Удивительные представители подводного мира — водоросли — уже давно знакомы человеку как богатый источник полезных питательных веществ и микроэлементов, однако по сей день продолжают радовать исследователей новыми необычными свойствами. О том, какое применение водорослям находят в космосе, медицине и защите окружающей среды, читайте в материале «Научной России».
От коронавируса и болезни Альцгеймера
Осенью 2023 г. исследователи из Уральского федерального университета и Института органического синтеза УрО РАН вместе с учеными из Германии и Австралии выяснили, что красные водоросли Laurencia могут стать основой для новых лекарств от коронавируса COVID-19. Изучив 300 биологически активных компонентов водорослей, эксперты выявили семь веществ, способных останавливать репликацию вируса. Интересно, что уже сейчас эту разновидность красных водорослей употребляют в пищу и используют как лекарство в народной медицине и удобрение.
«Последнее время Laurencia стала предметом активного исследования. Только с 2015 г. из видов Laurencia выделено в общей сложности 104 вторичных метаболита, которые обладают различными полезными свойствами», — сообщил главный научный сотрудник лаборатории перспективных материалов, зеленых методов и биотехнологий УрФУ Григорий Васильевич Зырянов, подчеркнув, что проведенное исследование представляет собой «хороший задел» для дальнейшей работы в данном направлении.
Некоторые штаммы микроводорослей гематококков производят каротиноиды — вещества, применяемые в борьбе с нейродегенеративными заболеваниями.
Фото: wayhomestudio / фотобанк Freepik
Водоросли способны помогать людям и в лечении нейродегенеративных заболеваний. В 2017 г. в рамках программы МГУ им. М.В. Ломоносова по изучению и сохранению биологического разнообразия с символическим названием «Ноев ковчег» российские ученые обнаружили штаммы микроводорослей гематококков, производящие каротиноиды. Эти природные антиоксиданты активно используются в лекарствах и пищевых добавках, помогая людям в борьбе с тяжелыми формами рассеянного склероза, а также болезней Паркинсона, Альцгеймера и Гентингтона. Каротиноиды также применяются в профилактике рака и заболеваний центральной нервной системы.
«Подобные химические вещества в настоящее время вырабатываются в ограниченном количестве путем дорогостоящего химического синтеза. Это сложно, неэффективно и затратно, а в отдельных случаях вовсе невозможно», — отметил в интервью «Известиям» профессор МГУ Алексей Евгеньевич Соловченко, рассказав, что водоросли способны помочь производить каротиноид дешево и безопасно для окружающей среды.
«Вытяжка» для мороженого и леденцов от кашля
Использовать микроводоросли в качестве основы для биодобавок предложили в 2023 г. ученые Федерального исследовательского центра «Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского». Исследователи разработали технологию создания из фитопланктона полезной вытяжки, предназначенной для добавления в пищу. Ученые уже отработали методики выращивания более десятка видов микроводорослей, содержащих компоненты, обладающие способностью укреплять иммунитет, подавлять окислительные процессы в организме, предупреждать развитие рака. Более того, эксперты научились изменять условия обитания фитопланктона таким образом, чтобы микроорганизмы «программировались» на накапливание большего объема полезных элементов: йода, цинка, брома, селена, меди, железа, марганца и многих других. Ученые уже предложили использовать вытяжки из водорослей в производстве сыров, кефира, йогурта, мороженого, мармелада, газированных напитков и даже подсолнечного масла и леденцов от кашля.
Мармелад и другие продукты с биодобавками из микроводорослей разработали ученые из Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского (изображение представлено в иллюстративных целях).
Фото: freepik / фотобанк Freepik
«Употребляя продукты, созданные на основе водорослей, мы приобретаем целый спектр биологически активных соединений. Это те же вещества, которые можно получить химическим синтезом, но искусственно сложно воссоздать природную комбинацию элементов», — пояснил для «Известий» заведующий лабораторией химии пищевых продуктов Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи Владимир Владимирович Бессонов.
