Chlorella growth stimulation depending on the duration of extremely high frequencies electromagnetic radiation exposure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The result indicates the possibility of creating methods to stimulate the growth rate of microalgae by extremely high frequency electromagnetic radiation (EHF EMF). Pollution of quarry waste water with inorganic nitrogen compounds (ammonium, nitrate, nitrite) is an important problem in the mining industry. Biological treatment methods with the use of plant organisms and microorganisms show efficiency and require less financial and labour costs than physical and chemical methods of waste water treatment. Not all organisms and microorganisms are applicable in the Far North conditions. The microalgae Chlorella shows the ability to reduce nitrate and ammonium concentrations in quarry wastewater, and some species of microalgae can survive at water temperatures of 3⁰C. A number of works indicate the stimulating effect of EHF EMR on microorganisms and the ability to reduce the toxicity of pollutants. Therefore, the methods of treatment of quarry waste water from inorganic nitrogen compounds by microalgae Chlorella under the influence of electromagnetic radiation of extremely high frequency are relevant for development. The aim of the study was to investigate the effect of the duration of EHF EMR exposure on the growth rate of the Chlorella microalgae. Materials and Methods: In this work, 2 control and 9 working experiments were carried out to cultivate Chlorella vulgaris for 24 hours with the exposure time of EMF EHF from 5 to 480 minutes at the beginning of cultivation. The increase in biomass concentration in the experiments relative to control values was studied spectrophotometrically. Results: The maximum increase in biomass concentration was observed at an exposure time of 120 minutes.

