Влияние опасных микрополлютантов на водорослёво-бактериальные сообщества и их эффективность в биологической очистке сточных вод

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-74-20004

НазваниеВлияние опасных микрополлютантов на водорослёво-бактериальные сообщества и их эффективность в биологической очистке сточных вод

Руководитель Соловченко Алексей Евгеньевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова микрополлютанты, микроводоросли, микробиом, биобезопасность, антибиотики, наночастицы, биоизъятие, сточные воды

Код ГРНТИ34.27.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Опасные микрополлютанты (hazardous micropollutants, emerging micropollutants), ОМП — соединения (антибиотики, фармсубстанции) и наночастицы, попадающие в бросовые потоки (такие как муниципальные и промышленные сточных водах) в низких концентрациях, но обладающие высокой биотоксичностью. Острота проблемы опасных (хазардных) микрополлютантов водной среды — антибиотиков, лекарственных веществ, наночастиц — стремительно увеличивается в связи с ростом потребления (и, соответственно, сброса в окружающую среду) медикаментов и препаратов, содержащих наночастицы. «Классические» технологии биологической очистки малоэффективны для устранения ОМП, поскольку их основа — бактериальные консорциумы активного ила — ингибируются этими соединениями. Эффективные технологии устранения ОМП, основанные на их сорбции и (термо)химической деструкции, дороги и пока не могут быть тиражированы на очистных сооружениях. В настоящее время эффекты ОМП хорошо изучены только для ограниченного спектра соединений и только в лабораторных условиях. В частности, мало данных о синергических эффектах ОМП в консорциумах микроорганизмов в системах очистки сточных вод. Серьёзное беспокойство вызывает обогащение природных сообществ патогенными и условно патогенными микроорганизмами, резистентными по отношению к антибиотикам, под влиянием ОМП, поступающими со сточными водами. В качестве одного из наиболее перспективных решений проблемы ОМП предложено использование монокультур и консорциумов оксигенных фототрофных микроорганизмов (цианобактерий и микроводорослей). Последние обладают высоким потенциалом для поглощения и деструкции ОМП благодаря выделяемому при фотосинтезе кислороду (фотосинтетической аэрации) и биосинтезу фотосенсибилизаторов окислительной деструкции ОМП. В связи с вышесказанным весьма актуальна задача изучения влияния ОМП на структуру и функциональный статус сообществ, содержащих цианобактерии и микроводоросли, что и является целью предлагаемого проекта. В рамках его реализации предполагается использовать ресурсы ОИ (Национального банка-депозитария живых систем) для создания модельных ОМП, подбора репрезентативных монокультур микроорганизмов, а также природных и реконструированных сообществ для исследования эффектов ОМП. Особое внимание планируется уделить влиянию иммобилизации сообществ на полимерных носителях на ОМП-резистентность, скорость деструкции ОМП и эффективность изъятия макронутриентов. Впервые будет исследована динамика структуры сообщества микробных сообществ при действии концентраций ОМП, сопоставимых с их реальным уровнем в современных сточных водах. Исследование акцентировано на мониторинге динамики и разнообразия патогенных и условно-патогенных бактерий, потенциально токсичных цианобактерий. «Изюминкой» проекта станет анализ влияния синергических эффектов наночастиц и других ОМП, а также влияние различных ОМП на разнообразие и обогащение сообществ видами, несущими гены — детерминанты резистентности к антибиотикам, и гены, контролирующие синтез цианотоксинов. Проект предполагается реализовать с применением передовых методов метабаркодинга и функциональной метагеномики, майнинга полногеномных данных, а также классических методов тонкой химической аналитики, микробиологии и биотехнологии. Реализация проекта позволит точнее оценить негативные эффекты ОМП на эффективность систем биологической очистки сточных вод, нежелательную резистентность к антибиотикам и продукцию цианотоксинов. Результаты проекта также позволят лучше понять краткосрочные и отдалённые последствия присутствия ОМП для стабильности микробиома природных и искусственных сообществ. Важным предполагаемым результатом станут научно-теоретические основы использования микроводорослей и сообществ на их основе для устранения ОМП с целью создания адаптивных технологий биологической очистки, совместимых с «классическими» процессами очистки сточных вод.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фёдорова О., Гродецкая Т., Евтушенко Н., Евлаков П., Гусев А., Захарова О. The impact of copper oxide and silver nanoparticles on woody plants obtained by in vitro method IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, O Fedorova et al 2021 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 875 012048 (год публикации - 2021)
10.1088/1755-1315/875/1/012048

