Регуляция биоизъятия азота и фосфора иммобилизованными клетками микроводорослей в двухстадийной культуре

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 23-44-00006

НазваниеРегуляция биоизъятия азота и фосфора иммобилизованными клетками микроводорослей в двухстадийной культуре

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 №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-301 - Охрана окружающей среды

Ключевые слова микроводоросли, избыточное поглощение, биополимеры, иммобилизованные культуры, биоизъятие, эвтрофикация, сточные воды, биологическая очистка, двухстадийная культура

Код ГРНТИ87.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Эффективность и устойчивость использования элементов минерального питания фототрофными организмами, прежде всего, азота (N) и фосфора (P) — комплексная, по-прежнему крайне актуальная проблема. Её решение требует фундаментальных исследований механизмов поглощения и запасания макронутриентов клетками, а также прикладного анализа подходов к созданию биотехнологий для устойчивого использования макронутриентов. С одной стороны, необходимо максимизировать повторное использование N и P при производстве минеральных удобрений, пищевого сырья и пищи. С другой стороны, необходимо защитить окружающую среду (прежде всего, природные водоёмы) от эвтрофикации и иных негативных последствий нерационального использования удобрений и прочих форм биодоступных макронутриентов. Один из ключевых подходов к решению вышеперечисленных проблем — использование биоизъятия макронутриентов из сточных вод и иных бросовых ресурсов культурами микроводорослей и водорослёво-бактериальных сообществ. Фототрофные микроорганизмы, эволюционировавшие преимущественно в олиготрофных средах, адаптированы к нестабильной доступности N и P в окружающей среде. В частности, микроводоросли и цианобактерии выработали молекулярные механизмы для избыточного поглощения и запасания фосфора внутри клетки, преимущественно в виде полифосфатных гранул. В отличие от азотного и фосфорного голодания, процессы избыточного поглощения фосфора, их механизмы и регуляция изучены крайне слабо. Одна из целей предлагаемого проекта — изучение закономерностей избыточного поглощения N и P микроводорослями и их сообществами с гетеротрофными бактериями в зависимости от биодоступности этих элементов, а также исследование механизмов регуляции этого процесса. Ключевой особенностью проекта будет использование культур, иммобилизованных на инновационных биокомпозитных материалами, которые будут выполнять функцию биосовместимых носителей для клеток микроорганизмов. Это позволит наделить разрабатываемый подход всеми преимуществами использования иммобилизованных культур, а именно более высокой устойчивостью к стрессорам и технологичностью (иммобилизованную биомассу намного проще и дешевле собрать для дальнейшей переработки). Однако реализация «зелёных» биотехнологий на основе иммобилизованных клеток осложнялась дороговизной биосовместимых полимерных носителей для клеток. Мы предлагаем использовать в качестве носителей для иммобилизованных культур существенно более дешёвые биокомпозиты на основе растительных отходов, получение и всестороннее тестирование которых входит в приоритетные задачи настоящего проекта. При этом процесс иммобилизации монокультур и ассоциаций будет рассмотрен как один из возможных способов интенсификации накопления макронутриентов клетками микроорганизмов и повышения толерантности к высоким его концентрациям в среде. Особое внимание партнёры планируют уделить технологиям биосинтеза полимерных биосовместимых, биодеградируемых биокомпозитных носителей, применение которых позволит увеличить стресс-толерантность микроорганизмов и решить проблему преждевременного выноса клеток из культивационной системы. В дополнение будут разработаны эффективные протоколы иммобилизации клеток и сообществ на созданных биополимерных носителях. Также будет получена характеристика стабильности и кинетики поглощения фосфора и азота из сточных вод иммобилизованными водорослево-бактериальными консорциумами, а также кинетики накопления биомассы под влиянием различных условий культивирования и доступности макронутриентов в среде. Реализация проекта завершится анализом пригодности полученной биомассы, иммобилизованной на биокомпозитных носителях, к внесению в почву в качестве удобрений. Будет исследовано влияние внесения иммобилизованной биомассы на развитие корневой системы и надземной части культурных растений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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

