XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЦИАНОБАКТЕРИИ: ЗЕЛЕНЫЕ МИКРОЗАВОДЫ КИСЛОРОДА И УДОБРЕНИЙ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шабалина В.М. 1

---

1АНОО «Областной технолицей им. В. И. Долгих»

Пенкина В.Р. 1

---

1АНОО «Областной технолицей им. В. И. Долгих»

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современное мировое сообщество сталкивается с беспрецедентными экологическими и аграрными вызовами в связи с непрерывным ростом населения планеты [7,8]. Стремительный рост потребности в продовольствии требует масштабного увеличения урожайности, однако традиционное сельское хозяйство критически зависит от химических удобрений [8,7]. Промышленное производство азотных удобрений требует огромных энергозатрат, истощает запасы ископаемого топлива и оставляет значительный углеродный след в виде выбросов парниковых газов [8]. Кроме того, избыточное применение синтетических удобрений приводит к деградации почв, нарушению почвенного микробиома и загрязнению водоемов [7]. Это диктует острую необходимость перехода к устойчивым, природоподобным агротехнологиям в рамках концепции циркулярной биоэкономики [7].

Цель: вырастить и исследовать цианобактерии в школьной лаборатории, определить как свет разного спектра (красный, синий и зелёный) влияет на их рост и изучить возможности использования полученной биомассы как экологичного удобрения.

Актуальность темы: Цианобактерии — это древнейшие фотосинтезирующие организмы Земли [5]. Именно они миллиарды лет назад начали выделять кислород и изменили состав атмосферы, создав условия для появления растений, животных и человека [7]. За эту уникальную способность их называют «зелёными микрозаводами кислорода» [7].

Кроме того, цианобактерии способны фиксировать атмосферный азот, превращая его в форму, доступную растениям [8,5]. Это делает их природным экологичным удобрением, которое может частично заменить химические удобрения и снизить вред для почвы и воды [5].

В условиях экологического кризиса, загрязнения атмосферы и стремления к устойчивому сельскому хозяйству изучение цианобактерий становится особенно актуальным [7]. Эти микроорганизмы рассматриваются как важный биотехнологический ресурс, способный помочь в создании «зелёных» технологий будущего — от производства удобрений до получения кислорода на других планетах. Технологии на основе цианобактерий входят в проекты по терраформированию Марса [7].

Задачи:

1. Получить стартовую культуру цианобактерий.

2. Самостоятельно культивировать их под белым светом и оценить динамику роста.

3. Изучить влияние красного, синего и зелёного света на рост и фотосинтез.

4. Сравнить результаты разных серий экспериментов.

5. Подготовить полученную биомассу как удобрение.

6. Проверить её влияние на рост растений.

7. Сделать выводы о практической значимости применения цианобактерий.

Объект исследования:

Культуры цианобактерий (Synechococcus sp. и Anabaena sp.)

Методы исследования:

1. Анализ специальной научной литературы о биологических свойствах цианобактерий, принципах работы фотобиореакторов и методах применения цианобактериальной биомассы в качестве экологически чистых удобрений;

2. Сравнительный анализ динамики роста цианобактерий (оценка изменения pH среды, интенсивности выработки кислорода и количества клеток) при культивировании под воздействием источников света различного спектра (белого, красного, синего и зеленого);

3. Анализ эффективности применения полученной биомассы цианобактерий в качестве натурального азотного удобрения в экспериментальных условиях (на примере оценки развития корневой системы и скорости роста толстянки).

Гипотеза исследования: если выращивать цианобактерии под белым и красным светом, то их рост и фотосинтетическая активность будут максимальными, а полученную биомассу можно будет использовать как эффективное натуральное удобрение.

Цианобактерии: характеристики, применение и перспективы использования

Цианобактерии — это фотосинтезирующие прокариотические микроорганизмы, способные к кислородному фотосинтезу [3]. Они считаются одними из древнейших форм жизни на Земле и сыграли решающую роль в формировании кислородной атмосферы [7]. По строению цианобактерии относятся к бактериям, однако по способу питания и роли в экосистемах сходны с растениями [9, 7].

Основной биохимический процесс, лежащий в основе их жизнедеятельности, — фотосинтез, при котором энергия света используется для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды с выделением кислорода [9].

Цианобактерии широко распространены в природе и обитают в пресных и морских водоёмах, почвах, на поверхности камней, а также в экстремальных условиях — при высоких температурах, засухе и низких температурах [4].

