Введение

Одной из важнейших экологических проблем современности является ухудшение состояния водных экосистем вследствие антропогенного воздействия. Рост объемов сточных вод, загрязнение водоемов соединениями азота и фосфора, а также увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере требуют поиска новых экологически безопасных технологий, способных снизить нагрузку на окружающую среду.

Среди перспективных биологических объектов особое место занимают микроводоросли. Эти организмы являются одними из наиболее древних фотосинтезирующих форм жизни на Земле и играют ключевую роль в глобальных биогеохимических циклах [2, 3]. По оценкам исследователей, значительная часть кислорода атмосферы образуется именно благодаря деятельности микроводорослей и цианобактерий.

Помимо экологической роли, микроводоросли обладают высокой хозяйственной ценностью. Они используются для получения биотоплива, кормовых добавок, биологически активных веществ и пищевых компонентов. Кроме того, многие виды способны эффективно удалять из воды соединения азота, фосфора и тяжелые металлы, что делает их перспективными объектами для биологической очистки сточных вод [5].

Однако эффективность выращивания микроводорослей напрямую зависит от условий культивирования. В естественных водоемах рост клеток определяется освещенностью, температурой, содержанием углекислого газа и доступностью питательных веществ. В лабораторных и промышленных условиях для управления этими параметрами используются фотобиореакторы [4, 6].

Фотобиореактор представляет собой специальную установку, обеспечивающую контролируемые условия культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Благодаря системам освещения, аэрации и перемешивания такие установки позволяют значительно повысить продуктивность культуры по сравнению с обычными емкостями [4].

Несмотря на широкое применение фотобиореакторов в научных исследованиях и промышленности, большинство установок являются дорогостоящими и малодоступными для школьных лабораторий. Поэтому актуальной задачей является создание недорогих моделей фотобиореакторов из доступных материалов с последующей оценкой их эффективности.

Цель исследования — оценить эффективность самодельного фотобиореактора при культивировании микроводорослей рода Micractinium путем сравнения динамики роста культуры в активной и пассивной системах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. изучить литературные данные о биологии микроводорослей и принципах работы фотобиореакторов;
2. разработать и собрать лабораторную модель фотобиореактора; провести расчет стоимости установки;
3. выполнить калибровку спектрофотометрического метода оценки концентрации культуры;
4. провести сравнительный эксперимент по выращиванию микроводорослей;
5. определить эффективность фотобиореактора и выявить направления его дальнейшего совершенствования.

Научная новизна работы заключается в экспериментальной оценке эффективности самодельного фотобиореактора, созданного из доступных материалов для использования в условиях школьной лаборатории.

Практическая значимость исследования состоит в возможности применения разработанной установки для образовательных проектов в области экологии, биотехнологии и охраны окружающей среды.

Обзор литературы

Микроводоросли представляют собой группу преимущественно одноклеточных фотосинтезирующих организмов, обитающих в пресных и морских водоемах [2, 3]. Благодаря высокой скорости роста они способны быстро формировать значительные объемы биомассы и эффективно использовать солнечную энергию.

Род Micractinium относится к отделу зеленых водорослей Chlorophyta [2]. Представители данного рода широко распространены в пресноводных экосистемах и отличаются устойчивостью к изменениям условий среды.

Благодаря этим особенностям Micractinium часто используется в лабораторных исследованиях в качестве модельного объекта [2, 7].

Рост микроводорослей определяется комплексом факторов. Одним из наиболее важных является освещенность. Свет обеспечивает энергию для фотосинтеза, поэтому недостаток освещения приводит к замедлению роста клеток [2]. Однако чрезмерно интенсивное освещение также может оказывать негативное воздействие вследствие фотоповреждения фотосинтетического аппарата.

Вторым важным фактором является газообмен. В процессе фотосинтеза микроводоросли потребляют углекислый газ и выделяют кислород [2, 3]. При отсутствии перемешивания в культуре могут возникать локальные зоны с дефицитом углекислого газа и избытком кислорода, что снижает эффективность фотосинтеза.

