Влияние факторов окружающей среды на биодеградацию микроцистина-LR аскомицетным штаммом Trichoderma sp. NS-2.1

Возрастающая интенсивность цветения водоемов в условиях их эвтрофикации и изменения климата связана с опасностью выделения цианобактериями, возбудителями цветения, сильнодействующих токсинов в окружающую среду. Биологические способы контроля массового развития цианобактерий и разложения цианотоксинов являются экологически безопасной альтернативой химическим средствам борьбы. Цель данной работы заключалась в выделении и идентификации гриба-деструктора микроцистина-LR, изучении влияния на эффективность биодеструкции токсина физико-химических параметров среды и концентрации микроцистина-LR. Из донных осадков Нижнего Суздальского озера (Северо-Запад Российской Федерации) выделен штамм аскомицетного гриба, способный деструктировать высокотоксичный микроцистин-LR в широком диапазоне температур и кислотности среды. На основе данных филогенетического анализа штамм идентифицирован как Trichoderma sp. NS-2.1. Впервые установлено, что изолят NS-2.1 обладает свойством деструктировать микроцистин-LR как в условиях кометаболизма, так и без дополнительных источников углерода. Эффективность биодеградации микроцистина-LR зависит от концентрации токсина в среде, ее кислотности и температуры культивирования штамма. Установлено, что наиболее эффективно деструкция микроцистина-LR в концентрации 0,5 мкг/мл протекала в условиях кометаболизма при температуре 20–25 ºС и рН 4,0–8,0. Способность штамма Trichoderma sp. NS-2.1 деструктировать микроцистин-LR при различных факторах окружающей среды позволяет рассматривать его в дальнейших исследованиях как перспективного биологического агента при разработке биотехнологий удаления микроцистинов из загрязненных вод, в том числе на очистных сооружениях.

1. Igwaran A., Kayode A.J., Moloantoa K.M., Khetsha Z.P., Unuofin J.O. Cyanobacteria harmful algae blooms: causes, impacts, and risk management. Water, Air, & Soil Pollution. 2024;235(1):71. DOI:10.1007/s11270-023-06782-y. EDN: POPQWU.

2. Bae H.K. Effects of different cell states of Microcystis aeruginosa on coagulation process. Environmental Engineering Research. 2021;26(3):200138. DOI:10.4491/eer.2020.138.

3. Rashidi H., Baulch H., Gill A., Bharadwaj L., Bradford L. Monitoring, managing, and communicating risk of harmful algal blooms (HABs) in recreational resources across Canada. Environmental Health Insights. 2021;15:1–14. DOI: 10.1177/11786302211014401. EDN: VLVGIK.

4. Massey I.Y., Peng T., Danping C., Yang F. Optimization of biodegradation characteristics of Sphingopyxis sp. YF1 against crude Microcystin-LR using response surface methodology. Toxins. 2022;14(4):240. DOI:10.3390/toxins14040240. EDN: PYQMBY.

5. Nugumanova G., Ponomarev E.D., Askarova S., Fasler-Kan E., Barteneva N.S. Freshwater cyanobacterial toxins, cyanopeptides and neurodegenerative diseases. Toxins. 2023;15(3):233. DOI:10.3390/toxins15030233. EDN: OZCQPM.

6. Chorus I., Welker M. Toxic Cyanobacteria in Water. A guide to their public health consequences, monitoring and management. London: CRC Press; 2021, 859 p. DOI: 10.1201/9781003081449.

7. Wood R. Acute animal and human poisonings from cyanotoxin exposure – A review of the literature. Environment International. 2016;91:276-282. DOI:10.1016/j.envint.2016.02.026.

8. Guidelines for drinking-water quality: Fourth edition incorporating the first addendum. Geneva: World Health Organization; 2017, 631 p.

9. Mohamed Z.A. Harmful cyanobacteria and their cyanotoxins in Egyptian fresh waters – state of knowledge and research needs. African Journal of Aquatic Science. 2016;41(4):361-368. DOI: 10.2989/16085914.2016.1219313.

10. Gągala I., Mankiewicz-Boczek J. The natural degradation of microcystins (Cyanobacterial hepatotoxins) in fresh water – the future of modern treatment systems and water quality improvement. Polish Journal of Environmental Studies. 2012;21(5):1125-1139.

11. Kang M., Jeong S., Ko S.-R., Kim M.-S., Ahn C.-Y. Biotechnological approaches for suppressing Microcystis blooms: insights and challenges. Applied Microbiology and Biotechnology. 2024;108(1):466. DOI:10.1007/s00253-024-13260-w. EDN: ELWYBK.

12. You D.-J., Chen X.-G., Xiang H.-Y., Ouyang L., Yang B. Isolation, identification and characterization of a microcystin-degrading bacterium Paucibacter sp. strain CH. Huan Jing Ke Xue. 2014;35(1):313-318.

