О коллекции

ПРЕДИСЛОВИЕ

Микроводоросли и цианобактерии относятся к фототрофным микроорганизмам с высоким биотехнологическим потенциалом. Их способность использовать световую энергию и неорганические субстраты для образования биомассы и синтеза целевых продуктов позволяет рассматривать эти культуры как перспективную основу для биоэнергетических и биопродукционных технологий (Zayadan et al., 2021; Sadvakasova et al., 2023).

Несмотря на функциональное сходство, микроводоросли и цианобактерии относятся к различным эволюционным ветвям. Микроводоросли представлены преимущественно эукариотическими одноклеточными и колониальными формами, тогда как цианобактерии являются прокариотами, осуществляющими кислородный фотосинтез. В настоящее время идентификация культур основывается на совокупности морфологических, физиолого-биохимических и молекулярно-генетических признаков; для эукариотических микроводорослей широко применяется анализ 18S rRNA, а при изучении цианобактерий — анализ 16S rRNA (Strunecký et al., 2023; Khaw et al., 2020).

Фототрофные микроорганизмы населяют пресные и морские водоёмы, почвы, термальные и солёные местообитания, а также техногенно изменённые экосистемы. Штаммы различного происхождения могут существенно различаться по скорости роста, устойчивости к температуре и солёности, способности использовать различные источники питания и характеру накопления целевых метаболитов. Поэтому биотехнологический потенциал необходимо оценивать не только на уровне рода или вида, но и на уровне конкретного штамма. Такие межштаммовые различия отчётливо проявляются при скрининге природных микроводорослей по продуктивности, содержанию липидов и жирнокислотному профилю (Balouch et al., 2023).

Биомасса микроводорослей и цианобактерий может содержать белки, углеводы, липиды, жирные кислоты, хлорофиллы, каротиноиды, фикобилипротеины и другие функционально значимые соединения. Продуктивность по этим компонентам зависит от генотипа культуры и условий культивирования, включая состав питательной среды, освещение и температуру. Для цианобактерий особый интерес представляет управляемое получение пигментов, тогда как для ряда микроводорослей важными направлениями остаются получение биомассы, богатой липидами и белками, биоэнергетическое использование и интеграция в циркулярные биотехнологические процессы (Sandybayeva et al., 2022; Sadvakasova et al., 2023).

Культуральные коллекции обеспечивают сохранение штаммового разнообразия и доступность живого материала для воспроизводимых фундаментальных и прикладных исследований. Поддержание коллекций требует систематического контроля жизнеспособности и чистоты культур, стандартизированных условий пересева, а также применения криоконсервации и других методов длительного хранения (Foo et al., 2023). Паспортизация штаммов дополняет эту функцию посредством документирования их происхождения, таксономического статуса, морфологических, культуральных и физиолого-биохимических особенностей.

Коллекция микроводорослей и цианобактерий КазНУ имени аль-Фараби объединяет культуры природного, селекционного и коллекционного происхождения и поддерживается в качестве научной базы для изучения фототрофных микроорганизмов. Согласно обновлённым материалам коллекции, в настоящее время её фонд насчитывает более 70 штаммов. Исторически в её составе представлены зелёные микроводоросли родов Chlorella, Dunaliella и Chlamydomonas, а также цианобактерии родов Spirulina, Nostoc, Synechocystis, Anabaena, Phormidium, Oscillatoria и Synechococcus. Фонд пополнялся собственными изолятами, выделенными из различных экосистем Казахстана, и культурами, полученными в рамках научного обмена (Коллекция микроводорослей и цианобактерий КазНУ, 2017).

Цель настоящего издания — систематизация и научное обобщение сведений о штаммах, хранящихся в коллекции, с отражением их таксономической принадлежности, происхождения, культурально-морфологических особенностей, условий хранения, физиолого-биохимических характеристик и биотехнологически значимых свойств. Представленные материалы формируют целостную характеристику коллекционного фонда и создают информационную основу для обоснованного выбора культур в последующих фундаментальных исследованиях и прикладных разработках.

Таким образом, сочетание сохранения живых культур с их научной паспортизацией позволяет рассматривать коллекцию КазНУ как динамический биоресурс. Её значение определяется не только сохранением штаммового разнообразия, но и возможностью связывать происхождение и биологические особенности культур с экспериментально установленными функциональными свойствами и перспективами практического применения.

