XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) в биоремедиации почв и воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Якунина М.Е. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №4"

Бредихина Е.В. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №4"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Развитие различных отраслей промышленности, широкое использование природных сырьевых и земельных ресурсов сопровождаются поступлением и рассеиванием больших количеств различных веществ, химических соединений, интенсивно загрязняющих окружающую среду.  Одним из важных путей попадания загрязнителей являются сбросы неочищенных или плохо очищенных промышленных стоков в природные воды. Попадая в окружающую среду, промышленные стоки оказывают мощное техногенное воздействие на водные и почвенные экосистемы, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов. В связи с этим на сегодняшний день важной задачей является разработка экологически чистых, дешевых и эффективных методов очищения промышленных стоков. Существующие традиционные методы имеют ряд недостатков, а именно: необходимость использования химических реагентов, производство больших объемов вторичных отходов, высокая стоимость и энергозатратность. Кроме этого, при низких концентрациях загрязняющих веществ в стоках эти методы показывают низкую эффективность. Поэтому важно искать недорогие и безопасные методы очистки.

В последнее десятилетие набирает обороты биоремедиация - восстановление окружающей среды с помощью живых организмов, которые, являясь полностью экологичными, помогают спасать экологическую ситуацию. Современные исследования показывают, что таким организмом являются одноклеточные грибы дрожжи – дешёвый, доступный организм, способный адсорбировать и перерабатывать загрязнители.

Цель проекта: оценка способности дрожжей очищать модели загрязнённой воды и почвы.

Гипотеза исследования: прессованные хлебопекарные дрожжи способны снижать концентрацию определённых загрязнителей (например, красителей или ионов тяжелых металлов) в водных растворах и почве.

Предмет исследования: процесс биоремедиации модельных загрязнителей.

Объект исследования: прессованные хлебопекарные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) 

На основе поставленной цели, выдвинутой гипотезы, предмета и объекта исследования, были поставлены следующие задачи исследования:

1. Изучить научную литературу по биоремедиации и свойствам дрожжей.
2. Подобрать доступные модели загрязнителей и разработать методику экспериментов.
3. Провести эксперименты по очистке воды и почвы с помощью дрожжей.
4. Проанализировать и сравнить эффективность дрожжей в разных условиях.
5. Сформулировать выводы.

6. Опубликовать результаты исследования.

Практическая значимость проекта: результаты исследования помогут в разработке методов очистки загрязнений воды и почвы.

1 Теоретическая часть

1.1 Что такое биоремедиация

Биоремедиация — это процесс использования живых организмов (бактерий, дрожжей, грибов, водорослей и растений) для детоксикации загрязняющих веществ или снижения их концентрации в окружающей среде. 

Основная цель биоремедиации — восстановление естественного экологического равновесия в загрязнённых экосистемах за счёт биологического разложения или трансформации токсичных соединений в безвредные формы [1]. 

Выделяют два основных вида биоремедиации:

Ex situ — обработка вне загрязнённой территории. Загрязнённую землю извлекают и обрабатывают в другом месте, например, на специальном полигоне, в компосте или биореакторе.

In situ — очистка непосредственно на месте. Загрязнённую землю очищают прямо на месте загрязнения, без необходимости её перемещения.

Используемые методы:

Некоторые методы биоремедиации:

Фиторемедиация — использование растений для удаления или разложения загрязняющих веществ. Некоторые растения способны накапливать или разрушать загрязнители благодаря своим клеткам или микроорганизмам, находящимся в их корневой системе.

Биоаугментация — добавление в загрязнённую среду специальных биопрепаратов, содержащих микроорганизмы для разложения загрязнителей. Этот метод особенно эффективен, когда естественная популяция бактерий недостаточна для полноценного разложения.

Биостимуляция — внесение в почву питательных веществ, которые способствуют росту микроорганизмов. Например, гуматы можно использовать для поддержания активности и жизнеспособности бактерий.

Микоремедиация — для очищения территории используют грибы, которые ускоряют процесс биоразложения и повышают общую эффективность метода.

Примеры

Биоремедиация применяется для очистки почв, водных экосистем, донных отложений, промышленных сточных вод и атмосферных выбросов. Например: 

Очистка почв от нефтепродуктов и углеводородов — осуществляется методами биоплёночных реакторов, биокомпостирования и фитостабилизации.

Ремедиация сточных вод — с использованием активного ила и биофильтров обеспечивает снижение концентраций органических загрязнителей, аммония и фосфатов.

Очистка водоёмов — с помощью фиторемедиации и микоремедиации позволяет снизить уровни тяжёлых металлов, нитратов и токсичных органических соединений.

