Результаты исследования обрастания микроводорослями пластикового мусора

04.05.2021 JeeesAdmin 2019-04 0

О.Ю. Калинина1[0000-0001-9446-9149], Ф.В. Сапожников2[0000-0002-3239-6543]

Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия 2

Институт океанологи им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия

E-mail: 1 bio-energymsu@mail.ru, 2 fil_aralsky@mail.ru.

Аннотация. Загрязнения пластиком водоемов Мира является большой проблемой. Цель работы – изучение механизмов и форм обрастания микроводорослями пластикового мусора в морях и пресных водах. На основании полученных результатов наблюдений в природных условиях и экспериментах сделан вывод, что культивированию водорослей для биодизеля на новых полимерных субстратах приобретает перспективное значение.

Ключевые слова: пластик, микроводоросли, эпипластон, культивирование, биодизель.

1. Введение

В настоящее время во всех водоемах Мира все больший масштаб приобретает проблема загрязнения пластиком. В период с 2014 по 2019 годы были изучены механизмы и формы обрастания микроводорослями различных видов пластика среди естественных водоемов, а также в натурных и лабораторных экспериментах. Данные натурных и экспериментальных наблюдений позволили сделать ряд выводов, касающихся возможности эффективного культивирования микроводорослей (диатомей, цианобактерий и пингвиофитов) из числа обрастателей на поверхности определенных видов пластика, имеющего заданную конфигурацию.

2. Задачи исследования

Проблема загрязнения пластиком гидросферы приобрела планетарный масштаб и требует детального изучения, а также предложений возможных путей ее решения[1, 2]. Результаты исследований микрофитногооброста пластика в разных локациях водоемов мира показали, что различные субстраты этого типа успешно колонизируются экстремотолерантными видами диатомей, сине-зелеными водорослями, пингвиофитами и некоторыми зелеными микроводорослями. Спектры природных условий в этих локациях разнились по среднесуточной температуре, воды, продолжительности светового дня, наличию/ отсутствию ледового покрова, солености, интенсивности течений и широтной локализации биотопов. При этом наблюдения показали, что характер развития микроэпифитных сообществ на поверхности пластика на прямую связан с особенностями его микрорельефа. Колониальные поселения отдельных видов микрофитов оказались приурочены к микротопическим элементам поверхности субстрата (бороздкам, бугоркам, складкам, трещинам, ребристым выступам и т.д) Сообщества колонизирующие пластик как правило содержат небольшое число видов [3], способных выживать и успешно размножаться в условиях поверхности водоема: при высокой инсоляции, существенных суточных перепадах температуры, эффекте высаливания при интенсивном испарении и повышенной турбулентности. Кроме того наблюдения показали что развиваясь в этих условиях клетки микрофитов накапливают большее количество запасных продуктов в частности нейтральные липиды, чем в обычных для них условиях на естественных субстратах водоемов. Изучив обрастания разных видов пластика в 20 локациях Мира разнящихся по комплексам природных условий Рис.1 мы приступили к постановке натурных экспериментов по изучению обрастания разных видов пластика в Черном море, Карантинная бухта [4] . Для этого были смонтированы оригинальные экспериментальные установки на которых экспонировались в толще воды образцы пластиков 11 видов (полиэтилен низкого давления (белый, прозрачный и розовый) сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокого давления гладкий и пористый, ПЭТ бесцветный и бурый, полипропилен прозрачный и белый, а также полилактид гофрированный и гладкий) на 10 разных глубинах в трех повторностях с экспозицией 1.5 месяца (рис 2). В результате был получен интенсивный оброст, детально проанализированный в лабораторных условиях с применением СЭМ и световой микроскопии. Было отмечено, что при одинаковом видовом составе структура эпипластонныхценозов на разных видах пластика не одинакова. В частности было отмечено, что полиэтилен и полилактид с гофрированной поверхностью обрастают интенсивнее и разнообразнее образцов с гладкой поверхностью.

Рис. 1. Картосхема распределения по водоёмам Земного шара локаций отбора проб, на основании которых были получены результаты по обросту пластика микрофитами: 1 — Балтийское море, Зеленоградск, 2 — оз. Байкал, восточная часть, 3- Большое Аральское море, 4 — Малое Аральское море, 5 — Восточный Каспий, Актау, 6 — озеро Иссык-Куль, 7 — Чёрное море, Севастопольская бухта, 8 — Чёрное море, Гурзуф, 9 — Ионическое море, о-в Корфу, 10 — Восточная Атлантика, Сале (Марокко), 11 — Северный ледовитый океан, Баренцбург (арх. Шпицберген), 12 — Северный ледовитый океан, бровка шельфа Баренцева моря, 13 — Центральная Атлантика, о-в Сантьягу (о-ва Зелёного Мыса), 14 — Аравийское море, Мумбай, 15 — Южно-Китайское море, Ня-Чанг, 16 — Западная часть Индийского Океана, Танзания, 17 — Южная Атлантика, Кейптаун, 18 — Западная Атлантика, Монтевидео, 19 — Южный океан, о-в Кинг-Джордж, 20 — Эгейское море, Бодрум.
Рис. 2. Элементы оригинальной опытно-экспериментальной установки, использованной
для обрастания образцов разных видов пластика в Карантинной бухте Чёрного моря.