Основные особенности строения и жизнедеятельности

Для цианобактерий характерны:

• отсутствие оформленного ядра;

• наличие фотосинтетических пигментов (хлорофилл a, фикобилины);

• высокая приспособляемость к условиям среды;

• способность некоторых видов к фиксации атмосферного азота;

• быстрое размножение при благоприятных условиях.

Эти свойства делают цианобактерии важными участниками круговорота веществ в биосфере [3].

Основные виды цианобактерий по форме строения

По организации клеток цианобактерии делятся на несколько основных групп:

Одноклеточные цианобактерии

Одноклеточные формы состоят из одной клетки, которая самостоятельно выполняет все жизненные функции. Они обычно микроскопические и могут существовать как поодиночке, так и в виде небольших скоплений.

Примеры: Synechococcus, Chroococcus.

Рисунок 1. Synechococcus major.

Эти виды часто встречаются в воде и играют важную роль в образовании первичной биомассы.

Колониальные цианобактерии

Колониальные формы состоят из множества одноклеточных организмов, объединённых в общую слизистую оболочку. Клетки в колонии работают совместно, что повышает их устойчивость к неблагоприятным условиям.

Примеры: Microcystis.

Рисунок 2.Microcystis sp.

Некоторые колониальные виды могут вызывать «цветение» воды при массовом размножении.

Нитчатые (цепочечные) цианобактерии

Нитчатые цианобактерии образуют длинные цепочки клеток, соединённых друг с другом. У многих из них встречается специализация клеток.

Примеры: Anabaena, Nostoc.

У этих форм могут присутствовать:

• гетероцисты — специальные клетки для фиксации азота;

• акинеты — клетки для переживания неблагоприятных условий.

Нитчатые цианобактерии особенно важны для обогащения экосистем соединениями азота [8].

Применение цианобактерий

Цианобактерии используются или рассматриваются для применения в следующих областях:

• биотехнология и получение биомассы;

• улавливание и переработка углекислого газа;

• биологическая очистка воды;

• производство биотоплива и биоводорода;

• изучение фотосинтеза и метаболических процессов.

Перспективы использования

Перспективы применения цианобактерий связаны с развитием экологически чистых технологий. Они рассматриваются как основа для:

• устойчивых источников энергии;

• снижения антропогенного воздействия на окружающую среду;

• замкнутых биосистем (в том числе для космических исследований).

Основные научные задачи — повышение управляемости роста, продуктивности и биологической безопасности культур.

Таким образом, цианобактерии — это древняя и одновременно перспективная группа микроорганизмов. Разнообразие форм строения (одноклеточные, колониальные и нитчатые) обеспечивает им высокую приспособляемость и делает их важными объектами для экологии, биологии и современных биотехнологий [5, 3].

Использование цианобактерий охватывает широкий круг областей — от экологии и сельского хозяйства до энергетики и космических технологий. Их природная способность к фотосинтезу, фиксации азота и синтезу полезных веществ делает цианобактерии перспективным инструментом для решения экологических и технологических задач будущего [5, 7].

Культивирование и применение цианобактерий

Материалы: культура цианобактерий (Anabaena или Synechococcus), питательная среда BG-11, стеклянные колбы, белая лампа, красная, синяя и зелёная лампы, pH-индикатор, линейка или визуальный тест мутности, почва, семена растений (горох).

Методы:

1. Анализ специальной научной литературы о биологических свойствах цианобактерий, принципах работы фотобиореакторов и методах применения цианобактериальной биомассы в качестве экологически чистых удобрений;

2. Сравнительный анализ динамики роста цианобактерий (оценка изменения pH среды, интенсивности выработки кислорода и количества клеток) при культивировании под воздействием источников света различного спектра (белого, красного, синего и зеленого);

3. Анализ эффективности применения полученной биомассы цианобактерий в качестве натурального азотного удобрения в экспериментальных условиях (на примере оценки развития корневой системы и скорости роста толстянки).

Рисунок 6. Измерение рН раствора с помощью рН-метра.

Рисунок 7. Процесс культивирования цианобактерий под воздействием красного, синего и зеленого света.