Перспективы

Некоторые направления развития биоремедиации:

Генетическая инженерия микроорганизмов — создание генетически модифицированных штаммов, обладающих повышенной способностью к разложению конкретных загрязнителей.

Создание консорциумов, способных к разрушению сложных поликомпонентных загрязнений.

Применение нанобиотехнологий для ускорения биодеградации и мониторинга процессов.

Разрабатываются гибридные технологии, объединяющие биологические и физико-химические методы, что повышает эффективность очистки и снижает затраты [2]. 

1.2 Дрожжи Saccharomyces cerevisiae: строение, питание, размножение

Saccharomyces cerevisiae — вид одноклеточных микроскопических грибков (дрожжей) из класса сахаромицетов. Также известен как пекарские дрожжи. Широко используется в производстве алкогольной и хлебопекарной продукции, а также в научных исследованиях

Клетки имеют округлую, яйцевидную или эллипсоидную форму, размер — от 2,5 до 10 мкм в поперечнике и от 4,5 до 21 мкм в длину (Приложение 1). Размер и форма клеток одного и того же штамма определяются генетически и могут варьироваться в зависимости от условий культивирования. 

Питание дрожжей

Дрожжи питаются углеводами — сахарами. Они поглощают сахар, превращая его в спирт и выделяя при этом углекислый газ. Если в процессе питания дрожжи имеют доступ к кислороду (аэробные условия), то активнее выделяется углекислый газ. Если доступа кислорода нет (анаэробные условия), то активнее выделяется спирт, запуская процесс брожения. При отсутствии сахаров для питания дрожжи расщепляют крахмал, но сладкое у них всё равно в приоритете.

Дрожжи требовательны к окружающей среде: они гибнут, если температура опускается ниже +5 °С или поднимается выше +55 °С.

Размножение

Клетки Saccharomyces cerevisiae размножаются вегетативным образом при помощи почкования. Сначала появляется вырост на материнской клетке, затем происходит митотическое деление ядра, образование клеточной стенки и отделение клеток друг от друга.

На материнской клетке остаётся шрам от почкования, что позволяет определить её возраст. Обычно материнская клетка может образовывать 20–30 почек.

Клетки дрожжей могут пребывать в одном из двух стабильных состояний (фазах): гаплоидном (сфероиды) и диплоидном (эллипсоиды), которые считаются различными поколениями. В течение каждой фазы пекарские дрожжи размножаются вегетативно почкованием [4]. 

1.3 Использование дрожжей в биоремедиации

Механизмы очистки сточных вод

Дрожжи могут использовать разные механизмы очистки: 

• Биосорбция — пассивное связывание ионов тяжёлых металлов или молекул на поверхности клетки.

• Биоаккумуляция — активное поглощение и накопление загрязнителей внутри клетки.

• Биодеградация — разложение органических загрязнителей (например, нефтепродуктов) для получения энергии.

Микроорганизмы выделяют из естественной микрофлоры, присутствующей в загрязнённой среде, или получают методами генной инженерии. 

Виды дрожжей для биоремедиации

Для биоремедиации используют, например:

• Дрожжи рода Candida — их применяют для очистки промышленных сточных вод, загрязнённых нефтепродуктами. Штаммы Candida способны к поглощению и метаболизму широкого спектра нефтепродуктов, включая ализарин, фенолы и тяжёлые углеводороды.

• Штамм дрожжей Yarrowia lipolytica — его используют для биоремедиации сточных вод, загрязнённых нитроароматическими соединениями (например, тринитротолуолом). Штамм обладает специфическими ферментами, которые позволяют обезвреживать загрязнители.

Условия биоремедиации дрожжевыми культурами

Препараты на основе дрожжей часто оказываются более эффективными в экстремальных условиях среды: при кислом pH, в сухих почвах или почвах, содержащих питательные вещества в виде локальных микроагрегатов, в условиях повышенного солесодержания. 

Для активации микроорганизмов перед использованием препараты разводят в водной среде, содержащей питательные компоненты и, возможно, загрязняющее вещество, и выдерживают некоторое время (от нескольких часов до суток), если требуется, при аэрировании [5]. 

2 Практическая часть

Практической частью проекта предстояло проверить способность дрожжей очищать модели загрязнённой воды и почвы.

Место проведения эксперимента

Исследование было проведено на базе «Точки роста» МОУ «СОШ №4» г. Южноуральска в январе-феврале 2026 года.

2.1 Очистка воды от органического красителя (Приложение 2)

Цель: показать способность дрожжей адсорбировать растворённые органические вещества.