ВВЕДЕНИЕ

Коллекции культур фототрофных микроорганизмов являются важной составляющей современной научной инфраструктуры, обеспечивающей сохранение, документирование, идентификацию генетических ресурсов микроорганизмов и доступ к ним. Они играют важную роль в сохранении микробного биоразнообразия ex situ, проведении таксономических и физиолого-биохимических исследований, а также в поиске и разработке новых биотехнологических продуктов и процессов. Согласно рекомендациям Всемирной федерации коллекций культур (WFCC), культуральные коллекции представляют собой фундаментальную научную инфраструктуру, необходимую для сохранения биологических ресурсов, развития биотехнологии и биоэкономики.

Фототрофные микроорганизмы, включая микроводоросли и цианобактерии, представляют особый интерес как перспективный источник биомассы, биологически активных соединений и других продуктов с высокой добавленной стоимостью. Благодаря разнообразию метаболических путей микроводоросли и цианобактерии могут использоваться в производстве пищевых, кормовых и фармацевтических продуктов, биотоплива и других биологических продуктов. Современные исследования также рассматривают фототрофные микроорганизмы как перспективные объекты таких направлений экологической биотехнологии, как биоремедиация и мониторинг состояния окружающей среды.

В настоящее время Казахстанская коллекция культур фототрофных микроорганизмов (QCCPM — Qazaqstan Culture Collection of Phototrophic Microorganisms) включает более 70 штаммов. Коллекционный фонд состоит преимущественно из зелёных микроводорослей, относящихся к родам Chlorella, Dunaliella и Chlamydomonas, а также цианобактерий, представленных главным образом родами Spirulina, Nostoc и Synechocystis. Такое таксономическое разнообразие создаёт основу для сравнительного изучения физиологических, биохимических и биотехнологических свойств различных групп фототрофных микроорганизмов.

Особое значение для коллекции имеют штаммы, выделенные из природных сред Центральной Азии. В состав QCCPM включены культуры, изолированные из почвенных и водных альгологических проб, собранных на территории Казахстана. Коллекция пополнялась штаммами, полученными из коллекций IPPAS и CALU Российской Федерации, CCALA Чешской Республики, а также из коллекции Chlamydomonas Университета Дьюка в США. Наряду с природными изолятами в коллекции сохраняются мутантные штаммы микроводорослей и цианобактерий, полученные методами мутагенеза и селекции. На базе QCCPM проводятся комплексные исследования молекулярно-генетической таксономии, биологии и экологии, физиологии и биохимии микроводорослей и цианобактерий.

Наличие природных изолятов, выделенных из различных экологических условий, и генетически модифицированных культур расширяет возможности поиска штаммов с ценными физиологическими и метаболическими признаками. Вместе с тем надёжная идентификация культур и сохранение их стабильности имеют первостепенное значение для дальнейшего использования в фундаментальных и прикладных исследованиях. В биотехнологии микроводорослей особое значение имеют качество и стабильность культур, а также контроль сопутствующей микробиоты, поскольку эти факторы могут существенно влиять на воспроизводимость экспериментальных результатов и технологические характеристики штаммов.

На базе QCCPM проводятся комплексные исследования молекулярно-генетической таксономии, биологии и экологии, физиологии и биохимии микроводорослей и цианобактерий. Особое внимание уделяется изучению морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и молекулярно-генетических характеристик выделенных штаммов, а также оценке их биотехнологического потенциала.

Одним из приоритетных направлений исследований является поиск и скрининг перспективных культур фототрофных микроорганизмов, способных продуцировать ценные биологически активные соединения. К продуктам с высоким потенциалом относятся пигменты, липиды, полисахариды, белки, антиоксиданты и другие биологически активные метаболиты. Получаемая биомасса также может рассматриваться как сырьё для производства кормовых продуктов, биологически активных добавок, биоудобрений и биотоплива. Современные технологии культивирования микроводорослей направлены на повышение продуктивности биомассы и эффективное получение целевых биологических продуктов.

