2025-02-21T08:34:07-05:00 DEBUG: VuFindSearch\Backend\Solr\Connector: Query fl=%2A&wt=json&json.nl=arrarr&q=id%3A%22irk-123456789-201762%22&qt=morelikethis&rows=5

2025-02-21T08:34:07-05:00 DEBUG: VuFindSearch\Backend\Solr\Connector: => GET http://localhost:8983/solr/biblio/select?fl=%2A&wt=json&json.nl=arrarr&q=id%3A%22irk-123456789-201762%22&qt=morelikethis&rows=5

2025-02-21T08:34:07-05:00 DEBUG: VuFindSearch\Backend\Solr\Connector: <= 200 OK

2025-02-21T08:34:07-05:00 DEBUG: Deserialized SOLR response

Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)

Доповідь присвячено дослідженню шляхів взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами (іммобілізація і мобілізація) на прикладі Купруму та можливості росту мікроорганізмів в умовах надвисоких концентрацій (до 1 моль/л) токсикантів. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефектив...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Main Author:	Гаврилюк, О.А.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Series:	Вісник НАН України
Subjects:	Молоді вчені
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201762
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!

id	irk-123456789-201762
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2017622025-01-30T13:25:44Z Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.) Гаврилюк, О.А. Молоді вчені Доповідь присвячено дослідженню шляхів взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами (іммобілізація і мобілізація) на прикладі Купруму та можливості росту мікроорганізмів в умовах надвисоких концентрацій (до 1 моль/л) токсикантів. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність застосування фітобактеріальних угруповань (мікроорганізмів та рослин) для біоремедіації екосистем. Currently, the most powerful source of metal pollution is the hostilities taking place on the territory of Ukraine as a result of Russia’s full-scale invasion. Rocket, artillery and mortar attacks, as well as the activity of military equipment and aviation led to the accumulation of heavy metals in the soil and the degradation of agrocenoses. The development of effective methods of metals removal from polluted ecosystems is an urgent task of science and industry. The report deals with study of the concept of thermodynamic prognosis of the interaction of microorganisms and plants with metal compounds, microbial immobilization and mobilization of metals on the example of copper, accumulation of metals by phytoremediant plants and their anaerobic degradation with energy carriers production. The approach is based on the thermodynamic prognosis to substantiate the optimal pathway of microorganisms and plants interaction with metals. Thermodynamic prognosis was used to determine the conditions and products of the interaction of microorganisms and plants with metal compounds. According to the thermodynamic prognosis the types of interaction of microorganisms with metals (on the example of copper) were clarified. Microorganisms were able to accumulate Cu2+ in microbial cells as a result of replacing the macroelement Mg2+ (stereochemical analogy of metals and macroelements), precipitate copper compounds without changing their valence state, and reduce Cu2+ to the insoluble oxide of monovalent copper Cu2O↓. The postulates of the thermodynamic prognosis were experimentally confirmed in laboratory conditions. Bacteria resistant to soluble Cu(II) compounds were isolated at the Department of Biology of Extremophilic Microorganisms of the D.K. Zabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine. They were not only resistant to metals, but also interacted with them — accumulated in cells and reduced to insoluble and non-toxic oxide Cu2O↓. Pseudomonas lactis UKR1 copper-resistant strain was studied. Strain was able to immobilize and mobilize copper compounds under the regulation of microbial metabolism. According to the thermodynamic prognosis, the most effective immobilization of metals should occur through reduction under conditions of significant difference between the donor (microorganisms) and acceptor (metal-oxidizer) systems. As a result, the most effective reduction of metals should be carried out by low-potential strict anaerobic microorganisms. This assumption was experimentally confirmed on the example of methanogenic microbial community. It was shown that the methanogenic microbial community completely (with 100% efficiency) immobilized copper during the anaerobic degradation of invasive plants biomass (water lettuce). The high efficiency of microbial degradation of phytoremediant plant biomass (grasses, tobacco, wormwood, nettle, ragweed, and goldenrod) with biogas synthesis has already been demonstrated at the Department of Biology of Extremophilic Microorganisms. Thus, the availability of development of combined environmental biotechnologies of bioremediation and phytoremediation of polluted ecosystems with simultaneous production of energy carriers — hydrogen and methane was theoretically substantiated and experimentally confirmed. 2024 Article Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.) / О.А. Гаврилюк // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 2. — С. 94-101. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1027-3239 DOI: doi.org/10.15407/visn2024.02.094 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201762 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Гаврилюк, О.А. Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.) Вісник НАН України
description	Доповідь присвячено дослідженню шляхів взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами (іммобілізація і мобілізація) на прикладі Купруму та можливості росту мікроорганізмів в умовах надвисоких концентрацій (до 1 моль/л) токсикантів. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність застосування фітобактеріальних угруповань (мікроорганізмів та рослин) для біоремедіації екосистем.