Не менее важную роль играет перемешивание среды. Оно обеспечивает равномерное распределение света и питательных веществ по всему объему культуры, предотвращает оседание клеток и способствует эффективному газообмену [6, 7].

Для поддержания оптимальных условий культивирования используются фотобиореакторы различных конструкций [4]. В современной биотехнологии наиболее распространены трубчатые фотобиореакторы, плоскопанельные системы и колонные реакторы. Однако для образовательных целей возможно создание упрощенных лабораторных моделей, сохраняющих основные функциональные элементы промышленных установок.

Исследования показывают, что наличие аэрации и перемешивания позволяет существенно повысить скорость роста микроводорослей и увеличить выход биомассы [4, 7]. Поэтому оценка эффективности даже простых фотобиореакторов представляет значительный практический интерес.

Материалы и методы

Для проведения исследования была разработана лабораторная модель фотобиореактора объемом 150 мл.

Основным материалом корпуса служило прозрачное оргстекло, обеспечивающее свободное прохождение света и возможность визуального наблюдения за состоянием культуры. В качестве источника перемешивания использовался маломощный аквариумный насос, соединенный с системой силиконовых трубок и аэрационным распылителем.

В качестве объекта исследования использовалась культура микроводорослей рода Micractinium . Начальная концентрация культуры во всех вариантах опыта была одинаковой и составляла 25 % от исходной концентрации.

Экспериментальная установка включала:

— фотобиореактор с постоянной аэрацией;

— контрольную емкость аналогичного объема.

Обе системы находились при одинаковых условиях освещения и температуры.

Эксперимент проводился в течение трех суток при температуре 22–24 °С и непрерывном освещении.

Для количественной оценки роста культуры использовался метод спектрофотометрии, основанный на измерении оптической плотности среды. Предварительно была выполнена калибровка метода, позволившая установить зависимость между концентрацией клеток и величиной оптической плотности.

Общая стоимость создания фотобиореактора составила около 2950 рублей, что свидетельствует о доступности данной технологии для образовательных учреждений.

Результаты исследования

В ходе эксперимента ежедневно измерялась оптическая плотность среды.

Полученные данные представлены на рисунке 1.

Таблица 1

Сравнение значений оптической плотности при различных концентрациях микроводорослей

Рис. 1. Изменение численности популяции микроводорослей в зависимости от времени культивирования

Наиболее существенные различия между вариантами опыта были зафиксированы на вторые сутки культивирования. В этот период культура в фотобиореакторе достигла максимальной скорости роста и продемонстрировала более высокую плотность по сравнению с контролем.

Для количественной оценки эффективности был рассчитан относительный прирост показателей по сравнению с контрольной системой. На второй день культивирования значение оптической плотности в фотобиореакторе превышало контроль примерно на 23 %, что свидетельствует о положительном влиянии аэрации и перемешивания.

На третьи сутки культура в фотобиореакторе сохранила высокие показатели роста, тогда как в контрольной системе наблюдалось снижение оптической плотности.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о более благоприятных условиях развития микроводорослей в активной системе культивирования.

Обсуждение результатов

Полученные данные подтверждают эффективность использования фотобиореактора для выращивания микроводорослей рода Micractinium и согласуются с результатами ранее опубликованных исследований [4, 7].

Основным фактором, обеспечившим повышение продуктивности культуры, вероятно, стало постоянное перемешивание среды. Благодаря циркуляции клеток каждая водоросль регулярно попадала в освещенные зоны реактора, что способствовало более эффективному фотосинтезу [4].

Дополнительным преимуществом являлась непрерывная аэрация. Поступление воздуха улучшало газообмен и препятствовало возникновению локальных зон с дефицитом углекислого газа [4, 6].

В контрольной системе отсутствие перемешивания привело к формированию неоднородной среды. Часть клеток постепенно оседала на дно емкости, что ограничивало доступ к свету и снижало общую продуктивность культуры.

