ecodagЮг России: экология, развитиеSouth of Russia: ecology, development1992-10982413-0958State Institute of Applied Ecology of the Republic of Dagestan10.18470/1992-1098-2021-1-53-60ecodag-2164Research ArticleЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВУчастие цианобактерий в снижении концентрации фузариотоксинов и ионов тяжелых металлов в водных растворахThe participation of cyanobacteria in reducing the concentration of fusariotoxins and heavy metal ions in aqueous solutions (model experiments)https://orcid.org/0000-0002-7104-3337ДомрачеваЛ. И.DomrachevaL. I.

Людмила И. Домрачева.

Киров.

Сыктывкар.

Lyudmila I. Domracheva.

Kirov.

Syktyvkar.

https://orcid.org/0000-0003-2371-4949СкугореваС Г.SkugorevaS. G.

Светлана Г. Скугорева, кандидат биологических наук, научный сотрудник, лаборатория биомониторинга.

167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28.

Тел. +79539412061

 

 

Svetlana G. Skugoreva, Candidate of Biological Sciences, Researcher, Biomonitoring Laboratory

28, Kommunisticheskaya St, Syktyvkar, Russia 167982.

Tel. +79539412061

skugoreva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8265-8882ФокинаА. И.FokinaA. I.

Анна И. Фокина.

Киров.

Anna I. Fokina.

Kirov.

https://orcid.org/0000-0002-9130-8232ЗагоскинМ. А.ZagoskinМ. A.

Максим А. Загоскин.

Киров.

Maksim А. Zagoskin.

Kirov.

https://orcid.org/0000-0003-4919-0047АшихминаТ. Я.АshikhminaТ. Ya.

Тамара Я. Ашихмина.

Сыктывкар.

Киров.

Tamara Ya. Аshikhmina.

Syktyvkar.

Kirov.

Вятская государственная сельскохозяйственная академия, Институт биологии Коми НЦ УрО РАНРоссияVyatka State Agricultural Academy; Institute of Biology, Komi Scientific Centre, Ural Division, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут биологии Коми НЦ УрО РАНРоссияInstitute of Biology, Komi Scientific Centre, Ural Division, Russian Academy of SciencesRussian FederationВятский государственный университетРоссияVyatka State UniversityRussian FederationИнститут биологии Коми НЦ УрО РАН; Вятский государственный университетРоссияInstitute of Biology, Komi Scientific Centre, Ural Division, Russian Academy of Sciences; Vyatka State UniversityRussian Federation2021110420211615360Copyright © Домрачева Л.И., Скугорева С.Г., Фокина А.И., Загоскин М.А., Ашихмина Т.Я., 20212021Домрачева Л.И., Скугорева С.Г., Фокина А.И., Загоскин М.А., Ашихмина Т.Я.Domracheva L.I., Skugoreva S.G., Fokina A.I., Zagoskin М.A., Аshikhmina Т.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ecodag.elpub.ru/ugro/article/view/2164

Цель – установить влияние почвенных цианобактерий (ЦБ) Fischerella muscicola, Nostoc paludosum и Nostoc linckia на изменение концентрации ионов тяжелых металлов (ТМ) и фузариотоксинов в водных средах.

Материал и методы

Материал и методы. Для построения кривых кинетики сорбции сухой биомассой ЦБ Fischerella muscicola и Nostoc paludosum ионов меди(II), свинца(II) и кадмия из растворов с концентрацией 10‐4 моль/л использовали метод потенциометрии с ионоселективными электродами. Методом ВЭЖХ определили концентрацию фузариотоксинов в фильтрате среды контактирования ЦБ Fischerella muscicola и Nostoc linckiaс F. culmorum.

Результаты

Результаты. Кинетику сорбции ионов ТМ сухой биомассой ЦБ наилучшим образом описывает модифицированная модель второго порядка. Согласно модели, процесс сорбции лимитирует реакция ионного обмена. В присутствии ЦБ Fischerella muscicola и Nostoc linckia с титром 1,8*106 кл./мл (разведение 1:100) происходит снижение в среде Т‐2 токсина и ликомаразмина. Однако при этом увеличиваются концентрации фузариевой кислоты и дезоксиниваленола. В варианте, где титр ЦБ равен 1,8*107 кл./мл,значимо снижается концентрация ликомаразмина, при этом не происходит изменений концентрации иных фузариотоксинов.

