АЛЬГИЦИД ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЦИАНОБАКТЕРИЙ И ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТАБОЛИТОВ - АЛЛЕЛОХЕМИКОВ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ Российский патент 2019 года по МПК C02F1/50 A01P13/00 

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к альгицидам на основе органических кислот - метаболитов водных растений, применяемых для обработки искусственных водных экосистем - аквариумов, бассейнов для аквакультуры, с целью избирательного подавления цветения, вызываемого цианобактериями и зелеными водорослями и поддержания развития экосистемы.

Увеличение частоты и продолжительности цианобактериальных «цветений» несет целый ряд серьезных угроз, включая локальное и глобальное ухудшение водных ресурсов и воздействие цианотоксинов. Для искусственных экосистем, таких как аквариумы и бассейны для аквакультуры, цветение цианобактерий и зеленых водорослей сопровождается гибелью рыб и всей экосистемы. Эффективным и инновационным решением указанной проблемы, сохраняющим и восстанавливающим качество воды в естественных и искусственных водных системах, делающим их пригодными для многофункционального использования может быть применение «Метода аллелопатического контроля «цветения» водоемов при эвтрофировании». Таким природным механизмом, обеспечивающим контроль развития планктонных цианобактерий и водорослей, может являться аллелопатия. Под аллелопатией понимают биологическое явление, при котором отмечается ингибирующий или стимулирующий эффекты воздействия растения (или микроорганизма) на другие растения (включая микроорганизмы) посредством синтеза и выделения в окружающую среду специфических аллелохимических соединений (аллелохемиков). В природе растения при помощи метаболитов-аллелохемиков подавляют развитие других растений, водорослей, бактерий. Низкомолекулярные органические соединения (НОС) - аллелохемики имеют определенную мишень, что исключает их отрицательное воздействие на другие элементы водной экосистемы.

Известен альгицид для обработки плавательных бассейнов, на основе смеси полимеров и органических соединений, обладающих альгицидной и антимикробной активностью, имеющий в составе: неполную марганец-цинковую соль полиакриловой кислоты, салицилат натрия, цитрат натрия, четвертичную аммониевую соль [патент РФ №2448051].

Недостатком указанного альгицида является его направленное действие на полное уничтожение всех водорослей, а также на применение только для обработки бассейнов и отсутствие воздействия в условиях аквариумов и бассейнов для аквакультуры.

Известен ингибитор сине-зеленых водорослей - роголистник погруженный (Ceratophyllum demersum L.) для борьбы с цветением воды [патент №377144]. Альгицидные выделения роголистника вызывали гибель цианобактерий в лабораторных условиях.

Недостатком известного метода является осложненная технология погружения роголистника в водоемы и невозможность применения данной технологии в искусственных системах, бассейнах и аквариумах.

Наиболее близким, по сути, к заявленному изобретению (прототипом) является способ борьбы с цветением воды в естественных и искусственных промышленных водоемах, градирнях, коммуникациях и других инженерных сооружениях с использованием гексахлорбутадиена [патент №151156].

Недостатком известного способа является то, что в составе гексахлорбутадиена содержится хлор, который является токсичным соединением для всех гидробионтов.

Основной задачей изобретения является создание эффективного альгицида на основе органических кислот - метаболитов высших водных растений, обеспечивающих избирательное ингибирование цианобактерий и зеленых водорослей, вызывающих цветение в аквариумах, инженерных сооружениях. Инновационность заключаются в том, что для решения проблемы цветения воды предлагается использование природного механизма контроля развития цианобактерий и зеленых водорослей в водных системах, а именно аллелопатии.

Техническим результатом от использования изобретения является избирательное ингибирование развития цианобактерий и зеленых водорослей и поддержание развития водной экосистемы в аквариумах и бассейнах для аквакультуры с помощью альгицида на основе соединений природного происхождения - метаболитов водных растений.

Технический результат обеспечивается тем, что в искусственную водную экосистему - аквариум или бассейн, в которой происходит цветение воды, вызванное цианобактериями или зелеными водорослями, или для предотвращения цветения, вносят спиртовой раствор альгицида так, чтобы его концентрация в воде составила 1 мг/л. Состав альгицида представляет собой спиртовой раствор четырех органических кислот в следующих концентрациях, исходя из возможностей растворителя - этанола для данных кислот (г/л) (% действующего соединения) при совместном растворении:

Галловая кислота С₇Н₆О₅ (Gallic acid) 70 (25) Тетрадекановая кислота С₁₄Н₂₈О₂ (Tetradecanoic acid) 70 (25) Гептановая кислота С₇Н₁₄О₂ (Heptanoic acid) 70 (25) Октановая кислота С₈Н₁₆О₂ (Octanoic acid) 70 (25) Этиловый спирт остальное (1 л)

Для достижения концентрации в водной экосистеме 1 мг/л каждой кислоты, необходимо 1 литр альгицида растворить в 70 м³ воды.

