Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 1, стр. 101-104

К одной из острейших глобальных экологических проблем относится “цветение” воды, в котором наибольшую угрозу представляет цветение токсикогенных видов цианобактерий. Последние обладают механизмом биосинтеза опасных токсинов: микроцистина, нодулярина, анатоксина и других. По характеру воздействия на человека Всемирной организацией здравоохранения они относятся к блокираторам, нейротоксинам и цитотоксинам [1].

Для внутренних водоемов наиболее перспективным и “экологически чистым” решением проблемы цианобактериального “цветения” воды считается использование ультразвука малой интенсивности.

Несмотря на достигнутые положительные результаты в использовании ультразвука в борьбе с цианобактериальным “цветением” водоемов, осталось много не выясненных моментов в отношении поведения токсигенных цианобактерий. В сообщении даны результаты впервые выполненных лабораторных исследований по воздействию ультразвука на токсигенные цианобактерии одного из доминирующих на северо-западе Российской Федерации вида Synechocysctis sp. В опытах использовали чистые культуры, культивируемые в 100%-ной среде Громова № 6. Штамм Synechocystis sp. представляет собой одноклеточные бактерии, которые достаточно равномерно распределяются по объему емкости. Это позволяло отбирать репрезентативные пробы для микроскопии, люминесцентной микроскопии и спектрофотометрии, которые применяли как методы контроля [2].

Эксперименты осуществлялись с помощью специально созданной программируемой установки с 10 каналами с ультразвуковыми излучателями с рабочим диапазоном частот – f от 40 до 300 кГц, напряжением питания – U на источнике ультразвукового излучения от 1 до 4 В и одного контрольного канала без излучателя. Излучатели АД-20 производства концерна “Океанприбор” размещались под дном стеклянных емкостей и были отделены от стола звукопоглощающим материалом и экранированы фольгой. Пространственное распределение и величина звукового давления, создаваемого ультразвуковыми колебаниями, оценивались с помощью гидрофона, откалиброванного в диапазоне 20–200 кГц. Для освещения суспензий цианобактерий использовались люминесцентные лампы Hagen Sun Glo, спектр излучения которых близок к солнечному. Равномерность светового потока и освещенность в 260 Лм на боковой поверхности экспериментальных емкостей контролировались с помощью люксметра Mastech MS 6610. В эксперименте поддерживались условия, близкие к оптимальным для роста цианобактерий в природной среде по концентрации растворенных минеральных веществ – в 5.0%-среде Громова № 6 и диапазоне температур 22–26°С.

Оценка концентраций клеток во всех экспериментальных емкостях проводилась посредством измерения оптического поглощения суспензии цианобактерий на однолучевом сканирующем спектрофотометре “Shimadzu” UV-mini 1240. Была выявлена высокая корреляция показателя оптического поглощения с концентрацией клеток, что было также отмечено в работах [3, 4].

На рис. 1 можно видеть достаточно идентичный ход показателя оптического поглощения независимо от параметров ультразвука. Учитывая отмеченную выше корреляцию, можно заключить, что концентрация клеток в экспериментальных емкостях под воздействием ультразвука начинает снижаться примерно с 12-го по 15-й день облучения.

Рис. 1.

Изменения показателя оптического поглощения при различных параметрах ультразвукового облучения.

С помощью флуоресцентного микроскопа МИКМЕД-2.16 был проведен учет количества живых и мертвых клеток цианобактерий (табл. 1). В качестве начального состояния были приняты характеристики цианобактерий в первый день эксперимента: процент мертвых клеток 2.2, состояние клеток – ярко-красные, почти все делящиеся.

Воздействие ультразвука на цианобактерии ускоряет естественный процесс отмирания клеток.

Цианобактерии вида Synechocysctis sp. обладают слаборазвитым слизистым чехлом, напрямую связанным с функциональными особенностями всех внеклеточных структур. Клеточная стенка и слизистый чехол у цианобактерий становятся более толстыми под влиянием факторов внешней среды: в случаях солевого стресса (хлорид натрия), воздействия тяжелых металлов (кобальт, кадмий) и недостатка биогенов (железо) [5]. Рост толщины чехла был обнаружен и после воздействия на цианобактерии ультразвука (рис. 2).

Рис. 2.

Микрофотографии клеток цианобактерий Synechocysctis sp. (а) контроль – f = 0 кГц, U = 0 В; (б) после акустического облучения – f = 75 кГц, U = 2 В.

В связи с этим важным становится факт наличия или отсутствия биосинтеза токсинов. Для его выяснения использовали метод биоиндикации с помощью дафний Daphnia magna [6], в котором уровень токсичности воды определяется относительным количеством погибших организмов. Данные по токсичности проб при разных параметрах ультразвукового облучения представлены в табл. 2.

Представленные данные позволяют отметить несколько важных моментов. Высокий процент гибели дафний на первом этапе эксперимента свидетельствует о том, что токсигенные цианобактерии для защиты от ультразвукового облучения, кроме роста слизистого чехла, запускают второй механизм – биосинтез токсинов и их выделение в водную среду. Он наиболее отчетливо проявляется в течение примерно двух недель, а затем процент гибели дафний падает, что свидетельствует о снижении и полном прекращении биосинтеза токсинов, несмотря на продолжающееся ультразвуковое облучение. Объяснение этому факту состоит в том, что возникшее под воздействием ультразвука стрессовое состояние цианобактерий приводит к резкому возрастанию энергозатрат на синтез экзополисахаридов для роста слизистого чехла и белков для обновления разрушаемых акустической вибрацией внеклеточных белковых структур. К серьезным энергетическим потерям приводит и биосинтез клетками токсинов, которые токсигенные цианобактерии используют в наиболее опасные для их существования моменты. Одновременное поддержание двух механизмов биосинтеза приводит к истощению накопленного и невосполнимого энергетического запаса, и наступает фаза отмирания и гибели цианобактерий.

Полученные результаты, кроме научного интереса, представляются крайне важными с практической точки зрения, так как свидетельствуют о возможности создания на базе ультразвука малой интенсивности инновационных технологий борьбы с токсигенными цианобактериями.