Заключение

Заключение. Сухая биомасса ЦБ, обладая высоким бисорбционным потенциалом, может выступать в качестве хорошего биосорбента поотношению к ионам меди(II), свинца(II) и кадмия. Снижение концентрации фузариотоксинов указывает на возможность выделить активные вещества ЦБ, способные подавлять биосинтез определенных токсинов микромицетов рода Fusarium, снижая как фитотоксичность сред произрастания растений, так и повышать безопасность продукции растениеводства.

Aim

Aim. The goal was to establish the effect of soil cyanobacteria (CB) Fischerella muscicola, Nostoc paludosum and Nostoc linckia on change in the concentration of heavy metal ions (HM) and fusariotoxins in aqueous media.

Material and Methods

Material and Methods. In order to plot the kinetics of sorption by dry biomass of CB Fischerella muscicola and Nostoc paludosum of copper(II), lead(II) and cadmium ions from solutions with a concentration of 10‐4mol/L, the method of potentiometry with ion‐selective electrodes was used. The concentration of fusariotoxins in the filtrate of the contact medium of Fischerella muscicola CB and Nostoc linckia with F. culmorumwas determined by HPLC.

Results

Results. The kinetics of sorption of TM ions by dry biomass of the CB isbest described by a modified second‐order model. According to the model, the sorption process limits the ion exchange reaction. In the presence of CB Fischerella muscicola and Nostoc linckia with a titer of 1.8∙106 cells/mL (1:100 dilution), a decrease in toxin and lycomarasmin in T‐2 medium occurs. However, this increases the concentration of fusaric acid and deoxynivalenol. In the variant where the titer of CB is equal to 1.8∙107cells/mL, the concentration of lycomarasmin is significantly reduced, while there is no change in the concentration of other fusariotoxins.

Conclusion

Conclusion. Dry biomass of CB, having a high bisorption potential, can act as a good biosorbent with respect to copper(II), lead(II) and cadmium ions. A decrease in the concentration of fusariotoxins indicates the possibility of isolating active CB substances that can inhibit the biosynthesis of certain toxins of micromycetes of the genus Fusarium, reducing both the phytotoxicity of plant growth media and increasing the safety of crop production. 