format	Article
author	Гаврилюк, О.А.
author_facet	Гаврилюк, О.А.
author_sort	Гаврилюк, О.А.
title	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)
title_short	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)
title_full	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)
title_fullStr	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)
title_full_unstemmed	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)
title_sort	застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 27 грудня 2023 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2024
topic_facet	Молоді вчені
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201762
citation_txt	Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.) / О.А. Гаврилюк // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 2. — С. 94-101. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT gavrilûkoa zastosuvannâfítobakteríalʹnihugrupovanʹdlâbíoremedíacííekosistemzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni27grudnâ2023r
first_indexed	2025-02-09T04:47:12Z
last_indexed	2025-02-09T04:47:12Z
_version_	1823553809829330944
fulltext	94 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (2) ЗАСТОСУВАННЯ ФІТОБАКТЕРІАЛЬНИХ УГРУПОВАНЬ ДЛЯ БІОРЕМЕДІАЦІЇ ЕКОСИСТЕМ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р. Доповідь присвячено дослідженню шляхів взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами (іммобілізація і мобілізація) на прикладі Купруму та можливості росту мікроорганізмів в умовах надвисоких концентрацій (до 1 моль/л) токсикантів. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність застосування фітобактеріальних угрупо- вань (мікроорганізмів та рослин) для біоремедіації екосистем. Ключові слова: важкі метали, забруднення ґрунтів, фітобактеріальні угруповання, біоремедіація, фіторемедіація. Важкі метали, зокрема Купрум, є одними з найбільш токсич- них і екологічно небезпечних забруднювачів [1]. Загалом най- поширенішими джерелами забруднення металами є підпри- ємства кольорової металургії, наслідки воєнних дій, побутова діяльність людини, промислові стічні води, а також природні родовища металів [2, 3]. Через відсутність методів контролю та знешкодження сполуки металів часто потрапляють у прилеглі екосистеми, зокрема ґрунти та підземні води. Один із таких ме- талів-забруднювачів — це Купрум, який за концентрації вище 20 мг/кг є дуже токсичним для живих організмів у ґрунтах [4]. На сьогодні в Україні найпотужнішим джерелом забруднен- ня металами стають бойові дії, що відбуваються на нашій те- риторії внаслідок повномасштабного воєнного вторгнення РФ. Ракетні, артилерійські та мінометні обстріли, активність вій- ськової техніки та авіації призводять до накопичення важких металів у ґрунтах та руйнування агроценозів [5]. Розроблення дієвих методів вилучення Купруму із забруднених екосистем є актуальним завданням науки та промисловості. Традиційно використовують фізико-хімічні методи очищен- ня від Купруму, такі як цементація, електродіаліз, адсорбція, фотокаталіз, мембранна фільтрація [6]. Однак ці методи є ви- ГАВРИЛЮК Олеся Анатоліївна — доктор філософії, в.о. наукового співробітника відділу біології екстремофільних мікроорганізмів Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.02.094МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 2 95 МОЛОДІ ВЧЕНІ соковартісними і не забезпечують рівень очи- щення та відновлення забруднених ґрунтів, достатній для їх подальшої агропромислової експлуатації. На противагу фізико-хімічним методам, біо- логічні методи очищення від сполук токсич- них металів є більш економічно вигідними та екологічно безпечними [7]. В останнє десяти- ліття активно розвиваються такі підходи, як біоремедіація та фіторемедіація. Зокрема, на сьогодні відома вже низка біоремедіаційних методів очищення забруднених ґрунтів. Біоремедіацію можна здійснювати або in