводимого в культуру растения,...
-
Партотит. свойства. характеристика. лаб диагностика - Частная микробиология
Эпидемический паротит (синонимы: свинка, заушница; mumps -- англ.) Parotitis epidemica (от греч. раrа - около, otos - ухо) -- острая вирусная болезнь;...
-
Антропонозные бактериальные инфекции человека, поражающие органы дыхания или мочеполовой тракт. Микоплазмы относятся к классу Mollicutes, Который...
-
Туберкулез --хроническое заболевание человека, сопровождающееся поражением органов дыхания, лимфатических узлов, кишечника, костей и суставов, глаз,...
-
Для оценки распределения CBR в диссоциированных культурах гиппокампа проводили иммуногистохимическое маркирование глиальных клеток, нейронов, а также...
-
Таксономия: отдел Gracilicutes, род Francisella. Возбудитель - Francisella tularensis. Морфология: мелкие кокковидные полиморфные палочки, неподвижные,...
-
Менингококки - Частная микробиология
Морфология и биологические свойств. Менингококк относится к роду нейссерий (Neisseria), который включает, помимо менингококка, ряд непатогенных...
-
Возбудитель скарлатины. Хар-ка - Частная микробиология
Семейство-Sreptococacea включает 6 родов опасных для человека: Streptococcus, Aerococcus, Leuconostoc, Pediococcus, Lactococcus. Стрептококки....
-
Стрептококки. Характеристика - Частная микробиология
Таксономия . Стрептококки относятся к отделу Firmicutes, роду Streptococcus. Род состоит из более чем 20 видов, среди которых есть представители...
-
Этот раздел работы лаборатории предусматривает контроль: А. Внутрилабораторный. Б. Межлабораторный. А. Внутрилабораторный контроль: Бактериологический и...
-
Объект и предмет исследования В качестве Объекта исследования была выбраны сельскохозяйственные культуры: горох (( Pisum sativum L.), сорта...
-
Оценка результатов (написание эпикриза), Рекомендации для пациента - Острый инфаркт миокарда
Захаров Сергей Васильевич, 55 лет, находился на госпитализации в Селятинской районной больнице №5 с 13 мая 2013 года с врачебным диагнозом: острый...
-
Введение, Клетки для тканевой инженерии - Тканевая инженерия в медицине
Одним из направлений биотехнологии, которое занимается созданием биологических заместителей тканей и органов, является тканевая инженерия (ТИ). Тканевая...
-
В составе полцарства выделяют до 10 и больше отделов водорослей; сюда же включают и отдел лишайники. Основные признаки следующие: 1) клетки крупные,...
Разработка эффективной минеральной питательной смеси для интенсификации роста диатомовых водорослей пресноводных водоемов