Full Text

Введение Загрязнение карьерных сточных вод соединениями неорганического азота - важная проблема горнодобывающей промышленности [1; 2]. Загрязнение происходит в результате использования в качестве взрывчатого вещества нитрата аммония при неполном его разложении. В результате выбросов соединения неорганического азота попадают в водоемы и почвы, угнетая экосистему[3]. Микроводоросль Chlorella - перспективный объект исследований для создания методов очистки сточных вод горнодобывающих производств от соединений неорганического азота [4; 5]. Поэтому важно найти способы стимулирования роста микроводоросли, с помощью которых удастся быстрее наращивать биомассу микроводоросли для очистки сточных вод. Электромагнитное излучение (ЭМИ) может быть использовано для ускорения наращивания биомассы микроводорослей. В ряде работ показаны стимулирующие эффекты ЭМИ на микроводоросль Chlorella [6; 7]. Повышенный интерес представляет действие ЭМИ крайне высоких частот (КВЧ). Так, в [8-10] сообщается о снижении токсичности загрязняющих веществ в воде при воздействии электромагнитного излучения крайне высоких частот (ЭМИ КВЧ). Цель исследования - изучение действия ЭМИ КВЧ различной продолжительности при наращивании биомассы микроводоросли Chlorella. Материалы и методы Объект исследования - одноклеточная микроводоросль Chlorella vulgaris. До начала экспериментов биомасса водоросли наращивалась на среде Тамия 7 дней. Полученную культуру брали в качестве исходной для проведения экспериментов. Эксперименты проходили при постоянном освещении лампы LED-1088 Aquarium light, при постоянной температуре 30 ⁰С и подаче воздуха 2,5 л/м. Характеристики излучения. Генератор Г4-141 («Исток», г. Фрязино Московской области, СССР) являлся источником излучения. Прямоугольный рупор с раскрытом 5,2×2,6 мм использовался в качестве излучателя на расстоянии 25 см от объекта. Плотность потока энергии J составляла 11,69 мкВт/см2. Рабочая частота излучения 40 ГГц в режиме непрерывной генерации выявлена в предварительных экспериментах [11]. Методика эксперимента. В каждом эксперименте брали 6 мл исходной культуры, вносили в 1,2 литра среды Тамия и разделяли на 4 равные пробы по 300 мл. Одну пробу сразу отбирали для определения исходной концентрации биомассы, оставшиеся три экспериментальные пробы культивировали 24 ч, облучая ЭМИ КВЧ от 0 до 480 мин в начале культивирования. Было проведено два контрольных эксперимента, в которых культура выращивалась без воздействия ЭМИ КВЧ, и 9 экспериментов с различным временем экспозиции: 5, 10, 15, 30, 45, 60, 120, 240, 480 мин. Методика анализа. После окончания культивирования пробы пропускались через мембранный фильтр диаметром 47 мм типа МФАС-ОС-2С. А затем по методике ГОСТ 17.1.4.02-90 определяли концентрацию биомассы микроводоросли на спектрофотометре ПЭ-5400УФ (ООО «Экохим», г. Санкт-Петербург, Россия). По значениям от трех экспериментальных проб рассчитывалась средняя концентрация биомассы. По среднему значению относительно исходного значения рассчитывался прирост биомассы за сутки. Полученный прирост биомассы в эксперименте сравнивался со значением в контрольных экспериментах. Результаты Полученные результаты представлены в графическом виде на рисунке. Прирост концентрации биомассы Chlorella vulgaris после 24-часового культивирования в зависимости от времени экспозиции ЭМИ 40 ГГц, ППЭ 11,69 мкВт/см2 The Chlorella vulgaris biomass concentration increase after cultivation 24 hours and various durations exposure to EMR 40 Hz, energy-flux density of 11.69 uW/cm2 По двум контрольным экспериментам с тремя повторами в каждом было рассчитано среднее значение концентрации биомассы, которое было принято за контрольное значение без воздействия и приравнено к 1. Ось ординат показывает, во сколько раз относительно контроля изменилась концентрация биомассы за сутки - ∆B. Ось абсцисс показывает время экспозиции объекта - Т, от 5 до 480 минут. На графике представлено 9 столбцов, каждый из которых отражает результаты одного из экспериментов с различным временем экспозиции. Культивирование во всех экспериментах проходило 24 часа вне зависимости от времени экспозиции. Как видно из данных рис., в экспериментах наблюдается увеличение концентрации биомассы микроводоросли относительно контрольных значений, что подтверждает предварительно полученные результаты о стимулирующем действии ЭМИ КВЧ 40 ГГц на Chlorella vulgaris [11]. Результаты экспериментов, приведенные на графике, разделены на три сектора: 5-30, 45-240, 480 мин. В диапазоне от 5 до 30 мин наблюдается увеличение концентрации биомассы относительно контроля. В диапазоне от 45 до 240 мин наблюдается резкое увеличение прироста биомассы с пиковым значением при времени экспозиции 120 мин. Затем прирост биомассы снижается и при 480 мин укладывается в диапазон, наблюдаемый при 5-30 мин. Наличие данных о способности микроводоросли Chlorella к поглощению аммонийного и нитратного азота [4; 5] указывает на перспективность биологических методик очистки карьерных сточных вод от соединений неорганического азота. Данные о снижении токсичности загрязняющих веществ в стоках [8-10] свидетельствуют о перспективности использования ЭМИ КВЧ не только для стимулирования роста микроводоросли, но и снижения токсичности соединений азота и, как следствие, повышения степени очистки карьерных сточных вод. Заключение По результатам исследования оптимальное время экспозиции ЭМИ КВЧ 40 ГГц для стимулирования роста одноклеточной микроводоросли Chlorella vulgaris лежит в диапазоне от 45 до 240 мин. Максимальный стимулирующий эффект был отмечен при времени экспозиции 120 мин (2 ч). Прирост биомассы за 24 ч выше контрольных значений в 6,84 раза при экспозиции 120 мин. Полученные результаты важны для создания методик культивирования микроводорослей. Для создания методов культивирования Chlorella необходимо подобрать оптимальные характеристики ЭМИ КВЧ. Описанные в статье эксперименты были проведены в режиме непрерывной генерации. В дальнейшей работе необходимо изучить действие ЭМИ КВЧ в режиме импульсной генерации и сравнить воздействие с воздействием непрерывного излучения. Также необходимо проведение ряда экспериментов по изучению способности Chlorella к поглощению соединений азота в различных условиях, в том числе в климатических условиях Крайнего Севера, подбору холодоустойчивых видов Chlorella. И затем изучить способность Chlorella поглощать соединения неорганического азота при экспозиции ЭМИ КВЧ.
×

