Жизнь на шлаках: какие микроводоросли помогли запустить восстановление экосистем

Метод рекультивации загрязненной окружающей среды с помощью водорослей —фиторемедиация — перспективная биотехнологическая стратегия благодаря высокому потенциалу в борьбе с ухудшением состояния почвы, при этом заселение цианобактериями повышает устойчивость пылевых частиц и препятствует их переносу. Ученым давно известны процессы обрастаний новых грунтов в природе, в частности в Арктике при отступлении ледников оголяются новые пространства и растительные сообщества формируются на них начиная с колонизации цианобактерий. На поверхности развивается слизистая биопленка цианобактерий, постепенно такое микробное сообщество становится разнообразнее, формируются биологические корочки. Они в свою очередь, обеспечивают отложение важных органических веществ в субстрате, запускают процесс первичного почвообразования и стимулируют дальнейшее развитие на нем растительного покрова.

Цианобактерии способствуют росту других растений, выделяя в окружающую среду органические вещества и соединения азота. Отталкиваясь от природных процессов, можно попытаться запустить восстановление растительности и на шлаках. Выращивание биомассы цианобактерий в лабораторных условиях — один из самых простых и недорогих методов фиторемедиации техногенно нарушенных объектов.

В своей статье «Цианобактериальные сообщества, обитающие на золоотвалах Апатитской ТЭЦ в российской Арктике» сотрудники Полярно-альпийского ботанического сада-института имени Аврорина Денис Давыдов, доктор биологических наук, заместитель директора по научной работе, ведущий научный сотрудник, и Анна Вильнет, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории флоры и растительности исследовали состав сообществ цианобактерий на золоотвалах разного возраста, чтобы выделить штаммы, которые будут пригодны для разработки технологии фиторемедиации в условиях Мурманской области.

Статья вышла в специальном выпуске «Исследование микробного разнообразия в различных средах» журнала Microorganisms. Ее авторы провели скрининг разнообразия цианобактерий, растущих на техногенных субстратах, что необходимо для дальнейших исследований по отбору наиболее продуктивных штаммов для лабораторных и полевых экспериментов по рекультивации. Пробы отобрали на трех разновозрастных отвалах из золошлака угольной электростанции в городе Апатиты — на новом отвале, на трехлетнем и на законсервированном с 1990 года, где происходит активное зарастание, в том числе древесной растительностью. На этих участках они выявили 18 таксонов цианобактерий. В культуру выделено 24 штамма цианобактерий, относящихся к 11 видам. Все их тщательно изучили в лабораторных условиях с помощью самых современных технических средств.

Документация места отбора проб на золоотвале Апатитской ТЭЦ: а) новейший отвал, куда в этом году продолжают складировать пульпу; место отбора проб отмечено треугольником; b) тонкие биологические корки на грунте свежего шлама; c) 3-летний отвал; d) биологические корки с бриофитами на 3-летнем отвале; e) 30-летний отвал с активным зарастанием, в том числе древесной растительностью; f) толстые биологические корки на грунте старого отвала / © «Цианобактериальные сообщества, обитающие на золоотвалах Апатитской ТЭЦ в российской Арктике» / Microorganisms

Эта работа позволила определить, когда и как именно формируются сообщества цианобактерий на золошлаках Апатитской ТЭЦ, а также какие именно виды и при каких условиях становятся наиболее перспективными кандидатами для образования субстратов и плотных поверхностных биопленок.

Находки некоторых видов на отвалах в Апатитах оказались весьма нетривиальными, что позволяет ученым расширить представления об их среде обитания и экологических предпочтениях. Например, вид Gansulinema desertorum был известен только в пустынном районе в провинции Ганьсу в Китае, а Nodosilinea calida описана в Йеллоустонском национальном парке и не встречалась в других местах обитания. Как и в случае с вышеупомянутым таксоном, этот вид впервые обнаружен на территории Мурманской области и России. Tildeniella torsiva впервые описана в Словакии, затем выявлена в Корее и на Украине, однако в России ранее не приводилась.

Световые микрофотографии штаммов цианобактерий, выделенных из золоотвалов: (a) Drouetiella lurida KPABG-4164; (b) Drouetiella lurida KPABG-41662; (c) Tildeniella torsiva — KPABG-133811; (d, e) Oculatella coburnii KPABG-133798; (f) Nodosilinea calida KPABG-133816; (g) Anagnostidinema pseudacutissimum KPABG-133632; (h) Ностокалевая цианобактерия 1 KPABG-4166; (i) Ностокалевая цианобактерия 2 KPABG-133801. Масштабная линейка = 10 мкм / © «Цианобактериальные сообщества, обитающие на золоотвалах Апатитской ТЭЦ в российской Арктике» / Microorganisms / © «Цианобактериальные сообщества, обитающие на золоотвалах Апатитской ТЭЦ в российской Арктике» / Microorganisms

Основные выводы, которые представлены в работе ученых ПАБСИ КНЦ РАН, говорят о том, что цианобактерии заселяют отвалы очень быстро и удивительно хорошо приспосабливаются к экстремальным условиям, при этом на зрелых участках формируются в три раза более богатые сообщества. Наиболее перспективные для практического применения — представители таксонов Nostocaceae, способные к фиксации атмосферного азота и обогащению северных почв аммонийными соединениями.

Следующий этап научной работы сотрудников ПАБСИ КНЦ РАН — исследования реакции на стресс наиболее эффективных штаммов цианобактерий в лабораторных мезокосмах с имитацией условий нефелиновых «хвостов», а затем полевые испытания для оценки их практического потенциала в восстановлении растительности. Все полученные данные позволят заполнить значительный пробел в знаниях о технологиях, адаптированных для арктических и субарктических экосистем.