Известно, что данные кислоты являются метаболитами высших водных растений (Nakai S., Yamada S., Hosomi M. Anti-cyanobacterial fatty acids released from Myriophyllum spicatum // Hydrobiologia. 2005. V. 543. P. 71-78; Zhou S., Nakai S., Hosomi M., Sezaki Y., Tominaga M. Allelopathic growth inhibition of cyanobacteria by reed // Allelopathy J. 2006. V. 18. №2. P. 277-285.). Для создания альгицида использовались коммерческие кислоты.

Альгицид обладает высокой растворимостью, так как кислоты первоначально растворяются в этиловом спирте, затем раствор вносят в воду.

Апробацию альгицида проводили в экспериментах по влиянию каждой из кислот отдельно и в комплексном составе на развитие цианобактерий и зеленых водорослей. При определении концентрации кислот в опытах исходили из их содержания в водоемах (приблизительно до 1 мг/л) в качестве метаболитов водных растений в период активного развития высших водных растений и отсутствия цветения воды, вызванного цианобактериями и зелеными водорослями.

Эксперименты по влиянию органических кислот на цианобактерий и зеленые водоросли включали три варианта. В аквариумы, наполненные водой, объемом 50 литров вносили цианобактерий Synechocystis aquatilis (1 вариант), Aphanocapsa sp.(2 вариант), зеленые водоросли Scenedesmus sp.(3 вариант) в виде суспензии и спиртовый раствор одной из четырех кислот в различных концентрациях. Суспензию цианобактерий Synechocystis aquatilis культивировали на среде №6 следующего состава: KNO₃ - 1 г/л; K₂HPO₄ - 0,2 г/л; MgSO₄×7H₂O - 0,2 г/л; CaCl₂ - 0,15 г/л; NaHCO₃ - 0,2 г/л; раствор микроэлементов 1 мл/л. Раствор микроэлементов для среды №6: ZnSO₄×7H₂O - 0,22 г/л; MnSO₄ - 1,81 г/л; CuSO₄×5H₂O - 0,079 г/л; NaBO₃×4H₂O - 2,63 г/л; (NH₄)₆Mo₇O₂₄×4H₂O - 1 г/л; FeSO₄×7H₂O - 9,3 г/л; CaCl₂ - 1,2 г/л; Co(NO₃)₂×4H₂O - 0,02 г/л; Na₂ЭДТА (Трилон Б) 10 г/л [Громов, Б.В., Титова Н.Н. Коллекция культур водорослей лаборатории Микробиологии Биологического института Ленинградского университета [Текст] / Б.В. Громов, Н.Н. Титова // Межвузовский сборник. - Л., 1983. - С. 3-27].

Суспензию цианобактерий Aphanocapsa sp. культивировали на питательной среде BG-11 следующего состава (г/л): K₂HPO₄ - 0,04; MgSO₄⋅7H₂O - 0,075; CaCl₂⋅2Н₂О - 0,036; Na₂CO₃ - 0,02; ЭДТА - 0,001; лимонная кислота - 0,006; железо лимонно-аммиачное - 0,006; микроэлементы - 1 мл [Нетрусов, А.И. Практикум по микробиологии [Текст]: учеб. пособие для высших учеб. заведений / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук [и др.]; под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005. - 352 с.].

Зеленые водоросли Scenedesmus sp. культивировали на питательной среде Прата следующего состава (г/л): KNO₃ - 0,1; MgSO₄⋅7H₂O - 0,01; K₂HPO₄ - 0,01; FeCl₃⋅6H₂O - 0,001 [Гайсина, Л.А., Фазлутдинова, А.И., Кабиров P.P. Современные методы выделения и культивирования водорослей: учебное пособие [Текст]. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2008. - 152 с.].

Пример 1

Исследование альгицидной активности тетрадекановой кислоты в опыте с цианобактериями и зелеными водорослями.

В таблицах 1, 2, 3 показано влияние тетрадекановой кислоты на цианобактерии Synechocystis aquatilis, Aphanocapsa sp., зеленые водоросли Scenedesmus sp.

Анализ полученных данных показал снижение численности цианобактерий и водорослей при влиянии тетрадекановой кислоты. На 14 день экспозиции численность цианобактерий Synechocystis aquatilis составила 5100 тыс. кл./мл в сравнении с контролем 19008 тыс. кл./мл в концентрации тетрадекановой кислоты 1 мг/л. Наибольшее подавление клеток Aphanocapsa sp.и Scenedesmus sp.также наблюдалось с коцентрацией тетрадекановой кислоты 1 мг/л.