2. А.А. Гусев, О.В. Захарова, И.А. Васюкова, Н.А. Евтушенко, С.Г. Васильева, А.А. Лукьянов, Е.С. Лобакова, Е.В. Скрипникова, А.Е. Соловченко Наночастицы в водной среде: риски и возможности их контроля с помощью микроводорослей Вестник Московского Университета. Серия 16. Биология, 2021. Т. 76. № 4. C. 202–212 (год публикации - 2021)

3. Васильева С. Г. , Горелова О. А. , Баулина О. И., Лобакова Е. С. Subcellular Localization of Manganese in Two Green Microalgae Species with Different Tolerance to Elevated Mn Concentrations Russian Journal of Plant Physiology, Т. 69, В. 5, статья 94 (год публикации - 2022)
10.1134/S1021443722050223

4. Васюкова И.А., Захарова О.В., Кузнецов Д.В., Гусев А.А. Synthesis, Toxicity Assessment, Environmental and Biomedical Applications of MXenes: A Review Nanomaterials, Vol. 12, Article 1797 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12111797

5. Соловченко А.Е., Лукьянов А.А., Васильева С.Г., Лобакова Е.С. Chlorophyll fluorescence as a valuable multitool for microalgal biotechnology Biophysical Reviews, Vol. 14, P. 973–983 (год публикации - 2022)
10.1007/s12551-022-00951-9

6. С.Г. Васильева, П. А. Зайцев, О. И. Баулина, Е. С. Лобакова, А. Е. Соловченко, О. А. Горелова Potential of the Microalgae Micractinium simplicissimum IPPAS C-2056 for the “Green” Synthesis of Manganese, Iron, and Phosphorus Nanoparticles Nanobiotechnology Reports, Vol. 18, No. 1, pp. 47–55 (год публикации - 2023)
10.1134/S2635167623010160

7. С.П. Чеботарева, О.В. Захарова, П.А. Баранчиков, Е.А. Колесников, А.А. Гусев Assessment of the Potential of Using Microalgae from the Genus Desmodesmus for the Bioremediation of Water Polluted with TiO2 Nanoparticles Nanobiotechnology Reports, Vol. 18, No. 3, pp. 352–361 (год публикации - 2023)
10.1134/S2635167623700234

8. Васильева С., Лукьянов А., Антипова К., Григорьев Т., Лобакова Е., Чивкунова О., Щербаков П., Зайцев П., Горелова О., Федоренко Т., Кочкин Д., Соловченко А. Interactive Effects of Ceftriaxone and Chitosan Immobilization on the Production of Arachidonic Acid by and the Microbiome of the Chlorophyte Lobosphaera sp. IPPAS C-2047 International Journal of Molecular Sciences, V. 24, Article # 10988 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241310988

9. Чеботарева С.П., Захарова О.В., Гусев А.А., Баранчиков П.А., Колесников Е.А., Якушева А.С., Скрипникова Е.В., Лобакова Е.С., Сюй Ц., Алам М.А., Соловченко А.Е. Assessment of the Tolerance of a Chlorophyte Desmodesmus to CuO-NP for Evaluation of the Nanopollution Bioremediation Potential of This Microalga Nanomaterials, V. 13, article # 737 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13040737