Несмотря на положительные результаты, эксперимент выявил ряд недостатков конструкции. Наблюдалось частичное оседание микроводорослей, что свидетельствует о недостаточной интенсивности перемешивания. Кроме того, использованная система освещения обеспечивала не полностью равномерное распределение света по объему реактора.

В дальнейшем представляется целесообразным модернизировать установку путем увеличения интенсивности циркуляции, применения кольцевой светодиодной подсветки и использования автоматического контроля параметров среды.

Выводы

Разработана и собрана работоспособная модель фотобиореактора из доступных материалов общей стоимостью около 3000 рублей.

Проведена калибровка спектрофотометрического метода определения концентрации микроводорослей.

Выполнен сравнительный эксперимент по культивированию культуры Micractinium в активной и пассивной системах.

Установлено, что применение аэрации и перемешивания способствует увеличению продуктивности культуры по сравнению с контрольной емкостью.

Максимальное преимущество фотобиореактора было зафиксировано на вторые сутки эксперимента и составило около 23 % относительно контроля.

Подтверждена эффективность самодельного фотобиореактора как доступной лабораторной системы для выращивания микроводорослей.

Определены основные направления модернизации установки, связанные с совершенствованием перемешивания и освещения.

Литература:

1. Алекин, О. А. Основы гидрохимии / отв. ред. С.В. Бруевич. – Л. : Гидрометеорол. изд-во, 1970. – 443. — URL: http://heritage.jscc.ru/Catalog/ShowPub/19456 (дата обращения: 10.06.2026).
2. Никулин, А. Ю. Новые находки цианобактерий и водорослей для территории России и российского Дальнего Востока. Часть 2 / А. Ю. Никулин. — Текст: электронный // cyberleninka.ru: [сайт]. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/novye-nahodki-tsianobakteriy-i-vodorosley-dlya-territorii-rossii-i-rossiyskogo-dalnego-vostoka-chast-2 (дата обращения: 10.06.2026).
3. Романенко, В. И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического вещества во внутренних водоемах. / В. И. Романенко. — Текст: электронный // ibiw.ru: [сайт]. — URL: https://ibiw.ru/index.php?p=publ&id=328 (дата обращения: 10.06.2026).
4. Цоглин, Л. Н. Биотехнология микроводорослей / Л. Н. Цоглин. — Текст: электронный // cellreg.org: [сайт]. — URL: https://cellreg.org/ %D0 %B1 %D0 %B8 %D0 %BE %D1 %82 %D0 %B5 %D1 %85 %D0 %BD %D0 %BE %D0 %BB %D0 %BE %D0 %B3 %D0 %B8 %D1 %8F- %D0 %BC %D0 %B8 %D0 %BA %D1 %80 %D0 %BE %D0 %B2 %D0 %BE %D0 %B4 %D0 %BE %D1 %80 %D0 %BE %D1 %81 %D0 %BB %D0 %B5 %D0 %B9/ (дата обращения: 10.06.2026).
5. Дворецкий, Д. С. Основы биотехнологии микроводорослей. Учебное пособие для студентов очного и заочного отделений и магистрантов направлений 19.03.01, 19.04.01 «Биотехнология», 19.03.02, 19.04.02 «Продукты питания из растительного сырья» / Д. С. Дворецкий. — Текст: электронный // iprbookshop.ru: [сайт]. — URL: https://www.iprbookshop.ru/books/64149/details?_url= %2Fbooks %2F64149 %2Fdetails (дата обращения: 10.06.2026).
6. Мельникова, В. А. Учебно-методическое пособие «Процессы и аппараты биотехнологии» / В. А. Мельникова. — Текст: электронный // klgtu.ru: [сайт]. — URL: https://klgtu.ru/vikon/sveden/files/aiz/UMP_Processy_i_apparaty_biotexnologii.pdfs (дата обращения: 10.06.2026).
7. Горелова, О. А. Практикум по биотехнологии микроводорослей: учебное пособие / О. А. Горелова. — Текст: электронный // mdk-arbat.ru: [сайт]. — URL: https://mdk-arbat.ru/book/6712214 (дата обращения: 10.06.2026).