При этом развитие наиболее массовых колониальных поселений диатомей происходило на вогнутых участках поверхностей (по складкам и бороздам)(рис 3). Здесь они находились в притененных от поверхностной микротурбулентности участках микрорельефа, и находились тем не менее в зоне интенсивного обмена биогенов и освещении. Также мы изучили в лабораторных условиях процессы обрастания разнотипного пластика с использованием жидких искусственных сред, в условиях естественного и искусственного освещения, а также сравнили результаты наблюдений за микрофитами при выделении их в чистые культуры с мониторингом на выработку нейтральных липидов для нужд биодизеля. Результаты сравнения подтвердили наше предположение о специфическом расселении разных видов микрофитов по отдельным элементам микрорельефа поверхности полимерных субстратов. Кроме того, на этих субстратах нами были отмечены в лабораторных условиях хорошие показатели роста некоторых видов микрофитов.

Рис. 3. Развитие колониальных поселений Halamphoracf. сymbiferaна складчатой поверхности полилактида, в эксперименте.
Рис. 4. Использование микрофитами в обрастаниях элементов неоднородности поверхности субстрата:А,Б — более интенсивный рост клеток Nitzschiacommunisна пучках кристаллов гипса при развитии на агаризованной среде; В,Г,Д — интенсивное развитие колониальных поселений на абразионных бороздках на поверхности полиэтилена низкого давления.

3. Выводы

На основании полученных нами результатов наблюдений в природных условиях и в экспериментах, мы приходим к выводу, что для эффективного культивирования штаммов микроводорослей, кандидатных для производства биодизеля, на жидких питательных средах, приобретает перспективное значение использование в качестве подвесного, либо плавучего субстрата некоторых видов пластика. Это повысит площадь поверхности соприкосновения с жидкой средой для тех видов микроводорослей, что активно колонизируют пластиковый субстрат и при этом накапливают большое количество ненасыщенных жирных кислот. В частности, мы рекомендуем применять для этих целей гофрированные или тонко-абразивные (с бороздками на поверхности) образцы полиэтилена низкого давления и полилактида. Для дополнительного увеличения общей контактной поверхности обрастания с питательной средой при интенсивной циркуляции среды в реакторе, лучше будет применять образцы полимеров цилиндрической формы, поверхность которых будет увеличена за счёт борозд, глубина и ширина которых сопоставимы с размерами клеток микрофитов.

Литература

  1. Сапожников Ф.В., Калинина О.Ю., Снигирева А.А., Альгобактериальные ценозы на поверхности различных видов пластика(микропластон) в прибрежной зоне эгейского моря (дистрихтБодрум, Турция). Труды VII Международной научно-практической конференции “Морские исследования и образование (MARESEDU-2019)”, 2019, 351-359.
  2. Рябушко Л.И., Бондаренко А.В., Сапожников Ф.В., Калинина О.Ю., Диатомовые обрастания синтетических полимерных материалов в Карантинной бухте (Крым, Черное море). Вопросы современной альгологии. 2019 (20)№2, 87-91.
  3. Калинина О.Ю., Сапожников Ф.В., Чернова Н.И., Никитин М.А., Опыт культивирования широко эвригалинных видов Nitzschia. Вопросы современной альгологии (Issuesofmodernalgology) — algology.ru, 2015, 54-57.
  4. Izhitskiy A.S., Zavialov P.O., Sapozhnikov P.V., Kirillin G., Grossart H.P., Kalinina O.Y., Zalota A.K., Goncharenko I.V., Kurbaniyazov A.K., Present state of the Aral Sea: diverging physical and biological characteristics of the residual basins. Scientific reports (6)23906, 10-1038, 2016.
  5. Eich A., Mildenberger T., Laforsch C., Weber M. Biofilm and diatom succession on polyethylene (PE) and biodegradable plastic bags in two marine habitats: Early signs of degradation in the pelagic and benthic zone? (2015) PLoS ONE, 10 (9) , art. no. e0137201
  6. Oberbeckmann S., Osborn A.M., Duhaime M.B. Microbes on a bottle: Substrate, season and geography influence community composition of microbes colonizing marine plastic debris. (2016) PLoS ONE, 11 (8), art. no. e0159289.

References

  1. Ph.V. Sapozhnikov, O.Yu. Kalinina, A.A. Snigirova. Algobacterial cenoses on the surface of various types of plastic (microplastic) in the coastal zone of the Aegean Sea (Bodrum District, Turkey). Proceedings of the VII International Scientific and Practical Conference “Marine Research and Education (MARESEDU-2019)”, 2019, 351-359.
  2. Ryabushko L.I., Bondarenko A.V., SapozhnikovFp.V., KalininaO.Yu., Diatom fouling of synthetic polymer materials in the Quarantine Bay (Crimea, Black Sea). Issues of modern algology — algology.ru2019 (20) No. 2, 87-91.
  3. KalininaO.Yu., Sapozhnikov F.V., Chernova N.I., Nikitin M.A., Experience in the cultivation of widely euryhaline species of Nitzschia. Issues of modern algology (Issues of modern algology) — algology.ru, 2015, 54-57.
  4. Izhitskiy A.S., Zavialov P.O., Sapozhnikov P.V., Kirillin G., Grossart H.P., Kalinina O.Y., Zalota A.K., Goncharenko I.V., Kurbaniyazov A.K., Present state of the Aral Sea: diverging physical and biological characteristics of the residual basins. Scientific reports (6)23906, 10-1038, 2016.
  5. Eich A., Mildenberger T., Laforsch C., Weber M. Biofilm and diatom succession on polyethylene (PE) and biodegradable plastic bags in two marine habitats: Early signs of degradation in the pelagic and benthic zone? (2015) PLoS ONE, 10 (9) , art. no. e0137201.
  6. Oberbeckmann S., Osborn A.M., Duhaime M.B. Microbes on a bottle: Substrate, season and geography influence community composition of microbes colonizing marine plastic debris. (2016) PLoS ONE, 11 (8), art. no. e0159289.