ИСТИНА

Целью проекта является исследование влияния иммобилизации на поглощение и аккумуляцию фосфора клетками ОФМ, включая выявление механизмов адаптации к дефициту и повышенному содержанию фосфора в среде, а также сравнение процессов синтеза и катаболизма полифосфатов в клетках суспензионных и иммобилизованных культур ОФМ в зависимости от доступности фосфора в среде. Указанные исследования могут послужить связующим звеном для перехода к изучению механизмов поглощения и аккумуляции фосфора у более сложно организованных структур, таких как многокомпонентные природные иммобилизованные сообщества. В настоящей работе иммобилизация ОФМ на биокомпозитных материалах на основе природных полимеров хитозана и целлюлозы будет рассмотрена как один из возможных способов интенсификации накопления фосфора клетками микроорганизмов и повышения их толерантности как к высоким, так и низким концентрациям фосфора в среде. Сведения о различиях в механизмах поглощения фосфора в суспензионных и иммобилизованных клетках ОФМ позволит углубить наше понимание механизмов адаптации иммобилизованных ОФМ к дефициту фосфора и толерантности к его избытку. Результаты исследования будут способствовать развитию методов биологической очистки с применением ОФМ, иммобилизованных на природных, нетоксичных и биоразлагаемых материалах, позволяющих эффективному извлечению фосфора из сточных вод и возвращению его в агроэкосистемы.

The aim of the project is to study the effect of immobilization on the absorption and accumulation of phosphorus by OPM cells, including the identification of mechanisms of adaptation to deficiency and increased phosphorus content in the medium, as well as a comparison of the processes of synthesis and catabolism of polyphosphates in cells of suspended and immobilized OPM cultures depending on the availability of phosphorus in the medium. These studies can serve as a link for the transition to the study of the mechanisms of absorption and accumulation of phosphorus in more complexly organized structures, such as multicomponent natural immobilized communities. In this paper, the immobilization of OPM on biocomposite materials based on natural chitosan and cellulose polymers will be considered as one of the possible ways to intensify the accumulation of phosphorus by microbial cells and increase their tolerance to both high and low concentrations of phosphorus in the medium. Information about the differences in the mechanisms of phosphorus uptake in suspension and immobilized OPM cells will deepen our understanding of the mechanisms of adaptation of immobilized OPM to phosphorus deficiency and tolerance to its excess. The results of the study will contribute to the development of biological purification methods using OPM, immobilized on natural, non-toxic and biodegradable materials, allowing the effective extraction of phosphorus from wastewater and its return to agroecosystems.

Конкретной задачей проекта является получение и систематизация новых данных для углубления понимания метаболизма фосфора в иммобилизованных клетках ОФМ в сравнении с их суспензионными культурами. В качестве носителя для иммобилизованных клеток ОФМ будут использованы биокомпозитные материалы на основе хитозана и клеточных стенок растений, которые будут синтезироваться сотрудниками лаборатории полимерных материалов НИЦ «Курчатовский институт». В предыдущих исследованиях было показано, что нетоксичный, биосовместимый и биоразлагаемый полимер на основе хитозана обладает высокой эффективностью иммобилизации клеток МВ и ЦБ, не угнетает их фотосинтетическую активность и может успешно применяться в процессах биоизъятия биогенных элементов из сточных вод иммобилизованными клетками ОФМ (Vasilieva et al., 2020). Введение в состав хитозанового полимера клеточных стенок растений, являющихся отходами биотехнологических производств, позволит увеличить биосовместимость носителя с клетками МВ и снизить себестоимость. В настоящей работе иммобилизация ОФМ на хитозановых носителях будет рассмотрена как один из возможных способов интенсификации накопления фосфора клетками микроорганизмов и повышения их толерантности как к высоким, так и низким концентрациям фосфора в среде. Объектами исследования будут как лабораторные, так и оригинальные штаммы ОФМ, в том числе, выделенные из эвтрофицированных по фосфору сред обитания (сточные воды предприятия по производству фосфорных удобрений). В рамках проекта предполагается выполнение следующих задач: - выбор биокомпозитного материала с оптимальным соотношением хитозан/клеточные стенки растений, обладающий высокой эффективностью иммобилизации клеток МВ и биосовместимостью. - оценка кинетики поглощения неорганического фосфора иммобилизованными ОФМ и их клетками в суспензионных культурах в зависимости от концентрации фосфатов в среде, а также синтеза и катаболизма полифосфатов ОФМ в условиях смены фосфорного голодания стадией избыточного поглощения; - оценка ультраструктурных изменений фотосинтетического аппарата и клеточных включений в условиях перехода от фосфорного голодания к избыточному поглощению фосфатов, оценка распределения резервов фосфора в иммобилизованных клетках ОФМ, а также в их суспензионных культурах в отсутствии носителя; - оценка влияния иммобилизации на морфологию, клеточную дифференцировку, ростовые характеристики и накопление пигментов клетками ОФМ; - изучение и сравнение механизмов адаптации суспензионных и иммобилизованных культур ОФМ к дефициту или избытку фосфора в среде; - определение условий, благоприятствующих накоплению полифосфатов клетками иммобилизованных культур ОФМ. Впервые будет проведено исследование влияния процесса иммобилизации микроводорослей на биокомпозитных биосовместимых носителях на оборот полифосфатов в клетке, механизмы адаптации к избытку или недостатку фосфора в среде, что с одной стороны станет связующим звеном для перехода к изучению процесса поглощения фосфора многокомпонентными природными иммобилизованными сообществами - биопленками, а с другой стороны будет способствовать развитию фотобиотехнологий с применением иммобилизованных культур микроводорослей.