Этапы организации эксперимента

Исследование проводилось в течение 6 месяцев с 1 октября 2025 по 31 марта 2026г. В первой части эксперимента изучена возможность культивирования цианобактерий под воздействием белого света. Две колбы наполнялись одинаковым объемом питательной среды BG-11. Первую колбу устанавливали под источник света (белый свет, 500 лк) на расстоянии ~20 см. Вторую колбу заворачивали в фольгу, чтобы полностью исключить проникновение в нее света (контроль). Температуру поддерживали одинаковой (около 25 - 27 °C). В течение 7 суток каждые 24 часа измеряли pH среды (pH-метром), концентрацию кислорода (визуальной оценкой количества пузырьков на стенках колбы), оценивали цвет культуры, с помощью микроскопии оценивали количество клеток. Все данные заносили в таблицу. Во второй части эксперимента проводилась сравнительная оценка роста цианобактерий под воздействием света разного спектра (красный, синий, зеленый). Три колбы наполнялись одинаковым объемом питательной среды BG-11. Первую колбу устанавливали под источник красного света (620–700 нм, 500 лк) на расстоянии ~20 см. Вторую колбу устанавливали под источник синего света (450–490 нм, 500 лк) на расстоянии ~20 см. Третью колбу устанавливали под источник зеленого света (500-560 нм, 500 лк) на расстоянии ~20 см. Температуру поддерживали одинаковой (около 25 - 27 °C). В течение 7 суток каждые 24 часа измеряли pH среды (pH-метром), концентрацию кислорода (наблюдением пузырьков), оценивали цвет культуры, с помощью микроскопии оценивали количество клеток. Все данные заносили в таблицу. После окончания эксперимента мы перешли к практической части и выполнили проверку полученной биомассы в качестве азотного удобрения. Для этого цианобактериальную массу высушили на фильтре. Затем добавили в почву в три экспериментальных горшка (маркированы как «опыт»). В трех контрольных горошках (маркированы как «контроль») удобрения не добавляли. После чего посадили в 6 (шесть) цветочных горшков одинаковые по размеру черенки толстяки. Затем оценили рост и развитие растений.

Рисунок 8. Микроскопия и подсчет клеток цианобактерий.

Рисунок 9. Цианобактерии выращенные в результате эксперимента.

Результаты и обсуждение

В результате первой части эксперимента подтверждена возможность культивирования цианобактерий под воздействием белого света в школьной лаборатории. В освещённой колбе выделялся кислород — на стенках появлялись пузырьки, pH повышался, так как цианобактерии поглощают CO₂. В тёмной пробирке кислород не выделялся, pH снижался — так как шло дыхание, а не фотосинтез. При длительном наблюдении цвет культуры на свету становился более интенсивным (зеленым) из-за активного роста.

.

Во второй части эксперимента проведена сравнительная оценка роста цианобактерий под воздействием света разного спектра (красный, синий, зеленый). Цианобактерии, как и растения, используют световую энергию для фотосинтеза, но их пигменты немного отличаются: они содержат не только хлорофилл a, но и фикобилипротеины — фикоцианин (синий пигмент) и фикоэритрин (красный). Эти белки расширяют диапазон поглощаемого света, поэтому цианобактерии могут фотосинтезировать даже там, где растения не справляются, например, под водой, при слабом или рассеянном свете.

В первой колбе (красный свет) фотосинтез шел наиболее активно, рост клеток и выработка кислорода были максимальными. При длительном воздействии красного света раствор становился более зелёными за счет усиления синтеза хлорофилла А. Хлорофилл А имеет пик поглощения около 680 нм, что примерно совпадает с длиной волны красного света. Во второй колбе (синий цвет) фотосинтез так же шел, но менее эффективно: кислорода выделялось меньше, скорость роста клеток ниже. Однако синий свет регулирует морфогенез — клетки становятся более компактными, синтезируется больше защитных пигментов (например, каротиноидов). При длительном воздействии синего света культура приобретает более синеватый оттенок (из-за увеличения фикоцианина). Синий свет активирует фотосистему I (P700) сильнее, чем фотосистему II, поэтому часть потока энергии идёт в «циклический фотосинтез» — то есть образование АТФ без выделения кислорода, но с поглощением азота.

В третьей пробирке (зеленый свет) роста цианобактерий и выделение пузырьков кислорода почти не наблюдалось, так как зеленый свет отражается и практически не используется пигментами для фотосинтеза.

Рисунок 14. Влияние света разного спектра на выработку кислорода в культуре цианобактерий.

Таблица 3 Оценка параметров роста цианобактерий выращенных при красном, синем и зеленом спектрах света

.