При этом ученый отметил, что крайне важно обеспечить стабильные и предсказуемые результаты выращивания водорослей: в каждом урожае число витаминов и микроэлементов должно соответствовать «запрограммированной» норме.
На страже экобезопасности
Водоросли могут быть не только источником лекарственных веществ и полезных микроэлементов, но и отличными «санитарами» окружающей среды.
В 2019 г. исследователи из Южного научного центра РАН и Мурманского морского биологического института предложили очищать воду от разливов нефти при помощи водорослевых плантаций. Самым подходящим кандидатом на эту роль оказался фукус пузырчатый, способный переносить температуры до –2 °C, многодневное отсутствие воды при отливах и света во время полярной ночи. Устойчивость этой водоросли к нефтепродуктам впечатляет: 50 мг/л при средней норме 0,05 мг/л! Фукус пузырчатый способен не только выживать в неблагоприятной среде, но и очищать ее: несколько десятков килограммов этого вида водорослей, если их расположить в воде определенным образом, могут утилизировать нефть, расщепляя ее до простых веществ. При этом такой биофильтр успешно продолжит работать даже при дополнительном выбросе.
Водоросли могут применяться для очиcтки воды от нефти, тяжелых металлов и органических соединений.
Фото: aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik
Водоросли показывают эффективность и в борьбе с загрязнением воды тяжелыми металлами. Например, исследователи из Российского университета дружбы народов заметили, что микроводоросли Chlorella Sorokiniana способны снижать уровень загрязнения воды свинцом. При этом водоросли вырабатывают устойчивость к опасному элементу за счет того, что в большом количестве накапливают липиды, благодаря чему растет их ценность как биотоплива.
Использовать водоросли для очистки сточных вод в северных регионах впервые предложили исследователи из МГУ совместно с коллегами из финского Университета Турку. Специальные фотобиореакторы со штаммом микроводорослей Chlorella vulgaris UHCC0027, приспособленным к низким температурам, помогли ученым успешно очистить образцы реальных сточных вод от органических соединений, азота и фосфора. Кроме того, такие микроводоросли-очистители оказались подходящим сырьем для переработки в биодизельное топливо с минимальными добавками.
Подводные гости на космических рубежах
Нет ничего удивительного в том, что такие перспективные организмы, как водоросли, уже добрались до земной орбиты и однажды наверняка окажутся далеко за пределами нашей планеты.
Интересными подробностями применения водорослей в космических экспериментах поделилась с «Научной Россией» доктор биологических наук, профессор, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Галина Семеновна Нечитайло, много лет проработавшая руководителем и постановщиком биологических программ в РКК «Энергия».
Водоросли — ценный материал для космических экспериментов (изображение представлено в иллюстративных целях).
Фото: wirestock / фотобанк Freepik
«Космические эксперименты с различными видами водорослей ставились еще со времен первой космической станции “Салют”, где наши космонавты, к сожалению, погибли, но мы успели поставить удивительный эксперимент с сине-зелеными водорослями, чтобы посмотреть, как они будут вести себя в космических условиях: будут ли размножаться, произойдут ли какие-то изменения в их жизнедеятельности. К сожалению, тогда мы не получили никаких результатов. Сине-зеленые водоросли достаточно ядовиты: они очень раздражающе действуют на слизистую оболочку, вызывая хронические синуситы, болезни глаз и другие нарушения. Мы опасались, что если кто-то на космической станции случайно разобьет чашку Петри с этими одноклеточными, токсины могут попасть в организм космонавтов, поэтому больше эксперименты с сине-зелеными водорослями не проводили», — рассказала биолог.
Исследовательница отметила, что в основном российские космические эксперименты ставились с использованием известной одноклеточной водоросли хлореллы.
«У нас была специальная аппаратура, мы проводили испытания и в термостатах, и без них, — сообщила Г.С. Нечитайло. — Космических экспериментов с микроорганизмами в целом было очень много. В 1980 г. мы получили за них государственную премию».