ЦианобактерииF. culmorumфузариотоксиныбиосорбциякинетика сорбциитяжелые металлыскорость и емкость сорбцииCyanobacteriaF. culmorumfusariotoxinsbiosorptionsorption kineticsheavy metalssorption speed and capacityReferencesStrausbaugh C.A., Overturf K.E., Koehn A.C. Pathogenicity and real‐time PCR detection of Fusarium spp. in wheat and barley roots // Canadian Journal of Plant Pathology. 2005. V. 27. Iss. 3. P. 430‐438. DOI: 10.1080/07060660509507242Strausbaugh C.A., Overturf K.E., Koehn A.C. Pathogenicity and real‐time PCR detection of Fusarium spp. in wheat and barley roots. Canadian Journal of Plant Pathology, 2005, vol. 27, iss. 3, pp. 430‐438. DOI: 10.1080/07060660509507242Ahammed G.J., Mao Q., Yan Y., Wu M., Wang Y., Ren J., Guo P., Liu A., Chen S. Role of Melatonin in Arbuscular Mycorrhizal Fungi‐Induced Resistance to Fusarium Wilt in Cucumber // Phytopathology. 2020. V. 110. N 5. P. 999‐1009. DOI: 10.1094/PHYTO‐11‐19‐0435‐RAhammed G.J., Mao Q., Yan Y., Wu M., Wang Y., Ren J., Guo P., Liu A., Chen S. Role of Melatonin in Arbuscular Mycorrhizal Fungi‐Induced Resistance to Fusarium Wilt in Cucumber. Phytopathology, 2020, vol. 110, no. 5, pp. 999‐1009. DOI: 10.1094/PHYTO‐11‐19‐0435‐RBhat R., Rai R.V., Karim A.A. Mycotoxins in Food and Feed: Present Status and Future Concerns // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2010. V. 9. N 1. P. 57‐81. DOI: 10.1111/j.1541‐4337.2009.00094.xBhat R., Rai R.V., Karim A.A. Mycotoxins in Food and Feed: Present Status and Future Concerns. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, vol. 9, no. 1, pp. 57‐81. DOI: 10.1111/j.1541‐4337.2009.00094.xHaggag W., Abd El‐Aty A.M., Mohamed A.A. The Potential Effect of two Cyanobacterial Species; Anabaena Sphaerica and Oscillatoria Agardhii Against Grain Storage Fungi // European Scientific Journal. 2014. V. 10. Iss. 30. P. 427‐423.Haggag W., Abd El‐Aty A.M., Mohamed A.A. The Potential Effect of two Cyanobacterial Species; Anabaena Sphaerica and Oscillatoria Agardhii Against Grain Storage Fungi. European Scientific Journal. 2014, vol. 10, iss. 30, pp.427‐423.Домрачева Л.И., Фокина А.И., Ковина А.Л., Ашихмина Т.Я. Экзометаболиты почвенных цианобактерий как стратегия выживания в естественных и техногенно нарушенных экосистемах // Теорeтическая и прикладная экология. 2019. N 4. P. 15‐23. DOI: 10.25750/1995‐4301‐2019‐4‐015‐023Domracheva L.I., Fokina A.I., Kovina A.L., Ashikhmina T.Ya. Exometabolites of soil cyanobacteria as a survival strategy in natural and technogenically disturbed ecosystems. Theoretical and Applied Ecology, 2019, no. 4, pp. 15‐23. (In Russian) DOI: 10.25750/1995‐4301‐2019‐4‐015‐023Домрачева Л.И., Кондакова Л.В., Попов Л.Б., Зыкова Ю.Н. Биоремедиационные возможности почвенных цианобактерий (обзор) // Теорeтическая и прикладная экология. 2009. N. 1. P. 8‐17.Domracheva L.I., Kondakova L.V., Popov L.B., Zykova Yu.N. Bioremediation capabilities of soil cyanobacteria (review). Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya [Theoretical and Applied Ecology]. 2009, no. 1, pp. 8‐17. (In Russian)Fokina A.I., Dabakh E.V., Domracheva L.I., Skugoreva S.G., Lyalina E.I., Ashikhmina T.Ya., Zykova Yu.N., Leonova K.A. Methodological approaches toward chemico‐biological diagnostics of the state of soils in technogenically transformed territories // Eurasian Soil Science. 