situ, тобто безпосередньо в зоні забруднення (біоаугментація), або ex situ — віддалено (ком- постування, ризофільтрація, біостимуляція, мікоремедіація тощо). В останньому випадку спочатку необхідно механічно вилучити за- бруднені ґрунти із зони екоциду, а потім уже проводити їх очищення та відновлення з вико- ристанням мікроорганізмів. Ефективність біоремедіації залежить від мікроорганізмів, які використовують для очи- щення ґрунтів. Вони мають бути стійкими до металів у високій концентрації та здатними взаємодіяти з ними (акумулювати [8], віднов- лювати до нерозчинних сполук [9], осаджу- вати тощо). Виділення таких мікроорганізмів та дослідження молекулярних і фізіологічних механізмів їх стійкості й взаємодії з небезпеч- ними сполуками металів є важливим етапом розроблення ефективної природоохоронної технології. Іншим важливим підходом до відновлен- ня забруднених ґрунтів є фіторемедіація. Це окремий, досить розгалужений напрям, що ви- вчає методи застосування рослин для очищен- ня ґрунтів [10]. На сьогодні вже розроблено цілу низку методів фіторемедіації, які демон- струють високу ефективність та безпечність: фітостабілізація, фітоекстракція, фітовипаро- вування, фітофільтрація та ін. Наприклад, фітостабілізація — це іммобі- лізація токсичних сполук, зокрема металів із ґрунтів та ґрунтових вод, рослинними екзоме- таболітами. При цьому рухомі форми металів перетворюються на малорухомі та нетоксичні, що знижує ризик їх потрапляння в підземні води й прилеглі екосистеми. Фітоекстракція являє собою вилучення іо- нів рухомих сполук металів (рухомих форм) або радіонуклідів із ґрунтів та водоймищ уна- слідок їх акумуляції в рослинній біомасі. З огляду на підвищений рівень техноген- ного навантаження на природні екосистеми України через ведення активних бойових дій та руйнівні наслідки для агроценозів високо- го вмісту Купруму в ґрунтах критично важли- вим є розроблення нових ефективних методів біоремедіації екосистем з використанням фіто- бактеріальних угруповань. У відділі біології екстремофільних мікроор- ганізмів Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України розроблено концепцію термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів та рослин зі сполу- ками металів. Вода має властивості подвійного редокс-буфера, який є стабільним лише в діа- пазоні стандартних окисно-відновних потенці- алів від –414 до +814 мВ. Звідси випливає, що дисиміляторний метаболізм мікроорганізмів, а також їх взаємодія зі сполуками Cu, можливі лише в зоні термодинамічної стійкості води, тобто в діапазоні E′о від –414 до +814 мВ. Ріст мікроорганізмів у присутності окис- нених сполук токсичних металів у високих концентраціях і взаємодія з ними теоретично допустимі, якщо редокс-потенціал системи, утвореної металом та його відновленою фор- мою, перебуває в зоні термодинамічної стій- кості води. Загальноприйнятою є думка, що метали-окисники токсичні і пригнічують ріст мікроорганізмів навіть за невеликих концен- трацій (20—50 мг/л), оскільки утворені ними окисно-відновні системи характеризуються високими значеннями редокс-потенціалу (Eh). Редокс-потенціал (Ео′) реакції відновлення катіону Cu2+ 2Cu2+ + H2O + 2e = Cu2O↓ + 2H+ становить +440 мВ при рН = 4,0, тобто Eh ре- акції відновлення Cu перебуває в зоні термо- динамічної стійкості води. Отже, мікробне відновлення катіону Cu2+ за його високих кон- центрацій є теоретично допустимим. 