Исследовательница остановилась и на основных целях отечественных космических экспериментов с водорослями.
«Мы находили различные изменения во многих одноклеточных микроорганизмах, побывавших в космосе. Поэтому мы исследовали те преобразования, которые возникают в космической среде в микроводорослях. Выводы, сделанные на основе изучения одной клетки, очень трудно экстраполировать на многоклеточный организм. Но вместе с тем, если изменения возникают в одноклеточных, то, безусловно, они должны происходить и в крупных существах, включая человека. Только проявления будут разными, — объяснила Г.С. Нечитайло. — Например, если космонавт не будет двигаться во время полета, он вернется фактически “без рук и ног”: у него атрофируются мышцы. Нельзя представить, чтобы подобные эксперименты ставились на человеке, поэтому все испытания проводятся на небольших объектах — в основном это одноклеточные организмы. Я была руководителем всех биологических программ на орбитальных станциях, и с самого начала экспериментов на первых “Салютах” мы неоднократно сообщали, что в водорослях есть изменения. Но сначала нам никто не верил».
В дальнейшем эксперименты с водорослями перебрались на советский орбитальный комплекс «Мир».
«Во время полета космонавта Валерия Полякова, который продлился 437 суток, мы проводили очень интересный эксперимент по созданию полностью замкнутой экологической системы. В нее входили живородящие рыбы гуппи и хлорелла, служившая для рыб источником кислорода и питания», — рассказала Г.С. Нечитайло.
Ламинария, или «морская капуста», — ценный источник питательных веществ.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Водоросли в космосе играют две очень важные роли: источника кислорода и ценного пищевого ресурса. Но здесь есть свои нюансы.
«С крупными водорослями вроде ламинарии эксперименты еще не проводились, — сообщила космический биолог. — Но они будут чрезвычайно важны в дальнейших межпланетных и планетарных исследованиях. Например, если будет создаваться лунная база, то предполагается, что на ней обязательно должны будут присутствовать большие аквариумы с ламинарией, так как это естественный источник питания, наполненный всеми витаминами и разнообразными питательными веществами, и одновременно источник кислорода».
А вот одноклеточные водоросли, такие как хлорелла и спирулина, в качестве продукта питания вызывают у исследователя большие сомнения.
«Сейчас многие утверждают, что хлорелла полезна, делают из нее напитки, спирулину потребляют для омоложения организма и бодрости. Но я к этому отношусь отрицательно. Когда мы выбирали водоросли для работы в космосе, в ходе наземных испытаний несколько экспериментаторов работали с хлореллой и делали из нее подобие лепешек. В результате один из испытателей умер от цирроза печени. Оказалось, что эта водоросль в определенный момент становится токсичной, — объяснила Г.С. Нечитайло. — Основная причина опасности микроводорослей как источника пищи заключается в том, что они очень часто и быстро мутируют при малейшем изменении среды — например, изменении освещения или состава воды. Это относится и к хлорелле, и к спирулине. Поэтому я бы не рекомендовала использовать одноклеточные водоросли для питания».
Становится понятным, почему даже при создании из микроводорослей вытяжки для биодобавок, о которой мы рассказывали выше, критически важно строгое соответствие норме всех элементов в составе микроорганизмов. Малейшее изменение условий может вызвать существенные — и далеко не полезные — перемены в химическом составе подводного урожая.
Г.С. Нечитайло добавила, что многоклеточные водоросли наподобие ламинарии («морской капусты») таким мутациям не подвержены.
В то же время одноклеточные водоросли остаются отменным источником кислорода для замкнутых систем жизнеобеспечения.
«В Красноярске в течение 20 лет функционировал комплекс БИОС. Для поддержания дыхания в нем выращивались самые различные растения: пшеница, помидоры, огурцы, морковь и т.д., — рассказала Г.С. Нечитайло. — И отдельно был установлен большой хлорелльный культиватор, который давал кислород. Таким образом, в системах жизнеобеспечения очень важна именно культура хлореллы».