2. СОЛОВЧЕНКО А.Е., ГОРЕЛОВА О.А., СЕЛЯХ И.О., СЕМЕНОВА Л.Р., ЩЕРБАКОВ П.Н., ВАСИЛЬЕВА С.Г., ЗАЙЦЕВ П.А., ШИБЗУХОВА К.А., ЧИВКУНОВА О.Б., БАУЛИНА О.И., ЛУКЬЯНОВ А.А., ЛОБАКОВА Е.С. УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции с международным участием. Иркутск, 2023, УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции с международным участием. Иркутск, 2023 Издательство: Иркутский государственный университет 65 с. (год публикации - 2023)

3. Соловченко А.Е. Seeing good and bad: Optical sensing of microalgal culture condition Algal Research, Volume 71, 2023, article # 103071 (год публикации - 2023)
10.1016/j.algal.2023.103071

4. Васильева С., Шибзухова К., Чивкунова О., Антипова К., Морозов А., Лобакова Е. Immobilization on Polyethylenimine and Chitosan Sorbents Modulates the Production of Valuable Fatty Acids by the Chlorophyte Lobosphaera sp. IPPAS C-2047 Journal of Marine Science and Engineering, V. 11, article # 865 (год публикации - 2023)
10.3390/jmse11040865

5. Усман М., Алам М.А., Су К., Цзяо А., Мехмуд М.А., Бейцзяо Ц., Шахид А., Солвоченко А.Е., Цзиньлян С. Starvation-induced metabolic adaptations in immobilized Desertifilum tharense BERC-3 for improved nutrient recovery from swine wastewater Journal of Environmental Chemical Engineering, 13 (2025) 120133 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jece.2025.120133

6. Плувье М., Батиа Н., Шурыгин Б., Соловченко А. Advanced imaging for microalgal biotechnology Algal Research, Vol. 82, paper # 103649 (год публикации - 2024)
10.1016/j.algal.2024.103649

7. 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

8. Казаков Г., Зайцев П., Чудаев Д., Паршина Е., Моисеенко А., Зайцева А., Федоренко Т., Боков М., Мойзеш П., Лобакова Е., Соловченко А. The Turnover and Possible Physiological Significance of Purine Crystals in the Cells of the Chlorophytes from the Genus Coelastrella (Scenedesmaceae, Chlorophyta) Russian Journal of Plant Physiology, Russian Journal of Plant Physiology, 2024, Vol. 71:121 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724606098

9. Усман М., Хан А., Малик С., Цзион В., Элв Я., Чжань С., Цзяо А., Соловченко А., Алам М., Алесса А., Аамер М., Цзю Ц. A novel integrated approach employing Desertifilum tharense BERC-3 for efficient wastewater valorization and recycling for developing peri-urban algae farming system Chemosphere, V. 361, paper # 142527 (год публикации - 2024)
10.1016/j.chemosphere.2024.142527

10. О. Горелова, О. Карпова, О. Баулина, Л. Семенова, П. Щербаков, О. Чивкунова, И. Селях, Л. Семенова, П. Щербаков, О. Чивкунова, С. Васильева, Е. Лобакова, А. Соловченко Mutual interference of phosphorus starvation and diazotrophy in the cyanobacteria Nostoc sp. PCC 7120 Protoplasma, Protoplasma (2025). (год публикации - 2025)
10.1007/s00709-025-02133-2

11. Соловченко А.Е., Лобакова Е.С., Семенов А.Н., Горелова О.А., Федоренко Т.А., Чивкунова О.Б., Паршина Е.Ю., Максимов Г.В., Случанко Н.Н., Максимов Е.Г. Multimodal non‑invasive probing of stress‑induced carotenogenesis in the cells of microalga Bracteacoccus aggregatus Protoplasma, Volume 261, pages 1051–1071 (год публикации - 2024)
10.1007/s00709-024-01956-9

12. Усман М., Алам М., Шахид А., Бейцзяо Ч., Хан А., Чжао А., Соловченко А., Мехмуд М., Цзиньлян С. Sustainable immobilization strategy for Desertifilum tharense BERC-3 on corncobs to enhance biomass production and high-value metabolites Journal of Environmental Chemical Engineering, Т. 13. № статьи 117378. (год публикации - 2025)
10.1016/j.jece.2025.117378