96 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 2. Загальна схема акумуляції токсичних металів рослинами Оскільки редокс-потенціал системи, утворе- ної Cu2+ та його відновленою формою Cu2O↓, перебуває в межах термодинамічної стійкості води, то допустиме існування мікроорганізмів, стійких до надвисоких концентрацій (до вели- чин порядку 1 моль/л) цього металу-окисника. З використанням методу термодинамічного прогнозування можна передбачити теоретич- но допустимі види взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами. Термодинамічне прогно- зування дозволяє визначити також умови та продукти взаємодії мікроорганізмів і рослин зі сполуками металів. Розглянемо теоретично допустимі види вза- ємодії мікроорганізмів зі сполуками металів на прикладі Купруму (рис. 1). Згідно з термо- динамічним прогнозом, мікроорганізми здат- ні акумулювати Cu2+ мікробними клітинами внаслідок заміщення макроелемента Mg2+ у клітинній стінці завдяки його стереохімічній аналогії з Cu2+, а також осаджувати сполуки Cu(ІІ) екзометаболітами без зміни їх валент- ного стану (наприклад, у формі Cu(ОН)2 або CuСОз) та відновлювати Cu2+ до нерозчинно- го оксиду Cu2O. Слід зазначити, що стереохімічна аналогія — це рівність або близькість іонних радіусів. Так, іонні радіуси Cu та Mg близькі і становлять 0,075 нм. Акцепторні й транспортні системи мікроорганізмів та рослин «помиляються» і поглинають токсичний катіон Cu2+ разом із необхідним макроелементом Mg2+. Зауважи- мо, що макроелементи — це іони, необхідні для метаболізму як мікроорганізмів, так і рослин, зокрема K+, Na+, Mg2+, Ca2+, SO4 2–, NO3 – та ін. Одним з ефективних видів іммобілізації розчинних сполук Купруму є мікробне віднов- лення Cu(II) до нерозчинного Cu(І) у формі оксиду Cu2O↓. Метаболічно активні мікро- організми є донорною системою, а високопо- тенціальні сполуки Cu2+ — акцепторною сис- темою, тому при окисненні органічних сполук мікроорганізми відновлюють Cu (ІІ). З огляду на рівняння Гіббса Gо' = –nF(Eо'акцептор е – Eо'донор е) для анаеробних мікроорганізмів різниця ре- докс-потенціалів між донорною та акцептор- ною системами реакцій 2Сu2+ + H2O + 2e = Cu2O + 2H+ становить –41,01 ккал/моль. Очевидно, що ефективність відновлення металу пропорційна різниці потенціалів між акцепторною і донорною системами. Звідси випливає, що мікроорганізми, які зменшують Eh до низьких значень, здатні з максимальною ефективністю відновлювати Cu2+. Від омо, що анаеробні воденьсинтезувальні (або метано- генні) бактерії створюють найнижчий окисно- відновний потенціал у середовищі культиву- вання (Eо' = –414 мВ), а отже, є найбільш ефек- тивними для мікробного відновлення Cu2+. Рис. 1. Термодинамічно обґрунтовані метаболічні шля- хи взаємодії мікроорганізмів зі сполуками Купруму ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 2 97 МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 4. Таксономічне положення надстійких мікроор- ганізмів та їх взаємодія зі сполуками Купруму Рис. 3. Надвисока стійкість ґрунтових мікроорганіз- мів до розчинних сполук Купруму (1 моль/л Cu2+) Очевидно, що різниця потенціалів у 889 мВ між акцепторною (Сu2+) та донорною (мікро- організми) системами забезпечить якнай- швидше відновлення сполук Сu2+ до нероз- чинного Сu2О, а тому відновлення Cu2+ низь- копотенціальними облігатними анаеробами має бути швидким та ефективним. Протилежним видом взаємодії є мобілізація (розчинення) нерозчинних сполук Cu мікро- бними екзометаболітами (органічними кисло- тами). Мікроорганізми, які здатні до мобілі- зації металів у ґрунтах, є перспективними для біоремедіації ґрунтів, оскільки метали в ґрун- тах перебувають частково у водонерозчинній формі. Збільшення рухливості металів у ри- зосфері рослин підвищуватиме ефективність їх акумуляції рослинами. На рис. 2 показано, як відбувається трансфор- мація металів у біогеоценозах за участі рослин. Після потрапляння в ґрунт розчинні сполуки металів частково випадають в осад завдяки вза- ємодії з ґрунтовими компонентами. Тому сполу- ки металів у ґрунті можуть бути нерозчинними (карбонати, фосфати тощо) або сорбованими на неорганічних поверхнях твердої фази ґрунту. Рослини, як і мікроорганізми, здатні нако- пичувати (акумулювати) іони токсичних мета- лів разом із корисними мікро- та макроелемен- тами. У рослин домінуючим шляхом взаємодії є транспорт іонів металів