Коллектив исполнителей имеет многолетний опыт работы с различными группами фототрофных микроорганизмов. Руководитель проекта имеет многолетний опыт работы с иммобилизованными клетками фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов, исследованию в качестве носителей сорбентов на основе полиэтиленимина, полилизина, полиэфиров, полипропилена, поливинилового спирта, хитозана. Были разработаны различные методы оценки эффективности иммобилизации и биосовместимости сорбентов с клетками микроорганизмов, разработаны методы для недеструктивного мониторинга физиологического состояния иммобилизованных культур ОФМ, сконструированы лабораторные биореакторы для культивирования иммобилизованных клеток и проведено исследование процесса биоизъятия азота и фосфора клетками модельных культур ОФМ, иммобилизованных на хитозановых носителях [Vasilieva et al., 2018, Vasilieva et al., 2020, Vasilieva et al., 2021, Vasilieva et al., 2022]. Руководитель проекта является соавтором 2 патентов, касающихся создания биогибридных материалов для иммобилизации клеток фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов и имеет большой опыт сотрудничества с лабораториями полимерных материалов при МГТУ им. Н.Э. Баумана и НИЦ "Курчатовский институт". Участник проекта Горелова О.А. – опытный специалист в области физиологии и цитологии про- и эукариотных микроорганизмов [циклы публикаций с 1982 года], включая количественную оценку реорганизации ассимиляционных и запасающих (суб)компартментов клеток ОФМ [Gorelova et al., 2015a, b; Solovchenko, Gorelova et al., 2014-2020]. В соавторстве с коллегами разработана эффективная визуализация полифосфатов и азотных (пуриновых) включений в клетках ОФМ и подтверждения их химической природы методами аналитической ПЭМ и основанное на СХПЭЭ элементное картирование методом энергофильтрующей ПЭМ [Shebanova,…Gorelova, 2017; Ismagulova, …Gorelova et al., 2018a, b; цикл публикаций 2020 года].

В рамках проекта предполагается выполнение следующих задач и получение следующих результатов: - оценка эффективности иммобилизации клеток МВ на биокомпозитных материалах, с различным соотношением хитозан/ клеточные стенки растений. Выбор оптимального носителя, характеризующегося высокой сорбционной способностью клеток МВ и биосовместимостью. - оценка кинетики поглощения неорганического фосфора иммобилизованными ОФМ и их клетками в суспензионных культурах в зависимости от концентрации фосфатов в среде, а также метаболизма синтеза и катаболизма полифосфатов ОФМ в условиях смены фосфорного голодания стадией избыточного поглощения; - оценка фотосинтетической активности иммобилизованных и суспензионных клеток методом флуориметрического анализа; - оценка ультраструктурных изменений фотосинтетического аппарата и клеточных включений в условиях перехода от фосфорного голодания к избыточному поглощению фосфатов, оценка распределения резервов фосфора в иммобилизованных и неиммобилизованных клетках ОФМ, а также в их суспензионных культурах в отсутствии носителя; - оценка влияния иммобилизации на морфологию, клеточную дифференцировку, ростовые характеристики и накопление пигментов клетками ОФМ; -изучение и сравнение механизмов адаптации суспензионных и иммобилизованных культур ОФМ к дефициту или избытку фосфора в среде; - определение условий, благоприятствующих накоплению полифосфатов клетками иммобилизованных культур ОФМ. Успешная реализация планируемых исследований позволит создать комплексную картину регуляции метаболизма полифосфатов у иммобилизованных клеток ОФМ в сравнении с их суспензионными культурами, а также углубить понимание мало наименее изученных механизмов избыточного поглощения фосфора при переходе от фосфорного голодания к условиям с избытком фосфора в среде. Предполагаемые результаты будут иметь важное значение для понимания закономерностей динамики водных экосистем, контроля трофического статуса водоема и контроля цветения ОФМ, а также для оптимизации процесса регенерации фосфора из сточных вод с помощью иммобилизованных клеток ОФМ с последующим использованием биомассы в качестве фосфорных биоудобрений. Проект также будет способствовать достижению устойчивого использования минеральных ресурсов, применяемых для производства фосфорных удобрений. Результаты проекта откроют новые возможности для создания более дешёвых и технологичных носителей для иммобилизации культур фототрофных микроорганизмов.