Пример 2

Исследование альгицидной активности галловой кислоты в опыте с цианобактериями и зелеными водорослями.

В таблицах 4, 5, 6 показано влияние галловой кислоты на цианобактерии Synechocystis aquatilis, Aphanocapsa sp., зеленые водоросли Scenedesmus sp.

Анализ полученных данных показал снижение численности цианобактерий и водорослей при влиянии галловой кислоты на цианобактерий и водоросли. При концентрации галловой кислоты 1 мг/л наблюдалось значительное снижение численности клеток цианобактерий и водорослей.

Пример 3

Исследование альгицидной активности октановой кислоты в опыте с цианобактериями и зелеными водорослями.

В таблицах 7, 8, 9 показано влияние октановой кислоты на цианобактерий Synechocystis aquatilis, Aphanocapsa sp., зеленые водоросли Scenedesmus sp.

Анализ полученных данных показал снижение численности цианобактерий и водорослей при влиянии октановой кислоты. Максимальное уменьшение численности происходило в опыте с концентрацией октановой кислоты 1 мг/л.

Пример 4

Исследование альгицидной активности гептановой кислоты в опыте с цианобактериями и зелеными водорослями.

В таблицах 10, 11, 12 показано влияние гептановой кислоты на цианобактерий Synechocystis aquatilis, Aphanocapsa sp., зеленые водоросли Scenedesmus sp.

Анализ полученных данных показал снижение численности цианобактерий и водорослей при влиянии октановой кислоты. Наибольшее влияние прослеживается на 14 день экспозиции с концентрацией гептановой кислоты 1 мг/л.

Пример 5

Исследование влияния альгицида на основе галловой, тетрадекановой, октановой и гептановой карбоновых кислот на цианобактерий Synechocystis aquatilis.

В таблице 13 показано влияние альгицида на основе галловой, тетрадекановой, октановой и гептановой карбоновых кислот на цианобактерий Synechocystis aquatilis.

Анализ полученных данных показал снижение численности цианобактерий под влиянием альгицида при всех исследованных концентрациях. Наибольшее влияние прослеживается при концентрации альгицида 10 мг/л. На 13 день экспозиции разница с контролем составила 13,6 раза. При концентрации альгицида 1 мг/л численность цианобактерий на 13 день эксперимента была ниже, чем в контроле в 4,7 раза.

Таким образом, заявленный способ обеспечивает подавление цианобактерий и зеленых водорослей в искусственной водной экосистеме.

Источники информации

1. Патент РФ №2448051.

2. Патент №377144.

3. Патент №15115 6 (прототип).

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к альгицидам на основе органических кислот - метаболитов водных растений, применяемых для обработки искусственных водных экосистем - аквариумов, бассейнов для аквакультуры, с целью избирательного подавления цветения, вызываемого цианобактериями и зелеными водорослями и поддержания развития экосистемы. Описан альгицид для избирательного подавления цветения, вызываемого цианобактериями и зелеными водорослями в искусственных водных экосистемах, отличающийся тем, что в состав входят галловая, тетрадекановая, гептановая, октановая кислоты и этанол, и использованием природного механизма аллелопатии для контроля развития цианобактерий и зеленых водорослей, в следующих концентрациях, (г/л) (% действующего соединения): галловая кислота С₇Н₆О₅ (Gallic acid) - 70 (25); тетрадекановая кислота С₁₄Н₂₈О₂ (Tetradecanoic acid) - 70 (25); гептановая кислота С₇Н₁₄О₂ (Heptanoic acid) - 70 (25); октановая кислота С₈Н₁₆О₂ (Octanoic acid) - 70 (25); этиловый спирт - остальное (1 л). Технический результат: повышение эффективности контроля развития цианобактерий и зеленых водорослей в водных системах и обеспечение экологической безопасности альгицида. 13 табл.

Альгицид для избирательного подавления цветения, вызываемого цианобактериями и зелеными водорослями в искусственных водных экосистемах, отличающийся тем, что в состав входят галловая, тетрадекановая, гептановая, октановая кислоты и этанол, и использованием природного механизма аллелопатии для контроля развития цианобактерий и зеленых водорослей, в следующих концентрациях, (г/л) (% действующего соединения):

Галловая кислота С₇Н₆О₅ (Gallic acid) 70 (25) Тетрадекановая кислота С₁₄Н₂₈О₂ (Tetradecanoic acid) 70 (25) Гептановая кислота С₇Н₁₄О₂ (Heptanoic acid) 70 (25) Октановая кислота С₈Н₁₆О₂ (Octanoic acid) 70 (25) Этиловый спирт остальное (1 л)