2018. V. 51. N 5. P. 550‐560. DOI: 10.1134/S1064229318030031Fokina A.I., Dabakh E.V., Domracheva L.I., Skugoreva S.G., Lyalina E.I., Ashikhmina T.Ya., Zykova Yu.N., Leonova K.A. Methodological approaches toward chemico‐biological diagnostics of the state of soils in technogenically transformed territories. Eurasian Soil Science, 2018, vol. 51, no. 5, pp. 550‐560. DOI: 10.1134/S1064229318030031Cepas V., López Y., Gabasa Y., Martins C.B., Ferreira J.D., Correia M.J., Santos L.M., Oliveira F., Ramos V., Reis M., Castelo‐Branco R., Morais J., Vasconcelos V., Probert I., Guilloud E., Mehiri M., Soto S.M. Inhibition of Bacterial and Fungal Biofilm Formation by 675 Extracts from Microalgae and Cyanobacteria // Antibiotics. 2019. V. 8. N 2.article number: 77. DOI: 10.3390/antibiotics8020077Cepas V., López Y., Gabasa Y., Martins C.B., Ferreira J.D., Correia M.J., Santos L.M., Oliveira F., Ramos V., Reis M., Castelo‐Branco R., Morais J., Vasconcelos V., Probert I., Guilloud E., Mehiri M., Soto S.M. Inhibition of Bacterial and Fungal Biofilm Formation by 675 Extracts from Microalgae and Cyanobacteria. Antibiotics, 2019, vol. 8, no. 2, 77 p. DOI: 10.3390/antibiotics8020077Kosová K., Chrpová J., Šantrůček J., Hynek R., Štěrbová L., Vítámvás P., Bradová J., Prášil I.T. The Effect of Fusarium culmorum Infection and Deoxynivalenol (DON) Application on Proteome Response in Barley Cultivars Chevron and Pedant // Journal of Proteomics. 2017. V. 169. P. 112‐124. DOI: 10.1016/j.jprot.2017.07.005Kosová K., Chrpová J., Šantrůček J., Hynek R., Štěrbová L., Vítámvás P., Bradová J., Prášil I.T. The Effect of Fusarium culmorum Infection and Deoxynivalenol (DON) Application on Proteome Response in Barley Cultivars Chevron and Pedant. Journal of Proteomics, 2017, vol. 169, pp. 112‐124. DOI: 10.1016/j.jprot.2017.07.005Shalaby Е.А. Influence of A biotic stress on biosynthesis of alga‐chemicals and its relation to biological activities // Indian Journal of Geo‐Marine Sciences. 2017. V. 46. N1. P. 23‐32.Shalaby Е.А. Influence of A biotic stress on biosynthesis of alga‐chemicals and its relation to biological activities. Indian Journal of Geo‐Marine Sciences. 2017, vol. 46, no. 1, pp. 23‐32.Tannin‐Spitz T., Bergman M., van‐Moppes D., Grossman S., Arad S.(M.) Antioxidant activity of the polysaccharide of the red microalga Porphyridium sp. // Journal of Applied Phycology. 2005. V. 17. Iss. 3. P. 215‐222. DOI: 10.1007/s10811‐005‐0679‐7Tannin‐Spitz T., Bergman M., van‐Moppes D., Grossman S., Arad S.(M.) Antioxidant activity of the polysaccharide of the red microalga Porphyridium sp. Journal of Applied Phycology, 2005, vol. 17, iss. 3, pp. 215‐222. DOI: 10.1007/s10811‐005‐0679‐7Boba A., Kostyn K., Kozak B., Wojtasik W., Preisner M., Prescha A., Gola E.M., Lysh D., Dudek B., Szopa J., Kulma A. Fusarium oxysporum infection activates the plastidial branch of the terpenoid biosynthesis pathway in flax, leading to increased aba synthesis // Planta. 2020. V. 251. Article number: 50. DOI: 10.1007/s00425‐020‐03339‐9Boba A., Kostyn K., Kozak B., Wojtasik W., Preisner M., Prescha A., Gola E.M., Lysh D., Dudek B., Szopa J., Kulma A. Fusarium oxysporum infection activates the plastidial branch of the terpenoid biosynthesis pathway in flax, leading to increased aba synthesis. Planta, 2020, vol. 251, article number: 50. DOI: 10.1007/s00425‐020‐03339‐9Фокина А.И., Ашихмина Т.Я., Домрачева Л.И., Горностаева Е.А., Огородникова С.