10. Волгушева А., Тодоренко Д., Байжуманов А., Чивкунова О., Соловченко А., Антал Т. Cadmium‑ and chromium‑induced damage and acclimation mechanisms in Scenedesmus quadricauda and Chlorella sorokiniana Journal of Applied Phycology, Vol. 34, pages1435–1446 (год публикации - 2022)
10.1007/s10811-022-02747-6

11. Щербаков П.Н., Селях И.О., Семенова Л.Р., Чивкунова О.Б., Баулина О.И., Карпова О.В., Лобакова Е.С. Physiological and Ultrastructural Responses of Nostoc sp. (Cyanobacteriota) Strains to Phosphorus Starvation under Non-Diazotrophic Conditions MICROBIOLOGY (MIKROBIOLOGIYA), Vol. 93, No. 6, pp. 812–825. (год публикации - 2024)
10.1134/S0026261724605359

12. Соловченко А.Е., Селях И.О., Семенова Л.Р., Щербаков П.Н., Зайцева А.А., Зайцев П.А., Федоренко Т.А., Алам М.А., Цзю Ц., Лукьянов А.А., Михайлова Е.С., Лобакова Е.С. A local or a stranger? Comparison of autochthonous vs. allochthonous microalgae potential for bioremediation of coal mine drainage water Chemosphere, V. 365, paper # 143359 (год публикации - 2024)
10.1016/j.chemosphere.2024.143359

13. Соловченко А., Плювье М., Хозина-Гольдберг И. Getting Grip on Phosphorus: Potential of Microalgae as a Vehicle for Sustainable Usage of This Macronutrient MDPI Plants, V. 13. Iss. 13. Paper # 1834. (год публикации - 2024)
10.3390/plants13131834