13. Тахир Ф., Акбар И., Соловченко А. Algae biotechnology for sustainable development goals: Policy-making and global cooperation initiatives Algae Biotechnology - Decarbonization, Resource Recovery, and Bioproducts (Elsevier) (год публикации - 2025)
10.1016/B978-0-443-34063-5.00017-9

14. Чжао А., Дуан Цю, Гуо Я., Юй Ц., Чжан Б., Лю Й., Соловченко А., Чен Ц., Сюй Ц. High-cell-density heterotrophic cultivation of Chlorella pyrenoidosa for single cell protein Algal Research, 2025, 104472 (год публикации - 2025)
10.1016/j.algal.2025.104472

15. Шахид А., Фан Ч., Чжао А., Мехмуд А., Чан Ч.-С., Соловченко А.Е., Алам М., Сюй Ц. Sensory chemistry of Spirulina: Unveiling trends and innovations in aromatic volatile organic compound biosynthesis in off-flavors and odor mitigation strategies Trends in Food Science & Technology, Volume 156, February 2025, 104886 (год публикации - 2025)
10.1016/j.tifs.2025.104886

16. Ю. С. Петронюк, Е. А. Храмцова, К. Г. Антипова, С. Г. Васильева, А. Н. Богаченков, А. Е. Соловченко, Т. Е. Григорьев ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГУБЧАТЫХ БИОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 1, № 1, с. 130–136 (год публикации - 2025)
10.1134/S1062873824709280

