ИСТИНА

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.

The effectiveness and sustainability of the use of mineral nutrition elements, primarily nitrogen (N) and phosphorus (P), by phototrophic organisms is a complex, still extremely urgent problem. Its solution requires fundamental research of the mechanisms of uptake and storage of macronutrients by cells, as well as applied analysis of approaches to the creation of biotechnologies for the sustainable use of these macronutrients. On the one hand, it is necessary to maximize the reuse of N and P in the production of mineral fertilizers, food raw materials, and food. On the other hand, it is necessary to protect the environment (primarily natural water bodies) from eutrophication and other negative consequences of wasteful use of fertilizers and other forms of bioavailable macronutrients. One of the key approaches to solving the above problems is the use of biocapture of macronutrients from wastewater and other waste resources by cultures of microalgae and algae-bacterial communities. Phototrophic microorganisms that have evolved mainly in oligotrophic environments are adapted to the fluctuating availability of N and P in the environment. In particular, microalgae and cyanobacteria have developed molecular mechanisms for luxury uptake and storage of phosphorus inside the cell, mainly in the form of polyphosphate granules. Unlike nitrogen and phosphorus starvation, the processes of excessive phosphorus uptake, their mechanisms and regulation have been studied extremely poorly. One of the objectives of the proposed project is to study the patterns of excessive absorption of N and P by microalgae depending on the bioavailability of these elements, as well as to study the mechanisms of regulation of this process. The key feature of the project will be the use of cultures immobilized on innovative biocomposite materials that will serve as biocompatible carriers for microbial cells. This will make it possible to endow the developed approach with all the advantages of using immobilized cultures, namely higher resistance to stressors and manufacturability (immobilized biomass is much easier and cheaper to harvest for further processing). However, the implementation of "green" biotechnologies based on immobilized cells was complicated by the high cost of biocompatible polymer carriers for cells. We propose to use significantly cheaper biocomposites based on plant waste as carriers for immobilized crops, the production and comprehensive testing of which are among the priorities of this project. At the same time, the process of immobilization of monocultures and associations will be considered as one of the possible ways to intensify the accumulation of macronutrients by microbial cells and increase tolerance to its high concentrations in the environment. The partners plan to pay special attention to the technologies of biosynthesis of polymer biocompatible, biodegradable biocomposite carriers, the use of which will increase the stress tolerance of microorganisms and solve the problem of premature removal of cells from the cultivation system. In addition, effective protocols for the immobilization of cells and communities on the created biopolymer carriers will be developed. It will also characterize the stability and kinetics of phosphorus and nitrogen uptake from wastewater by immobilized algal-bacterial consortia, as well as the kinetics of biomass accumulation under the influence of various cultivation conditions and the availability of macronutrients in the medium. The implementation of the project will conclude with an analysis of the suitability of the obtained biomass, immobilized on biocomposite carriers, for application to the soil as fertilizers. The effect of the introduction of immobilized biomass on the development of the root system and the aboveground part of cultivated plants will be investigated.

Предполагается, что ключевыми результатами проекта станут: - Новые знания о биологии отдельных видов и сообществ микроорганизмов, включая микроводоросли, в иммобилизованном состоянии. Эти знания позволят добиться максимально быстрого и полного рецикла макронутриентов из сточных вод, гидролизатов биомассы и иных жидких отходов. - Новые подходы к созданию биокомпозитных материалов для иммобилизации культур микроорганизмов. Результаты проекта откроют новые возможности для создания более дешёвых и технологичных носителей для получения тоннажных биопродуктов (удобрения, биодобавки) с помощью иммобилизованных культур фототрофных микроорганизмов. - Углубленное понимание детерминантов избыточного поглощения макронутриентов клетками фототрофных микроорганизмов, включая влияние внешних абиотических факторов и иммобилизации клеток на полимерных носителях. Эти результаты проекта позволят принимать информированные решения о выборе условий культивирования для более полной очистки сточных вод и изъятия макронутриентов из гидролизатов растительной биомассы. - Биосовместмые биодеградируемые полимерные носители для достижения максимально эффективного рецикла макронутриентов без радикальной реконструкции существующих предприятий агропромышленного комплекса и их очистных сооружений. - Совместные разработки российского и зарубежного партнёра по интеграции биотехнологий в агропромышленном комплексе - Подходы к применению биоудобрений из биомассы водорослёво-бактериальных сообществ, в том числе иммобилизованных на биокомпозитных носителях. В результате проекта будут разработаны научно-технические основы технологий, обеспечивающих снижение генерации отходов агропромышленными производствами и, как следствие, снижение негативного влияния этих предприятий окружающую среду. Более того, результаты проекта будут способствовать валоризации отходов, генерируемых агропредприятиями в настоящее время. В целом, проект позволит сделать следующий шаг к устойчивому использованию азота и фосфора в практической деятельности человека, что благоприятно скажется на продовольственной безопасности, состоянии окружающей среды (водоёмов и почв в агроценозах) и снизит зависимость от химически синтезированных минеральных удобрений.

Коллектив исполнителей имеет многолетний опыт работы с различными группами фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов, а также располагает коллекцией оригинальных штаммов и изолятов микроорганизмов, в том числе, с высокой способностью к деградации различных органических соединений, биоизъятию углекислого газа и накоплению ценных соединений. Имеется многолетний опыт работы с иммобилизованными клетками фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов. Авторами разработаны различные методы оценки эффективности иммобилизации и биосовместимости сорбентов с клетками микроорганизмов. Совместно с Курчатовским Институтом были разработаны биогибридные материалы на основе иммобилизованных ассоциаций. Авторами проекта разработаны эффективные и чувствительные оптические методы для недеструктивного мониторинга физиологического состояния культур фототрофных микроорганизмов. Была разработана методика оценки токсичности сорбентов предлагаемых для иммобилизации фото- и гетеротрофных микроорганизмов с помощью флуоресцентного анализа. Руководитель и участники проекта – опытные специалисты в области физиологии и цитологии про- и эукариотных микроорганизмов, включая количественную оценку реорганизации ассимиляционных и запасающих (суб)компартментов клеток ОФМ. Авторами проекта разработана система, на основе биополимеров, которая может быть модифицирована различными наночастицами, придающими материалу определенные свойства и продемонстрирована возможность создания материала носителя наночастиц, способного к фотокатализу. Кроме того, авторы имеют заделы по использованию метода рентгеновской томографии для анализа распределения клеток микроорганизмов в материале носителя.