Ещё одним перспективным направлением является использование фототрофных микроорганизмов в экологической биотехнологии. Благодаря способности поглощать неорганические соединения, участвовать в трансформации различных загрязнителей и одновременно формировать ценную биомассу микроводоросли и цианобактерии могут применяться в технологиях биоремедиации загрязнённых водных и почвенных объектов. Это особенно актуально для Казахстана, поскольку разнообразие природных экосистем и наличие территорий, испытывающих антропогенную нагрузку, обусловливают необходимость поиска адаптированных к местным условиям биологических ресурсов для мониторинга окружающей среды и восстановления нарушенных экосистем.

Таким образом, QCCPM представляет собой не только коллекцию культур фототрофных микроорганизмов, но и научно-исследовательскую платформу для сохранения микробного биоразнообразия, проведения таксономических исследований, поиска новых биологически активных соединений и разработки прикладных биотехнологий. Международный опыт показывает, что развитие культуральных коллекций, совершенствование их документации и повышение качества систем идентификации и хранения имеют важное значение для расширения доступа к биологическим ресурсам и их эффективного использования в научных исследованиях и технологических разработках.

Цель настоящего исследования — охарактеризовать современный состав QCCPM, систематизировать представленные в коллекции культуры фототрофных микроорганизмов и оценить их научный и биотехнологический потенциал для дальнейшего использования в фундаментальных и прикладных исследованиях.

Одним из первых и системно развивавшихся направлений стала экологическая биотехнология. Активные исследования были направлены на изучение природных сообществ микроводорослей в качестве индикаторов состояния водной среды и оценку их участия в процессе биологической очистки сточных вод. В ходе этих работ на очистных сооружениях города Алматы были выявлены 149 видов и внутривидовых таксонов микроводорослей, установлено биоиндикационное значение их видового состава и показано, что такие устойчивые представители, как Chlorella vulgaris и Scenedesmus obliquus, активно участвуют в поглощении органических соединений и биогенных элементов. Полученные результаты были обобщены в кандидатской диссертации «Роль микроводорослей в биоиндикации и очистке загрязнённых сточных вод города Алматы». Таким образом, уже на начальном этапе была сформирована научная основа для одновременного использования микроводорослей в качестве индикаторных и биоремедиационных организмов.

Дальнейшее развитие этого направления было связано с целенаправленным получением культур, устойчивых к токсичным загрязнителям. Методами индуцированного мутагенеза и селекции были получены кадмийустойчивые штаммы Chlamydomonas reinhardtii и изучены их фенотипические, физиолого-биохимические и генотипические особенности. Консорциум, созданный на основе мутантных культур и Chlorella vulgaris Z-1, продемонстрировал высокую эффективность удаления ионов тяжёлых металлов: сорбция кадмия достигала 85%, а цинка и меди — 100%. Эти результаты легли в основу кандидатской диссертации «Получение кадмийустойчивых мутантных штаммов Chlamydomonas reinhardtii и их использование в экобиотехнологии». Таким образом, экологическое направление закономерно развивалось от биоиндикации водных экосистем к созданию специализированных культур и консорциумов для их очистки.

Впоследствии исследования в этом направлении были ориентированы на сочетание очистки сточных вод с получением функциональной биомассы микроводорослей. В рамках диссертационного исследования «Биологическая очистка сточных вод рыбного хозяйства и получение кормовых добавок для рыб на основе микроводорослей» была показана эффективность культуры Chlorella vulgaris SP BB-2 в биоремедиации сточных вод рыбного хозяйства. Полученная в процессе культивирования биомасса, богатая белками, углеводами и липидами, использовалась в качестве кормовой добавки для тиляпии Oreochromis niloticus. Эти результаты позволили объединить в единую технологическую схему очистку водной среды, утилизацию биогенных элементов и последующее применение выращенной биомассы в аквакультуре.

Биоэнергетический потенциал коллекционных культур представляет собой самостоятельное и системно развивающееся направление исследований. В ходе поиска продуцентов липидов из экстремальных местообитаний были выделены и идентифицированы шесть новых штаммов цианобактерий, изучены их физиолого-биохимические свойства и жирнокислотный состав. У штамма Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200 было выявлено высокое содержание миристиновой и C16 жирных кислот, а в результате автоселекции получен Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200-2, характеризующийся высоким накоплением биомассы и липидов и рассматриваемый как перспективный сырьевой объект для производства биодизеля. Эти исследования были выполнены в рамках диссертационной работы «Получение активных штаммов цианобактерий — продуцентов жирных кислот» и расширили возможности коллекции в поиске энергетических культур промышленного значения.

