Изучение влияния концентрации тяжелых металлов на рост микроводорослей

В настоящее время в биотехнологии развиваются исследования, направленные на использование микроорганизмов в качестве инструментов для удаления или концентрирования тяжелых металлов из загрязненных ими стоков промышленных предприятий, а также природных водоемов. В основе такой технологии лежит способность клеток некоторых микроорганизмов аккумулировать тяжелые металлы в больших количествах из водной среды, а также из почвы и ила [1].

Среди множества токсикантов, попадающих в природные воды, особое значение имеют тяжелые металлы. В том или ином количестве они всегда содержались в природных водах [2]. Поступая в биосферу, тяжелые металлы активно включаются в миграционные циклы, аккумулируются в различных компонентах экосистем, в том числе в гидробионтах. Особая опасность накопления тяжелых металлов в том, что в отличие от токсикантов, имеющих органическую природу и в большей или меньшей степени разлагающихся в природных водах, ионы тяжелых металлов сохраняются постоянно при любых условиях [2−5]. Накопление металлов водорослями происходит, прежде всего, путем его адсорбции на клеточной стенке, что отмечено, например, для Сhlorella vulgaris [6, 7].

Как правило, в загрязненных водоемах содержится не один, а несколько тяжелых металлов, каждый из которых влияет на аккумуляцию других, что объясняется конкуренцией ионов за участки их связывания на поверхности клеток и в процессах транспорта [8].

Целью наших экспериментов являлось изучение влияния различных концентраций тяжелых металлов на рост клеток наиболее активных культур микроводорослей Chlorella vulgaris ZH-1, Chlorella vulgaris ZH-2 и Chlorella sp. SV-3.

В качестве исследуемых металлов были взяты Cd, Fe, Pb, Cu и Zn, как одни из приоритетных загрязнителей водной среды. Металлы вносили в питательные среды Тамия и 04 в виде солей CdSO4*8Н2О, FeSO4*7Н2О, PMNCbb О^С^ЩО и ZnSO4*7Н2О в концентрациях от 0,01 до 200 мг/л в расчете на ион каждого металла. Указанный разброс концентраций выбран нами для выяснения пределов устойчивости клеток микроводорослей к ионам тяжелых металлов. В контрольных вариантах использовалась среда без внесения солей тяжелых металлов. Культивирование проводили в течение 7 суток в конических колбах объемом 250 мл при освещении лампами дневного света (2000;4000 люкс), температуре 25−28°С и постоянной аэрации.

Тяжелые металлы (Hg, Pb, Cd, Zn, As и др.) представляют чрезвычайную опасность как загрязнители природных вод, так как они в сравнительно малых концентрациях могут оказывать токсическое воздействие на водные организмы. В ряду тяжелых металлов первое место по растворимости в воде и токсичности занимает ртуть: Hg > Cd = N > Zn > Pb > Co > Cr > As > Mn = Fe > Sn.

Кадмий — один из наиболее токсичных элементов как для растительных, так и для теплокровных организмов. В окружающую среду он поступает с пылью и осадками в районе предприятий металлургии. Больше кадмия содержится в отходах гальванических и лакокрасочных производств, на сельскохозяйственные земли он попадает с удобрениями в виде шламов сточных вод. Значительным источником загрязнения атмосферы стало сжигание твердого и жидкого топлива [1].

микроводоросль металл культура клетка Как видно из рисунка 1, исследуемые культуры устойчивы к концентрации кадмия в среде 5 мг/л. При добавлении в среду кадмия сернокислого в концентрации 25 мг/л наблюдается снижение числа клеток по сравнению с контролем, т. е. данная концентрация является токсичной для всех изучаемых культур. Полное прекращение роста и отмирание клеток наблюдаются при добавлении 100−200 мг/л кадмия сернокислого. Наилучший рост показали культуры Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella vulgaris ZH-2.

Основными источниками поступления меди в природные воды являются сточные воды предприятий химической, металлургической промышленности, шахтные воды, альдегидные реагенты, а также коррозия медных трубопроводов и других сооружений, используемых в системе водоснабжения [9].

Рисунок 2. Влияние ионов меди на рост культур микроводорослей при различных концентрациях меди сернокислой в среде.

При изучении влияния ионов меди (рис. 2) на рост микроводорослей выявлено, что культура Chlorella vulgaris ZH-1 устойчива к концентрации меди сернокислой в среде 10 мг/л, токсичной для нее является концентрация 25 мг/л. Культура Chlorella vulgaris ZH-2 устойчива к концентрации 5 мг/л, токсичной для нее является концентрация в среде 10 мг/л меди сернокислой. Концентрация меди 1 мг/л является токсичной для культуры Chlorella sp. SV-3, но она устойчива к концентрации 0,05 мг/л. Отмирание клеток и полное прекращение роста наблюдаются при добавлении в среду 100 мг/л меди сернокислой. Наилучший рост отмечен у культур Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella vulgaris ZH-2 (рис. 2).