13. Li J., Li R, Li J. Current research scenario for microcystins biodegradation – A review on fundamental knowledge, application prospects and challenges. Science of The Total Environment. 2017;595:615-632. DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.03.285. EDN: YYQEYR.

14. Ding Q., Liu K., Xu K., Sun R., Zhang J., Yin L., Pu Y. Further understanding of degradation pathways of Microcystin-LR by an indigenous Sphingopyxis sp. in environmentally relevant pollution concentrations. Toxins. 2018;10(12):536. DOI:10.3390/toxins10120536.

15. Mohamed Z.A., Hashem M., Alamri S., Campos A., Vasconcelos V. Fungal biodegradation and removal of cyanobacteria and microcystins: potential applications and research needs. Environmental Science and Pollution Research. 2021;28(28):37041-37050. DOI:10.1007/s11356-021-14623-w. EDN: TLXPTJ.

16. Kuzikova I., Zaytseva T., Chernova E., Povolotckaia A., Pankin D., Sazanova A., Medvedeva N. Impact of algicidal fungus Aspergillus welwitschiae GF6 on harmful bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa: Growth and physiological responses. Chemosphere. 2025;372:144090. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2025.144090. EDN: IBRLCY.

17. Kuzikova I., Zaytseva T., Chernova E., Sazanova A., Sharov A., Medvedeva N. Algicidal activity and Microcystin-LR destruction by a novel strain Penicillium sp. GF3 isolated from the Gulf of Finland (Baltic Sea). Toxins. 2023;15(10):607. DOI:10.3390/toxins15100607. EDN: XVQRLI.

18. Han G., Feng X., Jia Y., Wang C., He X., Zhou Q., Tian X. Isolation and evaluation of terrestrial fungi with algicidal ability from Zijin Mountain, Nanjing, China. Journal of Microbiology. 2011;49(4):562-567. DOI:10.1007/s12275-011-0496-4. EDN: QPAVYA.

19. Mohamed Z.A., Hashem M., Alamri S.A. Growth inhibition of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa and degradation of its microcystin toxins by the fungus Trichoderma citrinoviride. Toxicon. 2014;86:51-58. DOI:10.1016/j.toxicon.2014.05.008.

20. Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz Ch., Tamura K. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Molecular Biology and Evolution. 2018;35(6):1547-1549. DOI:10.1093/molbev/msy096. EDN: NQRMGQ.

21. Massey I.Y., Zhang X., Yang F. Importance of bacterial biodegradation and detoxification processes of microcystins for environmental health. Journal Toxicology and Environmental Health, Part B: Critical Reviews. 2018;21(6-8):357-369. DOI: 10.1080/10937404.2018.1532701. EDN: HWAXSX.

22. Yang F., Zhou Y., Yin L., Zhu G., Geyu L., Pu Y. Microcystin-degrading activity of an indigenous bacterial strain Stenotrophomonas acidaminiphila MC-LTH2 Isolated from Lake Taihu. PLoS ONE. 2014;9(1):e86216. DOI:10.1371/journal.pone.0086216.

23. Tyagi B., Kumar N. Chapter 1 – Bioremediation: principles and applications in environmental management. In: Saxena G., Kumar V., Shah M.P. (eds). Bioremediation for Environmental Sustainability. Elsevier; 2021, p.3-28. DOI:10.1016/b978-0-12-820524-2.00001-8.

24. Ibrahim A.G., EL-Gamdi L.S.Y.A. Characterization of fungi that able to degrade phenol from different contaminated areas in Saudi Arabia. Journal of Biological Sciences. 2019;19(3):210-217. DOI:10.3923/jbs.2019.210.217.

25. Park H.-D., Sasaki Y., Maruyama T., Yanagisawa E., Hiraishi A., Kato K. Degradation of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin by a new bacterium isolated from a hypertrophic lake. Environmental Toxicology. 2001;16(4):337-343. DOI: 10.1002/tox.1041.

26. Ramani A., Rein K., Shetty K.G., Jayachandran K. Microbial degradation of microcystin in Florida’s freshwaters. Biogeochemistry. 2012;23:35-45. DOI:10.1007/s10532-011-9484-y.

27. Okano K., Shimizu K., Kawauchi Y., Maseda H., Utsumi M., Zhang Z., Neilan B.A., Sugiura N. Characteristics of a microcystin-degrading bacterium under alkaline environmental conditions. Journal of Toxicology. 2010;2009:954291. DOI:10.1155/2009/954291.

28. Fujimoto N., Ohno N., Tanaka K., Narahara I., Ohnishi A., Suzuki M., Iwami N., Mizuochi M., Inamori Y. Degradation of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin by bacteria isolated from a monoxenic culture of the flagellate Monas guttula. Japanese Journal of Water Treatment Biology. 2007;43(2):99-111. DOI:10.2521/jswtb.43.99.