Ю. Тяжелые металлы как фактор изменения метаболизма у микроорганизмов (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2015. N 2. C. 5‐18. DOI: 10.25750/1995‐4301‐2015‐2‐005‐018Fokina A.I., Ashikhmina T.Ya., Domracheva L.I., Gornostaeva E.A., Ogorodnikova S.Yu. Heavy metals as a factor in changes in the metabolism of microorganisms (review). Theoretical and Applied Ecology, 2015, no. 2, pp. 5‐18. (In Russian). DOI: 10.25750/1995‐4301‐2015‐2‐005‐018Singh S. Biosorption of heavy metals by cyanobacteria: potential of live and dead cells in bioremediation. In: Shah M. (ed.) Microbial Bioremediation & Biodegradation. Springer, Singapore, 2020. P. 409‐423. DOI: 10.1007/978‐981‐15‐1812‐6_15Singh S. Biosorption of heavy metals by cyanobacteria: potential of live and dead cells in bioremediation. In: Shah M. (ed.) Microbial Bioremediation & Biodegradation. Springer, Singapore, 2020, pp. 409‐423. DOI: 10.1007/978‐981‐15‐1812‐6_15Morsy F.M., Hassan S.H.A., Koutb M. Biosorption of Cd(II) and Zn(II) by Nostoc commune: isotherm and kinetics studies // CLEAN‐Soil, Air, Water. 2011. V. 36. Iss. 7. P. 680‐687. DOI: 10.1002/clen.201000312Morsy F.M., Hassan S.H.A., Koutb M. Biosorption of Cd(II) and Zn(II) by Nostoc commune: isotherm and kinetics studies. CLEAN‐Soil, Air, Water, 2011, vol. 36, iss. 7, pp. 680‐687. DOI: 10.1002/clen.201000312Safari M., Ahmady‐Asbchin S. Biosorption of zinc from aqueous solution by cyanobacterium Fischerella ambiguaISC67: optimization, kinetic, isotherm and thermodynamic studies // Water Sci. Technol. 2018. V. 78. Iss. 7. P. 1525‐1534. DOI: 10.2166/wst.2018.437Safari M., Ahmady‐Asbchin S. Biosorption of zinc from aqueous solution by cyanobacterium Fischerella ambiguaISC67: optimization, kinetic, isotherm and thermodynamic studies. Water Sci. Technol., 2018, vol. 78, iss. 7, pp. 1525‐1534. DOI: 10.2166/wst.2018.437Скугорева C.Г., Кантор Г.Я., Домрачева Л.И., Кутявина Т.И. Сравнительный анализ эффективности использования сорбентов различной природы по отношению к ионам меди (II) // Теоретическая и прикладная экология. 2018. N 3. С. 12‐18. DOI: 10.25750/1995‐4301‐2018‐3‐012‐018Skugoreva S.G., Kantor G.Ya., Domracheva L.I., Kutyavina T.I. Comparative analysis of the effectiveness of the use of sorbents of different nature with respect to copper (II) ions. Theoretical and Applied Ecology, 2018, no. 3, pp. 12‐18. (In Russian) DOI: 10.25750/1995‐4301‐2018‐3‐012‐018Ho Y.S., Ng J.C.Y., McKay G. Kinetics of pollutant sorption by biosorbents: review // Separ. Purif. Methods. 2000. V. 29. Iss. 2. Р. 189‐232. DOI: 10.1081/SPM‐100100009 1Ho Y.S., Ng J.C.Y., McKay G. Kinetics of pollutant sorption by biosorbents: review. Separ. Purif. Methods, 2000, vol. 29, iss. 2, pp. 189‐232. DOI: 10.1081/SPM‐100100009Cheung W.H., Ng J.C.Y., McKay G. Kinetic analysis of the sorption of copper (II) ions on chitosan // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2003. V. 78. Iss. 5. P. 562‐571. DOI: 10.1002/jctb.836Cheung W.H., Ng J.C.Y., McKay G. Kinetic analysis of the sorption of copper (II) ions on chitosan. J. Chem. Technol. Biotechnol., 2003, vol. 78, iss. 5, pp. 562‐571. DOI: 10.1002/jctb.836Скугорева C.Г., Кантор Г.Я., Домрачева Л.И., Шешегова Т.К. Оценка сорбционных способностей различных видов микромицетов рода Fusarium по отношению к ионам тяжёлых металлов //Теоретическая и прикладная экология. 2019. N 4. С. 102‐109. DOI: 10.25750/1995‐4301‐2019‐4‐103‐109Skugorevа S.G., Kantor G.Ya., Domracheva L.I., Sheshegova T.K. Assessment of sorption abilities of various species of Fusarium micromycetes in relation to heavy metal ions. Theoretical and Applied Ecology, 2019, no. 4, pp. 102‐109. (In Russian) DOI: 10.25750/1995‐4301‐2019‐4‐103‐109Flemming H‐C. Sorption sites in biofilms // Water Sci Technol. 1995. V. 32. Iss. 8. P. 27‐33. DOI: 10.2166/wst.1995.0256Flemming H‐C. Sorption sites in biofilms. Water Sci Technol., 1995, vol. 32, iss. 8, pp. 27‐33. DOI: 10.2166/wst.1995.0256

The authors declare that there are no conflicts of interest present.