або їх хелатованих сполук у тканини рослин. Нижчі і вищі росли- ни здатні мобілізувати сполуки Cu, оскільки, як і мікроорганізми, вони синтезують органіч- ні кислоти (оцтову, малонову, лимонну, молоч- ну, фумарову та α-кетоглутарову) [11]. Мікробні угруповання першими контакту- ють і взаємодіють з металами, що потрапляють у біотопи. В анаеробних умовах мікроорга- нізми синтезують органічні кислоти (хелато- ри металів), які збільшую ть рухливість Cu в ґрунтах і його активний транспорт у рослинах. Оскільки мікроорганізми більш активно мобі- лізують нерозчинні сполуки Cu, рослини в по- дальшому можуть легко вилучати їх із ґрунтів після мобілізації мікроорганізмами. Отже, термодинамічне прогнозування дозво- ляє теоретично обґрунтувати можливі ефектив- ні шляхи ремедіації забруднених металами еко- систем з використанням мікроорганізмів та рослин — акумуляція в клітинах, іммобілізація (осадження або відновлення до нерозчинних сполук) та мобілізація (розчинення осадів ме- талів органічними кислотами). Наступним етапом було експериментальне підтвердження термодинамічного прогнозу в лабораторних та польових умовах. Ґрунтую- чись на теоретичних положеннях, у відділі біо- логії екстремофільних мікроорганізмів Інсти- туту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Забо- лотного НАН України було виділено надстійкі до Cu бактерії (рис. 3). Ці бактерії були не лише стійкими до катіо- ну Cu2+, а й взаємодіяли з ним — накопичували в клітинах та відновлювали до нерозчинного і нетоксичного оксиду Cu2O↓ (рис. 4). 98 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 5. Іммобілізація (а) та мобілізація (б) сполук Купруму штамом Pseudomonas lactis UKR1 З різноманітних екосистем було виділено аеробні та факультативно анаеробні хемоор- ганотрофні купрумрезистентні штами: UKR1 і UKR2 — з чорноземного ґрунту, UKR3— з арктичного ґрунту з архіпелагу Сальбард, UKR4 — з антарктичного ґрунту з о. Галін- дез, Cop101 — з глини печери «Атлантида», Cop102 — з ґрунту Еквадору, Cop99 — з гли- ни печери «Оптимістична», Cop41 — з конта- мінованого Купрумом ґрунту, Cop98 — з піску Мертвого моря. За комплексом морфолого-культурних, фі- зіолого-біохімічних властивостей та на основі результатів філогенетичного аналізу бакте- рії було ідентифіковано як Pseudomonas lac- tis UKR1, P. panacis UKR2, P. veronii UKR3, P. veronii UKR4, Pantoea agglomerans Cop101, Bacillus mycoides Cop102, B. megaterium Cop99, B. velezensis Cop41, Staphylococcus succinus Cop98. Встановлено, що купрумрезистентний штам Pseudomonas lactis UKR1 здатен взаємодіяти з Cu(II) усіма термодинамічно обґрунтованими шляхами. Штам може як накопичувати Cu2+ у клітинах без зміни його валентного стану, так і відновлювати цитратний комплекс Cu2+ до нерозчинного, а отже, нетоксичного оксиду Cu2O↓. Такі властивості штаму, як накопичення та відновлення Купруму, є підґрунтям для розро- блення нових природоохоронних біотехноло- гій очищення стічних вод та ґрунтів від сполук Cu. Термодинамічне обґрунтування шляхів трансформації сполук Cu показало, що мікро- організми здатні мобілізувати та іммобілізу- вати Купрум. Іммобілізація можлива шляхом відновлення розчинного Cu(II) до нерозчин- ного Cu(I) та осадження сполук Cu без зміни його валентного стану у вигляді гідроксидів та карбонатів (рис. 5). Визначальною умовою іммобілізації розчинних сполук Cu(II) були термодинамічні показники — рН і редокс-по- тенціал, які змінювалися при регулюванні ме- таболізму мікроорганізмів. У разі росту в середовищі LB з глюкозою ефективність іммобілізації Cu(II) становила 77 %: в осаді перебувало 72 % Cu(II), у кліти- нах — 5 %, у розчині — 23 %. При зміненні умов культивування той са- мий штам P. lactis UKR1 мобілізував сполуки Купруму. Відповідно до термодинамічного прогнозу, сполуки Cu(II) стабільні в нерозчин- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 2 99 МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 6. Іммобілізація Cu2+ метаногенним мікробним угрупованням при зброджуванні біомаси водних рос- лин Pistia stratiotes анаеробного зброджування біомаси інвазив- них рослин (водяного салату) (рис. 6). Швид- ке та ефективне вилучення Cu2+ з культураль- ної рідини зумовлено одночасними процесами відновлення (завдяки значній різниці редокс- потенціалів середовища та розчину металу) та осадження іонів Cu(ІІ) сірководнем у формі сульфіду CuS↓. Тривалість повної іммобіліза- ції становила всього 10 діб. Зброджування біомаси рослин за присут- ності високих концентрацій Cu2+ свідчить про можливість створення універсальних приро- доохоронних біотехнологій замкненого циклу. З використанням таких біотехнологій можна не лише досягти ефективного вилучення ток- сичних металів з водойм та ґрунтів, а й отрима- ти енергоносії — водень або метан. У відділі біології екстремофільних мікроор- ганізмів Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України експеримен- тально підтверджено також можливість акуму- ляції токсичних металів рослинами з подаль- шим зброджуванням біомаси таких рослин-фі- ному стані за рН  4,6. Було розраховано, що в разі зниження рН до значень, менших за 4,6, нерозчинний гідроксид Cu(OH)2↓ має перехо- дити в розчинну форму Cu2+. Для експериментального підтвердження можливості мобілізації штам UKR1 культи- вували за присутності Cu(OH2)↓, а єдиним джерелом вуглецю та енергії була глюкоза. При споживанні глюкози як субстрату мікро- організми синтезували органічні кислоти та знижували рН, що приводило до мобілізації Cu(OH)2↓. За таких умов було мобілізовано 52 % Cu (48 % залишилося у формі осаду). Отримані результати підтверджують мож- ливість регуляції мікробного метаболізму з ви- користанням термодинамічного прогнозу. Згідно з термодинамічним прогнозом, най- більш ефективно іммобілізація металів відбу- вається шляхом відновлення за умови істотної різниці між донорною (мікроорганізми) та акцепторною (метал-окисник) системами, а отже, найбільш ефективне відновлення мета- лів має здійснюватися низькопотенціальними облігатно анаеробними мікроорганізмами. Це положення було експериментально підтвер- джено на прикладі метаногенного мікробного угруповання. Було показано, що метаногенне мікробне угруповання повністю (з ефектив- ністю 100 %) іммобілізувало Купрум у процесі Рис. 7. Акумуля- ція Cr(VI) рос- линами Nicotiana tabacum L.: листя — 70 %; стебла — 13 %; ко- рені — 17 %; загальний баланс —5,2 г Cr(VI)/кг рослин через 30 діб Cu2+ 100 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ торемедіантів для отримання біогазу. Так, було показано, що польові трави Agrostis capillaris L., Festuca pratensis Huds та Poa pratensis L. і рос- лини тютюну звичайного Nicotiana tabacum L. ефективно вилучають з ґрунтів розчинні спо- луки Cu, Cr, Co, Ni та Cd (рис. 7). Рослини аку- мулювали іони металів у стеблах, коренях, але найбільше — у листі внаслідок стереохімічної аналогії металів і макроелементів. Біомасу та- ких рослин-фіторемедіантів можна використо- вувати як цінний субстрат для отримання біо- газу та концентрату металів у процесі зброджу- вання рослин мікроорганізмами. Було продемонстровано високу ефектив- ність мікробного зброджування біомаси рос- лин-фіторемедіантів: полину, кропиви, амбро- зії та золотарника. При цьому одночасно дося- гаються дві мети: утилізація забруднених рос- линних відходів та синтез енергоносія (вихід CH4 становив понад 50 л/кг біомаси рослин). Отже, ми продемонстрували перспектив- ність створення комбінованих природоохо- ронних біотехнологій біоремедіації та фіторе- медіації забруднених екосистем з одночасним отриманням енергоносіїв. За результатами виконаних робіт можна зробити такі висновки. 1. Методом термодинамічного прогнозуван- ня на прикладі Купруму теоретично обґрун- товано всі види взаємодії мікроорганізмів та рослин з металами, що забезпечують знешко- дження забруднювачів. 