Материалы: прессованные дрожжи (суспензия приготовлена исходя из расчета 10 г дрожжей на 200 мл теплой воды), стаканы, колбы, вода, мерный стаканчик, ложка, воронка, фильтр, метиленовый синий, свекольный сок.

Ход работы:

1. Приготовление раствора загрязнителя: в два стакана налили по 100 мл воды и добавили 1 мл раствора метиленового синего.

2. В один стакан (опытный) добавили 10 мл суспензии дрожжей. Второй стакан (контрольный) оставили без изменений.

3. Наблюдали за изменением интенсивности окраски в обоих стаканах в течение 24-72 часа. Периодически проводилось помешивание.

4. Через 72 часа профильтровали растворы через бумажный фильтр. Сравнили цвет фильтратов.

Все образцы были разделены на 2 части. 1 часть всех растворов профильтровали спустя 24 часа. Таким образом, было отмечено изменение цвета раствора уже спустя сутки. Экспериментальные растворы (с добавлением суспензии дрожжей) были гораздо светлее, чем контрольные. В стакане со свекольным соком наблюдалось вспенивание, видимо вызванное размножением дрожжей, так как свекольный сок содержит в своем составе углеводы, которые являются субстратом для процессов жизнедеятельности дрожжей. Эксперимент со свекольным соком далее не проводился. Эксперимент с раствором метиленового синего был продолжен. Спустя 72 часа оставшуюся часть растворов профильтровали и обнаружили практически полное исчезновение окраски в растворе с добавлением суспензии дрожжей. Эксперимент проводился в 3 повторениях. Результаты каждого опыта были приблизительно одинаковыми.

Таким образом, можно сделать вывод о способности дрожжей очищать воду от органического загрязнителя.

2.2 Влияние дрожжей на рост растений в загрязнённой почве (Приложение 3)
Цель: оценить, как дрожжи улучшают состояние почвы, загрязнённой солью.
Материалы: одноразовые стаканчики, грунт цветочный «TerraVita» , семена редиса, поваренная соль (модель засоления/стресса), суспензия дрожжей.

Ход работы:

1. Приготовили 4 группы образцов:

Группа 1 (контроль): чистая почва (стерильный почвогрунт).

Группа 2 (загрязнённая): почва + раствор соли.

Группа 3 (опытная): почва + раствор соли + дрожжи.

Группа 4 (опытная): почва + дрожжи (для проверки влияния только дрожжей).

2. Почву загрязнили в группах 2 и 3 крепким раствором соли.

3. Внесли суспензию дрожжей в группы 3 и 4.

4. Посеяли семена редиса (по 5 штук) во все горшки и поставили их на свет.

5. Наблюдали за всхожестью семян, скоростью роста растений, их цветом и общим состоянием. Эксперимент проводился в 3 повторениях, в сводную таблицу вносился средний результат.

Результаты оценивались каждые сутки, начиная со вторых. Всходы в 1 и 4 группе появились уже на 2 сутки, а проклюнулись семена на первые. В 3 опытной группе всходы появились на 3 сутки и проросло только 3 семени. Во 2 группе, где почва была загрязнена раствором соли, всходов не было на протяжении всего периода наблюдений. Наблюдения продолжались 7 суток.

Было отмечена следующая закономерность: наилучший результат показали семена, высаженные в почву с добавлением суспензии дрожжей, ростки были крепче, раньше развернулась вторая пара листочков. Дрожжи ускоряют переработку органических веществ и способствуют высвобождению элементов питания, уже находящихся в грунте. В результате корневая система растений получает доступ к питанию в более усвояемой форме. Раствор соли, добавленный в почву, негативно сказывается на прорастании семян, вызывая осмотическую потерю воды клетками, что приводит к гибели зародыша, однако, суспензия дрожжей помогла снизить негативное влияние соли на развитие проростков. Результаты были несколько хуже контрольного опыта, но семена взошли и развивались.

Анализируя полученный результат, можно сделать вывод, что дрожжи оказывают положительное влияние на рост растений и способствуют снижению влияния загрязненной почвы.

2.3 Очистка воды от ионов тяжелых металлов (качественная реакция)

Цель: показать способность дрожжей осаждать ионы меди.

Материалы: суспензия дрожжей, раствор медного купороса (CuSO₄), стаканы, колбы, воронки, фильтры.

Ход работы:

1. Приготовили голубой раствор медного купороса. Разлили его в два стакана.
2. В один стакан добавили суспензию дрожжей, второй оставили для контроля.
3. Оставили растворы на 24-48 часов.