После окончания эксперимента мы перешли к практической части и выполнили проверку полученной биомассы в качестве азотного удобрения. Для этого цианобактериальную массу высушили на фильтре. Затем добавили в почву в три экспериментальных горшка (маркированы как «опыт»). В трех контрольных горошках (маркированы как «контроль») удобрения не добавляли. После чего посадили в 6 (шесть) цветочных горшков одинаковые по размеру черенки толстяки. В результате в «опытных» горшкахрост растений ускорился, листья стали более тёмно-зелёными, а растения выше и крупнее, корневая система развивалась активнее.

Рисунок 15. Результаты применения высушенных цианобактерий как удобрения.

Выводы

Цвет света напрямую влияет на выработку кислорода и изменение кислотности среды, что подтверждает роль длины волны в энергетическом обмене цианобактерий. Белый свет обеспечивает условия, близкие к оптимальным. Наиболее эффективный фотосинтез у цианобактерий происходит под красным светом, где активно поглощается энергия хлорофилла. Синий свет вызывает умеренную фотосинтетическую активность, стимулирует выработку фикоцианина и более активное поглощение азота. Зелёный свет практически не используется для фотосинтеза, так как отражается пигментами. Цианобактерии обогащают почву азотом и органическими веществами.

Практическая значимость

Выращенные цианобактерии в качестве удобрений улучшают качество почвы. Их использование в сельском хозяйстве позволяет уменьшить количество химических удобрений. Зная, какие спектры света ускоряют рост цианобактерий, можно проектировать более эффективные фотобиореакторы для производства биомассы и кислорода. Цианобактерии применяются для очистки сточных вод — освещение правильным спектром повышает их активность и очищающую способность. В проектах по освоению космоса рассматривают использование цианобактерий для создания кислородной атмосферы и переработки углекислого газа.

Список литературы:

1. Проблемы и перспективы использования цианобактерий (обзор) / Ю. М. Поляк, В. И. Сухаревич // Биология внутренних вод. — 2023. — С. 44–52. — DOI: 10.31857/S032096522301014X.

2. Carbon capture, storage, and utilization in cyanobacteria / B. K. Majhi // Carbon Resources Conversion. — 2025. — Art. 100388. — DOI: 10.1016/j.crcon.2025.100388.

3. Cyanobacteria as a Biocatalyst for Sustainable Production of Biofuels and Chemicals / V. K. Singh, S. Jha, P. Rana [et al.] // Energies. — 2024. — Vol. 17, № 2. — Art. 408. — DOI: 10.3390/en17020408.

4. Cyanobacteria-based bioremediation of environmental contaminants: advances and computational insights / C. Dudeja, S. Masroor, V. Mishra [et al.] // Discover Agriculture. — 2025. — Vol. 3, № 1. — Art. 42. — DOI: 10.1007/s44279-025-00193-9.

5. Cyanobacteria for Plant Growth Promotion: From Taxon and Metabolite Diversity to Large-Scale Cultivation and Agricultural Applications / A. D. Temraleeva, M. A. Sinetova, D. A. Gabrielyan [et al.] // Biologia et Biotechnologia. — 2025. — № 3. — DOI: 10.61847/pbcras.bbt.2025.3.1.

6. Cyanobacteria: Harnessing the power of microorganisms for plant growth promotion, stress alleviation, and phytoremediation in the era of sustainable agriculture / T. Nawaz, S. Saud, L. Gu [et al.] // Plant Stress. — 2024. — Vol. 11. — Art. 100399. — DOI: 10.1016/j.stress.2024.100399.

7. Cyanobacterial green chemistry: a blue-green approach for a sustainable environment, energy, and chemical production / P. Pandey, D. Pandey, A. Gupta [et al.] // RSC Sustainability. — 2025. — Vol. 3. — P. 661. — DOI: 10.1039/D4SU00448E.

8. Microalgae and cyanobacteria as a tool for agricultural sustainability: a review of biofertilizer and biostimulant potential / Z. Sun, X. Liu, A. Y. Ugya [et al.] // Frontiers in Plant Science. — 2026. — Vol. 16. — Art. 1733394. — DOI: 10.3389/fpls.2025.1733394.

9. Perspectives of cyanobacterial cell factories / A. Melis, D. A. Hidalgo Martinez, N. Betterle // Photosynthesis Research. — 2024. — Vol. 162, № 2. — P. 459–471. — DOI: 10.1007/s11120-023-01056-4.