Следующий этап биоэнергетических исследований был связан с изучением способности цианобактерий к биологическому производству водорода. В рамках PhD-диссертации «Скрининг водородпродуцирующих штаммов цианобактерий и оптимизация условий их культивирования», защищённой в 2023 году, был проведён сравнительный скрининг коллекционных и вновь выделенных культур. Наиболее высокая способность к выделению водорода в темноте была выявлена у гетероцистного штамма Anabaena variabilis A-1. Оптимизация минерального состава питательной среды и сочетания дефицита азота и серы позволила повысить продуктивность по водороду; максимальный показатель на среде BG0-11-S составил 9,82 мкмоль H₂/мг хлорофилла/ч. На основе выбранного штамма был разработан лабораторный регламент получения биоводорода, культура депонирована в Республиканской коллекции микроорганизмов под номером RKM0960, а её применение защищено патентом на полезную модель №8167. Таким образом, биоэнергетическое направление развивалось от оценки жирнокислотного состава фототрофных культур к штаммовым технологиям, ориентированным на получение различных видов биотоплива.

Наряду с экологической и энергетической биотехнологией активно проводятся исследования, направленные на получение функциональной биомассы и биоактивных соединений фототрофных микроорганизмов. В настоящее время выполняются работы по теме «Исследование потенциала воздействия биоактивных веществ фототрофных микроорганизмов на сахарный диабет». В рамках этого исследования была изучена альгофлора солёной части озера Балхаш, определён таксономический состав фототрофных организмов и выделены восемь аксенических культур микроводорослей и цианобактерий. По совокупности морфологических, культуральных, физиологических и продукционных характеристик для последующих биотехнологических исследований был выбран высокобелковый штамм Spirulina platensis ZBK-2. Этот результат расширяет функциональный потенциал коллекции в поиске перспективных культур для получения биологически активных продуктов.

Кроме того, на основе коллекции развиваются исследования в области природных пигментов, кормовых и сельскохозяйственных биопрепаратов. Для Oscillatoria subbrevis CZS 2201 разработаны способы получения миксоксантофилла, а для Desertifilum sp. IPPAS B-1214 — лабораторный регламент получения хлорофилла a. В агробиотехнологическом направлении коллекционные штаммы Nostoc sp. J-14 и Trichormus variabilis K-31 использовались для оценки биостимулирующего действия на растения Oryza sativa в условиях засоления. Эти работы отражают переход от сохранения культур и первичного скрининга к их целенаправленному использованию в специализированных биотехнологических процессах.

В настоящее время коллекционный фонд является ресурсной основой выполнения научно-исследовательских проектов АР23485416 (руководитель Б. К. Заядан), АР26101745 (руководитель Ф. К. Сарсекеева), АР23488028 (руководитель А. К. Садвакасова), АРAP23488308 (руководитель Н. Р. Акмуханова), АР23485836 (руководитель К. Болатхан), АР22685516 (руководитель С. Сандыбаева), международного проекта №202ЕО1032 (руководитель Б. К. Заядан), АР22788030 (руководитель М. О. Бауенова) и АР32521343 (руководитель Г. А. Ахметова). Использование коллекционных и вновь выделяемых штаммов в рамках этих проектов обеспечивает преемственность исследований и позволяет связывать происхождение и биологические свойства культур с их функциональной оценкой и практическим применением.

Таким образом, коллекция микроводорослей и цианобактерий КазНУ развивается одновременно как биоресурс, исследовательская инфраструктура и основа научной школы. Преемственность выполненных диссертационных и прикладных исследований показывает, что коллекционный фонд представляет собой не статичный набор штаммов, а постоянно развивающуюся экспериментальную платформу, объединяющую биоиндикацию и биоремедиацию, аквакультуру, биоэнергетику, получение биоактивных веществ и природных пигментов, а также агробиотехнологические разработки. Настоящее издание отражает эту преемственность и систематизирует накопленные сведения о культурах, служащих основой для дальнейшего развития фотобиотехнологии в Казахском национальном университете имени аль-Фараби.