Микроводоросли — перспективный источник кислорода для космических систем жизнеобеспечения.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Космические исследования продолжаются. В 2022–2023 гг. на Международной космической станции проводился эксперимент «Фотобиореактор» по созданию системы выращивания микроводорослей в условиях невесомости для производства кислорода. Космонавт-испытатель «Роскосмоса» Дмитрий Александрович Петелин, принимавший участие в испытаниях, отметил, что пузырьки газа появились в реакторе уже в первые несколько дней. Об успешном применении одноклеточных водорослей (в частности, спирулины) в космическом жизнеобеспечении рассказывал в 2021 г. в ходе марафона «Новое знание» и космонавт Сергей Владимирович Кудь-Сверчков. Схожие эксперименты проводят зарубежные ученые.
«В Китае уже создаются системы производства кислорода с использованием водорослей, — рассказала Г.С. Нечитайло. — Эти проекты необходимы для китайской базы на Луне, которая, по планам, появится очень скоро. Китайцы собираются создавать огромные культиваторы, обеспечивающие дыхание человеку. Они используют для получения кислорода и растения, но водоросли применяются в первую очередь. Работа с подобными системами уже отработана на Земле: в Китае создано порядка восьми баз, где проводятся эти испытания».
Галина Семеновна назвала две основные черты водорослей, которые выгодно выделяют их в космосе на фоне растений: значительно бóльшие объемы производимого кислорода и высокая скорость роста.
«В отличие от растений водоросли очень быстро растут. Для сравнения: от момента посадки материала и до момента получения урожая у пшеницы проходит 157 суток, у помидоров — почти 90 суток и т.д. А та же хлорелла, напротив, очень быстро размножается», — заметила исследователь, подчеркнув, что считает водоросли очень перспективным материалом для космических полетов.
Аналогичной точки зрения придерживаются и эксперты НИЦ «Курчатовский институт», разработавшие в 2023 г. водорослевый фотобиореактор для жизнеобеспечения космонавтов. В роли биомассы в установке выступает микроводоросль Chlorella vulgaris. Реактор легко устанавливается, а его осветительные системы задействуют минимум энергии. Кроме того, в ходе испытаний выяснилось, что хлорелла растет в установке гораздо быстрее, чем в природе, и образует вчетверо больше биомассы. Исследователи сообщили, что планируют испытать изобретение сначала на Земле, а затем и в условиях космического полета.
«Водоросли — это наше будущее», — подвела итог Галина Семеновна Нечитайло.
Источники
Уральский Федеральный университет. Красные водоросли можно использовать для создания лекарства от коронавируса
«Известия». Александр Круглов. Российские ученые обнаружили уникальный вид водорослей-врачей
«Известия». Андрей Коршунов. Урожайные воды: водоросли для еды «запрограммируют» полезными элементами
«РИА Новости». Юлия Насулина. Российские ученые создали фильтр из водорослей для очистки воды от нефти
RUDN University. Химик РУДН показал, что водоросли могут одновременно очистить воду от свинца и стать сырьем для биотоплива
МГУ им. М.В. Ломоносова. Ученые МГУ адаптировали технологию очистки сточных вод микроводорослями к северному климату
Наука.РФ (официальная страница в социальной сети «ВКонтакте»). Водоросли обеспечат космонавтов воздухом и пищей (публикация от 08.08.2023 в 10:50)
ТАСС. Космонавт рассказал, что водоросли можно использовать для восстановления атмосферы
ТАСС. Космонавты на МКС смогли получить пузырьки кислорода из микроводорослей
Источник изображения на превью: macrovector / фотобанк Freepik
Источник изображения на главной странице: macrovector / фотобанк Freepik
Фото в тексте: wayhomestudio / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.