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект был посвящен комплексным исследованиям влияния различных типов опасных микрополллютантов, ОМП (антибиотики, нестероидные противиовоспалительные препараты и разнообразные наночастицы, НЧ) на состояние модельных монокультур микроводорослей и микробных сообществ очистных сооружений. Для решения задач проекта были разработаны неинвазивные методы мониторинга состояния культур микроводорослей. Были также сопоставлены традиционные методы анализа таксономической структуры микробных сообществ (ДНК-метабаркодинг на платформе Illumina) с относительно новым методом, основанным на использовании длинных чтений, полученных с применением технологии Oxford Nanopore. Показано, что концентрации ОМП, сопоставимые с концентрациями, выявляемыми в окружающей среде, действительно не вызывают острой токсичности у фототрофных микроорганизмов, однако изменения структуры микробных сообществ, вызванные даже кратковременной экспозицией под действием ОМП, могут быть значительными. Показано, что микроводоросли благодаря способности к выделению кислорода в ходе фотосинтеза способствуют окислительной деградации лекарственных веществ. При этом использование водорослевых культур, иммобилизованных на полимерных биодеградируемых носителях, повышает эффективность процесса, в т. ч. за счет сорбции ОМП на самом носителе. Следует, однако, учитывать возможность резкого ингибирования метаболизма иммобилизованных микроводорослей при повышении локальной концентрации ОМП, сорбированного на носителе. Важным итогом реализации проекта стало понимание неоднозначности действия ОМП, включая НЧ, на состояние и метаболизм микроводорослей и ассоциированных с ними гетеротрофных бактерий. Иными словами, наночастицы способны как ингибировать, так и стимулировать жизнедеятельность микроводорослей в зависимости от концентрации токсиканта и его времени воздействия на клетки. Мониторинг состояния фотосинтетического аппарата выявил наличие характерных пиков на кинетиках изменения параметров флуоресценции хлорофилла. В целом, это явление соответствует описанию гистерезиса, часто наблюдаемого при действии неблагоприятных факторов, прежде всего токсикантов, на живые организмы. Дальнейшее изучение физиологии иммобилизованной на хитозановых полимерах клеток Lobosphaera показало, это клетки этой микроводоросли способны к эффективному изъятия нитратов и фосфатов из среды, а также к деградации самого антибиотика. Существенно, что по окончании процесса очистки «отработавшие» клетки иммобилизованной культуры могут использоваться для получения биомассы, обогащенной ценными ПНЖК, в том числе арахидоновой кислотой. Анализ динамики сообщества гетеротрофных бактерий и культуры микроводоросли Lobosphaera показал, что клетки бактерий активно заселяют, вместе с водорослями, поверхность биополимеров при иммобилизации микроводорослей. Кроме того, на поверхности иммобилизованных клеток микроводоросли наблюдается формирование тяжей внеклеточного полимерного матрикса, а затем — микробных биопленок. В целом, действие антибиотика приводит к направленным сдвигам в структуре популяции бактерий-ассоциантов, а также к сужению их биоразнообразия. Исследование влияние лекарственных веществ на морфофизиологические свойства и метагеномы АБС водоочистных сооружений, формирующихся на основе микроводорослей и (или) цианобактерий продемонстрировало обогащение АБС антибиотикоустойчивыми бактериями в этих условиях. Несмотря на сохранение темпов изъятия фосфора, генетически детерминированный потенциал сообщества в плане его способности к изъятию биогенных элементов проявлял тенденцию к снижению. Параллельно наблюдали замену исходно присутствовавших в сообществе цианобактерий на эукариотические микроводоросли. Несмотря на значительный объём данных об изменении метаболизма исследованных АБС, полученный с помощью алгоритма PICRUSt2, они не позволяют однозначно судить о направленности изменения метаболического потенциала сообществ. Причиной является ограничение по точности идентификации микроорганизмов, накладываемое методом ДНК метабаркодинга на платформах NGS, результаты которого использует алгоритм PICRUSt2. Напротив, анализ необработанных длинных чтений (с применением алгоритмов сервиса BugSeq) обнаружил присутствие в метагеномах АБС, инкубированных в присутствии антибиотика, рост представленности маркеров устойчивости к антибиотикам. Существенно также, что наблюдали рост представленности генов устойчивости к иным видами антибиотиков, не использовавшихся в данной работе. Таким образом, выполненное исследование подтверждает принципиальную возможность постепенного формирования неспецифичной и (или) перекрестной (множественной) лекарственной устойчивости, в том числе к антибиотикам, у микроорганизмов из сообществ очистных сооружений под действием лекарственных веществ, попадающих в муниципальные сточные воды. Также результаты указывают на большое значение технологии нанопорового секвенирования для более удобного, точного и информативного мониторинга микробных сообществ. Итоги проекта позволяют утверждать, что, с учетом вышеупомянутых ограничений, биотехнологии, основанные на микроводорослях и водорослево-бактериальных консорциумах, являются многообещающей альтернативой для переработки сточных вод, содержащих ОМП. Дальнейшие направления исследований включают поиск толерантных штаммов, способных разрушать ОМП, а также выделение штаммов с высокой чувствительностью к ОМП также важно для разработки чувствительных методов биоиндикации. Вызывает тревогу рост представленности носителей генов антибиотикорезистентности, обнаруженный в исследованных нами модельных системах даже за столь краткое время эксперимента. В этой связи очевидна необходимость мониторинга структуры микробных сообществ очистных сооружений метагеномными методами — это позволит управлять рисками, связанными с распространением антибиотикорезистентных, потенциально патогенных микроорганизмов. Необходимость решения этих задач тем острее, чем быстрее и шире распространяются технологии, использующие антибиотики, НЧ и наноматериалы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Возможностью практического использования характеризуются следующие результаты проекта: - подходы к разработке новых способов и устройств для мониторинга микробных сообществ, включая альго-бактериальные сообщества, в местах с высоким риском распространения антибиотикорезистентной патогенной и условно-патогенной микрофлоры (очистные сооружения); - наработки для технологий иммобилизованного культивирования микроводорослей для применения в технологиях, ориентированных на защиту окружающей среды и устойчивое использование ценных ресурсов (в частности, извлечение ценных соединений из бросовых ресурсов, таких как сточные воды).