2. За умови регуляції метаболізму мікроор- ганізми та рослини здатні до іммобілізації роз- чинних сполук металів, тобто до перетворення їх у нерозчинні, а отже, нетоксичні й біологіч- но неактивні сполуки (наприклад, CuS↓), або до вилучення металів з ґрунтів завдяки мобі- лізації нерозчинних сполук цих металів та на- копиченню їх у рослинах. 3. Підтверджено високу ефективність збро- джування біомаси рослин-фіторемедіантів як способу знешкодження металів, ремедіації ґрунтів та синтезу енергоносіїв. 4. Отримані закономірності взаємодії мі- кроорганізмів та рослин зі сполуками металів є підґрунтям для створення нових біоремеді- аційних технологій (очищення стічних вод та ґрунтів) з одночасним отриманням енергоно- сіїв — водню та метану. REFERENCES 1. Abraham M.R., Susan T.B. Water contamination with heavy metals and trace elements from Kilembe copper mine and tailing sites in Western Uganda; implications for domestic water quality. Chemosphere. 2016. 169: 281—287. https:// doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.11.077 2. Flemming C.A., Trevors J.T. Copper toxicity and chemistry in the environment: a review. Water Air Soil Pollution. 1989. 44(1–2): 143—158. https://doi.org/10.1007/BF00228784 3. Pereira P., Bašić F., Bogunovic I., Barcelo D. Russian-Ukrainian war impacts the total environment. Science of the Total Environment. 2022. 837: 155865. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.15586 4. Husak V. Copper and copper-containing pesticides: metabolism, toxicity and oxidative stress. Journal of Vasyl Ste- fanyk Precarpathian National University. 2015. 2(1): 38—50. https://doi.org/10.15330/jpnu.2.1.38-50 5. Wenning R.J., Tomasi T.D. Using US Natural Resource Damage Assessment to understand the environmental con- sequences of the war in Ukraine. Integrated Environmental Assessment and Management. 19: 366—375. https://doi. org/10.1002/ieam.4716 6. Al-Saydeh S.A., El-Naas M.H., Zaidi S.J. Copper removal from industrial wastewater: A comprehensive review. J. Ind. Eng Chem. 2017. 56: 35—44. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.07.026 7. Cydzik-Kwiatkowska A., Zielińska M. Bacterial communities in full-scale wastewater treatment systems. World J. Microbiol. Biotechnol. 2016. 32(4): 1—8. https://doi.org/10.1007/s11274-016-2012-9 8. Andreazza R., Pieniz S., Wolf L., Lee M.K., Camargo F.A.O., Okeke B.C. Characterization of copper bioreduction and biosorption by a highly copper resistant bacterium isolated from copper-contaminated vineyard soil. Sci. Total Envi- ron. 2010. 408(7): 1501—1507. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2009.12.017 9. Volentini S.I., Farías R.N., Rodríguez-Montelongo L., Rapisarda V.A. Cu(II)-reduction by Escherichia coli cells is dependent on respiratory chain components. BioMetals. 2011. 24(5): 827—835. https://doi.org/10.1007/s10534-011- 9436-3 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 2 101 МОЛОДІ ВЧЕНІ 10. Rasool F.U., Ahmad L., Hassan A., Iqbal S., Sofi M.A. Phytoremedation: An Effective Way to Treat Heavy Metal Contamination. A Review. Current Journal of Applied Science and Technology. 2023. 42(47): 92—99. https://doi. org/10.9734/cjast/2023/v42i474320 11. Tripathi D.K., Singh V., Chauhan D., Prasad S., Dubey N.K. Role of macronutrients in plant growth and acclimation: recent advances and future prospective. In: Ahmad P., Wani M., Azooz M., Phan Tran L.S. (eds) Improvement of Crops in the Era of Climatic Changes. Springer, New York, 2014. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-8824-8_8 Olesia A. Havryliuk D.K. Zabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2815-3976 APPLICATION OF PHYTOBACTERIAL COMMUNITIES FOR BIOREMEDIATION OF ECOSYSTEMS According to the materials of report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, December 27, 2023 Currently, the most powerful source of metal pollution is the hostilities taking place on the territory of Ukraine as a result of Russia’s full-scale invasion. Rocket, artillery and mortar attacks, as well as the activity of military equipment and aviation led to the accumulation of heavy metals in the soil and the degradation of agrocenoses. The development of ef- fective methods of metals removal from polluted ecosystems is an urgent task of science and industry. The report deals with study of the concept of thermodynamic prognosis of the interaction of microorganisms and plants with metal com- pounds, microbial immobilization and mobilization of metals on the example of copper, accumulation of metals by phy- toremediant plants and their anaerobic degradation with energy carriers production. The approach is based on the ther- modynamic prognosis to substantiate the optimal pathway of microorganisms and plants interaction with metals. Ther- modynamic prognosis was used to determine the conditions and products of the interaction of microorganisms and plants with metal compounds. According to the thermodynamic prognosis the types of interaction of microorganisms with metals (on the example of copper) were clarified. Microorganisms were able to accumulate Cu2+ in microbial cells as a result of replacing the macroelement Mg2+ (stereochemical analogy of metals and macroelements), precipitate copper compounds without changing their valence state, and reduce Cu2+ to the insoluble oxide of monovalent copper Cu2O↓. The postulates of the thermodynamic prognosis were experimentally confirmed in laboratory conditions. Bacteria resis- tant to soluble Cu(II) compounds were isolated at the Department of Biology of Extremophilic Microorganisms of the D.K. Zabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine. They were not only resistant to metals, but also interacted with them — accumulated in cells and reduced to insoluble and non-toxic oxide Cu2O↓. Pseudomonas lactis UKR1 copper-resistant strain was studied. Strain was able to immobilize and mobilize copper compounds under the regulation of microbial metabolism. According to the thermodynamic prognosis, the most effective immobilization of metals should occur through reduction under conditions of significant difference between the donor (microorganisms) and acceptor (metal-oxidizer) systems. As a result, the most effective reduction of metals should be carried out by low-potential strict anaerobic microorganisms. This assumption was experimentally confirmed on the example of methanogenic microbial community. It was shown that the methanogenic microbial community completely (with 100% efficiency) immobilized copper during the anaerobic degradation of invasive plants biomass (water lettuce). The high efficiency of microbial degradation of phytoremediant plant biomass (grasses, tobacco, wormwood, nettle, rag- weed, and goldenrod) with biogas synthesis has already been demonstrated at the Department of Biology of Extremo- philic Microorganisms. Thus, the availability of development of combined environmental biotechnologies of bioremedia- tion and phytoremediation of polluted ecosystems with simultaneous production of energy carriers — hydrogen and methane was theoretically substantiated and experimentally confirmed. Keywords: heavy metals, soil pollution, phytobacterial communities, bioremediation, phytoremediation. Cite this article: Havryliuk O.A. Application of phytobacterial communities for bioremediation of ecosystems. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (2): 94—101. https://doi.org/10.15407/visn2024.02.094

Застосування фітобактеріальних угруповань для біоремедіації екосистем (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 грудня 2023 р.)

Similar Items