Главными источниками загрязнения окружающей среды цинком являются предприятия металлургии, особенно цветной, приборои машиностроительной отраслей. Цинк поступает также в окружающую среду при сжигании топлива на ТЭЦ. Много цинка содержится в осадках сточных вод [10].

Рисунок 3. Влияние ионов цинка на рост культур микроводорослей при различных концентрациях цинка сернокислого в среде.

Из рисунка 3 видно, что культуры Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella sp. SV-3 устойчивы к концентрации цинка в среде 10 мг/л, токсичной для них является концентрация 25 мг/л цинка сернокислого. Содержание в среде 100 мг/л цинка сернокислого не оказывает сильного влияния на рост культуры Chlorella vulgaris ZH-2, где на 7 сутки произошло незначительное снижение числа клеток. Лучшие результаты в динамике роста показали культуры Chlorella vulgaris ZH-2 и Chlorella vulgaris ZH-1.

Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т. д. Свинец содержится в выбросах предприятий металлургии, металлообработки, электротехники, нефтехимии и автотранспорта [9].

Как видно из рисунка 4, исследуемые культуры устойчивы к концентрации свинца в среде 50 мг/л. Добавление в среду свинца азотнокислого в концентрации 100 мг/л лимитирует рост клеток, данная концентрация является токсичной для всех изучаемых культур. Полное прекращение роста иотмирание клеток наблюдаются при добавлении 200 мг/л свинца азотнокислого. Наилучший рост показала культура Chlorella vulgaris ZH-1.

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками [9].

Рисунок 5. Влияние ионов железа на рост культур микроводорослей при различных концентрациях железа сернокислого в среде.

микроводоросль металл культура клетка Из рисунка 5 видно, что культуры Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella vulgaris ZH-2 устойчивы к концентрации железа в среде 50 мг/л, токсичной для них является концентрация 100 мг/л железа сернокислого. Культура Chlorella sp. SV-3 устойчива к добавлению в среду 25 мг/л железа сернокислого, тогда как добавление 50 мг/л ингибирует рост клеток. Полное прекращение роста и отмирание клеток наблюдаются при добавлении 200 мг/л железа сернокислого. Лучший результат по динамике роста показала культура Chlorella vulgaris ZH-1.

Таким образом, при изучении влияния высоких концентраций тяжелых металлов на рост микроводорослей выявлено, что наиболее устойчивыми оказались культуры Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella vulgaris ZH-2, которые выдерживали концентрацию кадмия 25 мг/л в среде, железа — 100 мг/л, свинца — 100 мг/л, меди — 25 мг/л и 10 мг/л, цинка — 25 мг/л и 100 мг/л соответственно. Лучшие показатели роста клеток отмечены также у культур микроводорослей Chlorella vulgaris ZH-1 и Chlorella vulgaris ZH-2.

Выявлено, что добавление ионов тяжелых металлов в среду оказывает заметное влияние на изменение численности клеток в культуре: чем выше концентрация ионов металлов, тем заметнее его отрицательное влияние на рост клеток микроводорослей.

• 1. Поведение ртути и других тяжелых металлов в экосистемах. — Новосибирск: Изд-во ГПНТБ, 1989. — Ч. 2. — 154 с.
• 2. Филенко О. Ф., Хоботьев В. Г. Загрязнение металлами // Водная токсикология. — М.: Винити, 1976. — Т. 3. — С. 110−150.
• 3. СтрогановН.С. Токсическое загрязнение водоемов и деградация водных экосистем. — М.: Винити, 1976. — С. 5−47.
• 4. Линник П. Н. Формы миграции тяжелых металлов и их действие на гидробионтов // Экспериментальная водная токсикология. — Рига: Зинатне, 1986. — Вып. 11. — С. 144−154.
• 5. Брагинский Л. П., Величко И. М., Шербань Э. П. Пресноводный планктон в токсической среде. — Киев: Наук. думка, — 180 с.
• 6. Greene B., Hosea M., McPherson R. et al. Interaction of gold (I) and gold (III) complexes with algal biomass // Environ. Sci. and Technol. — 1986. — 20. — № 6. — P.627−632.
• 7. Rebhum S., Ben-Amotz A. The distribution of cadmium between the marine alga chlorella and water medium. Effect on algal growth // Water Res. — 1984. — 18. — № 2. — P. 173−178.
• 8. Strain selection of Spirulina for mass production // Hydrobiologia. — 1987. — Vol. 151. — P. 75−77.
• 9. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. — М.: Мир, 1987. — 275c.
• 10. Минеев В. Г., Алексеев А. А., Тришина Т. А. Цинк в окружающей среде // Агрохимия. — 1984. — № 3. — С. 94−105.