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Существование микроводорослей в прикрепленном (иммобилизованном) состоянии, например, в биопленках - широко распространенная в природе стратегия выживания клеток в неблагоприятных условиях. Искусственно иммобилизованные клетки микроводорослей рассматривают как природоимитирующие материалы для получения биомассы и ценных метаболитов, сбора урожая, очистка водных акваторий и сточных вод от тяжелых металлов и других загрязнителей. Преимущества иммобилизованных культур - упрощение сбора биомассы, продление срока эксплуатации культуры, и повышение их устойчивости к действию неблагоприятных факторов. С учётом сказанного целью проекта явилось изучение особенностей избыточного поглощения макронутриентов (азота и фосфора) клетками микроводорослей, иммобилизованных на новых биокомпозитных носителях. Описаны темпы биодеградации композиционных носителей в ходе инкубации с иммобилизованными на них клетками микроводорослей. Электронно-микроскопические изображения дали информацию о размерных характеристиках носителей и динамику развития сопутствующих микроводорослям гетеротрофных бактерий. Полученные данные важны для оценки биостойкости и биодеградируемости новых биогибридных материалов. Второй год реализации проекта был посвящен всестороннему структурному, физико-химическому и биологическому исследованию новых типов композиционных полимерных носителей — полимеров на основе хитозана с природными наполнителями и различными сшивками. Совместно с иностранными партнерами продолжались исследование параметров иммобилизации микроводорослей. Обоими исследовательскими группами были опробованы новые модельные штаммы микроводорослей для решения вышеперечисленных задач. Были подтверждены результаты первого года проекта: новые биокомпозитные носители для клеток микроводорослей продемонстрировали высокую степень биосовместимости с микроводорослями. Это было продемонстрировано, в частности, на примере мониторинга фотосинтетической активности – практически во всех случаях фотосинтетический аппарата микроводорослей оставался активным, эффективно преобразовывая энергию поглощенного света в полезную форму. Как следствие, иммобилизованные микроводоросли, в целом, активно размножались на носителях, эффективно изымая из среды культивирования биогенные элементы – азот и фосфор, что важно для использования биогибридных материалов в технологиях для защиты окружающей среды. Показано, что для поддержания высокой эффективности этих процессов иммобилизованные культуры должны быть обеспечены световой энергией: эффективность поглощения нутриентов возрастала при повышении интенсивности освещения. Эту особенность необходимо учитывать при разработке культивационных систем для выращивания иммобилизованных культур. Также было показано, что удобным инструментом управления физиологическим состоянием культур, в частность, их способностью к поглощению фосфора является контролируемо фосфорное голодание: после пред-инкубации в среде, не содержащей биодоступного фосфора, способность к поглощению этого элемента повышается как у суспензионных, так и у иммобилизованных культур микроводорослей. Это проявляется в соответствующих кинетиках изменений остаточного содержания ортофосфата в среде культивирования. Дополнительно было установлено, что культуры исследованных штаммов микроводорослей, иммобилизованные на композиционных носителях, более успешно противостоят неблагоприятным факторам – свету высокой интенсивности, азотному и фосфорному голоданию. По-видимому, хитозановый носитель сам может служить источником азота, который освобождается под действием внеклеточных ферментов иммобилизованных на нём клеток.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Реализованный проект посвящен исследованию важных аспектов биологии иммобилизованной фототрофной клетки, включая её морфологию и ультраструктуру, минеральное питание, фотосинтетическую продуктивность и стресс-толерантность. В качестве модельных объектов использовали оригинальные штаммы микроводорослей с высоким биотехнологическим потенциалом и разработанные в ходе реализации проекта композиционные биополимеры. В основе проекта лежала парадигма искусственно иммобилизованных клеток как природоподобных систем, в определенной мере аналогичных биопленкам. Прикладной аспект исследований связан с применением иммобилизованных культур для получения возобновляемого сырья для производства ценных субстанций, очистки водных акваторий и сточных вод от избытка биодоступного азота, фосфатов и других загрязнителей. В проекте оценивали и использовали преимущества иммобилизованных культур с точки зрения биотехнологии (упрощение сбора биомассы, продление срока жизни культуры, повышение её устойчивости к действию неблагоприятных факторов). Ключевые результаты проекта в отчетном периоде касались влияния типа носителя и его наполнителя на эффективность иммобилизации и способность культур микроводорослей к биоизъятию нитрата и фосфата. Показано, что иммобилизованные клетки опережали суспендированные культуры в отношении этих параметров. Кроме того, как в суспензионных, так и в иммобилизованных на носителях клетках Chlorococcum sp. после восстановления фосфорного питания наблюдали накопление полифосфатных включений и смешанных азотно-фосфорных включений, локализованных главным образом в вакуолях клеток. Особое внимание уделяли анализу микробиома суспензионных и иммобилизованных культур как до, так и после внесения в почву при выращивании растений салата. В суспензионной культуре в отсутствии фосфатов преобладали бактерии, стимулирующие рост культур микроводорослей—представители группы PGPR (рода Variovorax, Bosea, Devosia). После добавления фосфатов структура бактериального сообщества как суспензионных, так и иммобилизованных клеток существенно изменялась, снижалась доля PGPR-бактерий. Доля бактерий, проявляющих антимикробную активность (Pseudoxanthomonas и Variovorax) в микробиоме суспензионной культуры и иммобилизованной на хитозане без наполнителей, снизилась практически до нулевых значений. Также было выявлено избирательное заселение носителей клетками микроорганизмов, а оценка β-разнообразия показала, что хитозановые носители с биомассой МВ и без неё привлекали ограниченное число видов микроорганизмов. При внесении в почву наблюдали значительное увеличение представителей Rhizobiaceae, а также Devosiaceae, способных к фиксации азота. Важным результатом является регистрация стимулирующего эффекта внесения суспензий и иммобилизованных микроводорослей на рост культурных растений. Показано, что биомасса микроводорослей, иммобилизованная на носителях, может использоваться в качестве субстрата для проращивания и добавки к субстрату для выращивания растений. Таким образом, на заключительном отрезке реализации проекта получены важные результаты, проливающие свет на взаимодействие растений и биомассы иммобилизованных на биодеградируемых носителях микроводорослей.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых культивационных систем для выращивания иммобилизованных водорослевых культур и микробных сообществ 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). Отдельный практический интерес представляет использование носителей с иммобилизованными культурами как субстратов для проращивания семян культурных и декоративных растений, а также как добавок, улучшающих свойства почвы.