4. Профильтровали растворы. Результат оценивали по окраске контрольного и опытного растворов. (Приложение 4)

Оценка результата: в опытном образце при фильтрации на фильтре осталась биомасса дрожжей с измененным цветом (более тёмная), а фильтрат был менее окрашен, чем контроль. Это свидетельствует о снижении концентрации ионов меди в воде, содержащей суспензию дрожжей. Интенсивность синего цвета уменьшилась, вероятно, из-за адсорбции молекул красителя на клеточных стенках дрожжей.

Заключение

Работая над проектом, было выявлено, что биоремедиация — мощный инструмент восстановления экосистем, способный стать основой устойчивого развития общества. Необходима дальнейшая научная работа по созданию высокоэффективных штаммов, разработке методов контроля и управлению процессами очистки. Комплексный подход, включающий биоремедиацию, физико-химические и инженерные методы, позволит достичь значительных успехов в охране окружающей среды и создании безопасной среды обитания для человека.

В ходе работы экспериментально подтверждено, что прессованные дрожжи осветляют водный раствор органического красителя. Внесение дрожжей в почву, загрязненную хлоридом натрия, улучшило всхожесть семян и рост растений, по сравнению с загрязненной почвой без дрожжей, а так же раствор дрожжей снижает концентрацию тяжелых металлов в воде.

Гипотеза о способности дрожжей очищать воду и почву от модельных загрязнителей подтвердилась. Метод является перспективным, дешёвым и безопасным.
Данное исследование имеет большие перспективы для дальнейшего изучения. Было бы интересно изучить влияние температуры, pH на эффективность работы дрожжей. Возможно в дальнейших исследованиях использование других штаммов дрожжей, испытание на реальных образцах воды с нефтепродуктами.

Работая над проектом, я научилась анализировать литературные источники, проводить биохимические эксперименты и анализировать их результаты. Данное исследование поможет заинтересовать широкие массы общественности проблемами сохранения окружающей среды и устранения имеющихся загрязнений.

Список литературы

1. Кузнецова А.С., Кузнецов И.А. Технологии восстановления экосистем: биоремедиация и ее успехи. [Электронный ресурс] // Режим доступа: tehnologii-vosstanovleniya-ekosistem-bioremediaciya-i-ih-uspehi.pdf (дата обращения 9.01.2026)

2. Любицкая А.В. Биоремедиация: что это и как работает [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://article/104805-25-6m-bioremediatsiya-chto-eto-i-kak-rabotaet-v-2025-godu. (дата обращения 9.01.2026)

3. Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм: Учеб. Пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://books.ifmo.ru/file/pdf/1892.pdf (дата обращения 10.01.2026)

4. Биоремедиация. Большая российская энциклопедия. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://bigenc.ru/c/bioremediatsiia-2cc5de (дата обращения 9.01.2026)

5. Гаранин Р.А., Лыков И.Н. Исследование возможности использования дрожжей (SACCHAROMYCES CEREVISIAE) в качестве биосорбента тяжелых металлов из промышленных сточных вод. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://vestniken.bmstu.ru/articles/266/html/files/assets/basic-html/page1.html (дата обращения 12.01.2026)

6. Артемьева О.А., Логвинова Т.И., Никанова Д.А. Молочные дрожжи Kluyveromyces и их биологический потенциал [Электронный ресурс] // Режим доступа: gk.fncbst.ru/wp-content/uploads/10.-Artemeva.pdfrtemeva.pdf (дата обращения 12.01.2026)

7. Дрожжевые экстракты: инновации и применение в современной промышленности. [Электронный ресурс] // Режим доступа: Дрожжевые экстракты: производство, применение и инновацииhttps://act-ingredients.ru/tpost/5f67eo46h1-drozhzhevie-ekstrakti-innovatsii-i-prime?ysclid=mk6jj6e3yf466891009 от эксперта (дата обращения 12.01.2026)

8. Биопрепараты для ликвидации загрязнений [Электронный ресурс] // Режим доступа: //studfile.net/preview/5865387/page:29/репараты для ликвидации загрязнений (дата обращения 12.01.2026)

Приложение 1

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae

Приложение 2

Очистка воды от органического красителя

Приготовление суспензии дрожжей

Приготовление растворов

Раствор метиленового синего

начало эксперимента спустя 24 часа

спустя 72 часа

Раствор свекольного сока

до начала эксперимента спустя 24 часа

Приложение 3

Влияние дрожжей на рост растений в загрязнённой почве

всходы на 2 сутки

всходы на 3 сутки

всходы на 4 сутки

Таблица 1.Результаты исследования влияния дрожжей на рост растений в загрязнённой почве

Приложение 4

Очистка воды от ионов тяжелых металлов (качественная реакция)

начало эксперимента спустя 48 часов