About the authors

Gleb A. Shcheglov

Kola Science Center, Russian Academy of Science (INEP KSC RAS)

Author for correspondence.
Email: g.scheglov@ksc.ru
ORCID iD: 0000-0003-2870-3616

Engineer, Institute of North Industrial Ecology Problems

14a Fersman St, Apatity, Murmansk region, 184209, Russian Federation

References

  1. Khokhryakov AB, Studenok AG, Olkhovsky AM, Studenok GA. Quantitative assessment of the contribution of blasting operations to the pollution of drainage waters of quarries with nitrogen compounds. Proceedings of Higher Educational Institutions. Mining Journal. 2005;6:29–31. (In Russ.). Available from: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=11642420 (accessed: 07.11.2022).
  2. Khokhryakova AV, Studenok AG, Studenok GA. Investigation of the processes of formation of chemical pollution of drainage waters with nitrogen compounds on the example of a quarry of a large mining enterprise. Proceedings of the Ural State Mining University. 2016;4(44):35–37. (In Russ.). http://doi.org/10.21440/2307-2091-2016-4-35-37
  3. Babatunde AO, Zhao YQ, Doyle RJ, Rackard SM, Kumar JLG, Hu YS. On the fit of statistical and the k-C * models to projecting treatment performance in a constructed wetland system. Environ Sci Health A Tox Hazard Subst. 2011;46(5):490-9. http://doi.org/10.1080/10934529.2011.551729
  4. Kirilina TV, Do Thi Thu Hang, Sirotkin AS. Evaluation of the efficiency of wastewater treatment using unicellular and multicellular hydrobionts. Bulletin of Kazan Technological University. 2013;8(16):200–203. (In Russ.)
  5. Solnyshkova MA. Reduction of surface water pollution by inorganic nitrogen compounds in the impact zone of mining enterprises of the Murmansk region (dissertation of the Candidate of Technical Sciences). Saint Petersburg; 2020. (In Russ.). Available from: https://goo.su/N55RjSd (accessed: 07.11.2022).
  6. Li ZY, Guo SY, Li L, Cai MY. Effects of electromagnetic field on the batch cultivation and nutritional composition of Spirulina platensis in an air-lift photobioreactor. Bioresour. Technol. 2007;98(3):700–705.
  7. Sukhovsky NA. The presence of an electrostatic field in an electrostatic bioreactor. Bulletin of the Agroindustrial complex of the Upper Volga region. 2015;(1):92–94. (In Russ.)
  8. Gapochka MG. Ecological aspects of interaction of electromagnetic fields of the millimeter range with biological objects (dissertation of the Doctor of Biological Sciences). Moscow; 2013. (In Russ.). Available from: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=30397922 (accessed: 27.09.2022).
  9. Gapochka MG. The influence of low-intensity electromagnetic radiation on the toxicity of the aquatic environment. VMU physics astronomy. 2009;1:67–69. (In Russ.)
  10. Zarubina AP, Gapochka MG, Novoselova LA, Gapochka LD. Biotesting by the ecolume test system of the effect of a low-intensity electromagnetic field on the toxicity of household wastewater. Bulletin of the Moscow University. Biology. 2012;16(3):39–43. (In Russ.)
  11. Shcheglov GA, Masloboev VA. Prospects of the Chlorella application for the nitrogen quarry waters purification at low temperature. Proceedings of the Fersman scientific session of the GI KNC RAS. 2022;19:424–429. (In Russ.). http://doi.org/10.31241/FNS.2022.19.077

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Shcheglov G.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.