Possibility of using biomass of microscopic algae cultivated under flue gas conditions as an organic fertilizer

Alyona S. Solovyova; Соловьева Алена Сергеевна; Ekaterina S. Belik; Белик Екатерина Сергеевна; Larisa V. Rudakova; Рудакова Лариса Васильевна; Elizaveta I. Noskova; Носкова Елизавета Ивановна; Anastasiya V. Belykh; Белых Анастасия Владимировна

doi:10.22363/2313-2310-2025-33-4-525-538

Possibility of using biomass of microscopic algae cultivated under flue gas conditions as an organic fertilizer

Authors: Solovyova A.S.¹, Belik E.S.¹, Rudakova L.V.¹, Noskova E.I.¹, Belykh A.V.¹
Affiliations:
1. Perm National Research Polytechnic University
Issue: Vol 33, No 4 (2025): Green Economy: Challenges and Prospects
Pages: 525-538
Section: Biological resources
URL: https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/47554
DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2025-33-4-525-538
EDN: https://elibrary.ru/JBKZLA
ID: 47554

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The use of microalgae grown during the utilization of CO2 from flue gases as organic fertilizers opens up new perspectives for simultaneously solving two of the most significant problems of our time - decarbonizing production processes (by reducing CO2 emissions from fuel combustion) and enhancing the agricultural sector’s productivity (through increasing crop yields). Given the availability of developed technologies for the disposal of CO2 from flue gases, which are a continuous source of microscopic algae growth, it is important to explore the possibility of using the resulting biomass for use as fertilizer. Two types of biofertilizers based on two cultures of microalgae Chlorella sp. grown in the presence of flue gas were studied. The first culture was obtained from the biological agents «Spirulinafood». The second culture was a consortium of green microalgae of various species, with a predominance of Chlorella sp. It was isolated from a freshwater pond. A study of the effectiveness of biofertilizers has shown an increase in the length and weight of aboveground rapeseed seedlings. The optimal application conditions include dilution of the solutions with a biomass content of 2.4-2.8 g/dm3 and an optical density of 1.3-1.5, in a ratio of 1:9. This provides an increase in seedling length by 13% and weight by 13% The use of biofertilizer from a pure culture of Chlorella sp. (the biological agents «Spirulinafood») allowed to increase seed germination energy by 6% and the percentage of seed germination, and an elemental analysis revealed an increase in the content of magnesium and phosphorus in the composition of the fertilizer. The results obtained confirm the prospects for further research and the inclusion of biofertilizers from microalgae cultivated in flue gas conditions in modern agrotechnological processes

Keywords

biofertiliser, microalgae, Chlorella sp, germination, germination energy

Full Text

Введение За последние десятилетия мировой рынок минеральных удобрений продемонстрировал пятикратное увеличение, достигнув совокупной стоимости свыше 70 млрд долл. [1]. Основу данной отрасли составляют фосфорные, азотные и калийные удобрения, чрезмерное или неправильное применение которых влечет целый ряд негативных экологических последствий. К ним относятся вымывание питательных элементов из почвы, ее уплотнение, снижение пористости и закисление, загрязнение поверхностных и подземных вод, эвтрофи кация, неконтролируемые выбросы парниковых газов в атмосферу, накопление в почве тяжелых металлов и других токсичных соединений [2; 3]. Миграция азота и фосфора из минеральных удобрений начинается сразу после их внесения в почву [4]. Около 40 % общего объема азота ассимилируют растения, а остальная часть вымывается атмосферными осадками или улетучивается в виде газовых выбросов. Сырье, используемое для получения минеральных удобрений, содержит тяжелые металлы, такие как уран, стронций, цинк, кадмий, свинец, ртуть, которые попадают в удобрения, постепенно аккумулируются в почвенной структуре и сельскохозяйственных растениях, обусловливая потенциальные риски возникновения патологических состояний у человека [2]. Органические удобрения, в свою очередь, отличаются содержанием специального органического вещества - ценного элемента, улучшающего структуру почвы. Они разлагаются в почве постепенно, посредством микробиологических процессов, при этом обеспечивая непрерывное насыщение растений питательными веществами. Наиболее часто в качестве органических удобрений используют птичий помет, навоз сельскохозяйственных животных, ил, торф, компост, костную муку. Перспективным для удобрения почв является использование биомассы микроскопических водорослей [5; 6]. Микроводоросли способны повысить плодородие почвы и увеличить выход сельскохозяйственной продукции. Согласно исследованиям [7], альголизация почвы с использованием микроводорослей Nostoc sp., Cylindrospermum sp. и Anabaena sp. для посадки огурцов в теплицах привела к увеличению роста растений на 30,5-46,4 %, количества соцветий на 12,3-44,4 % и плодов на 27,0 %. Микроводоросли служат источником биологически значимых метаболитов, активно участвующих в почвообразовательных процессах, способствуют нормализации рН почвы и повышению влагоемкости. Кроме того, они являются продуцентами антибиотически активных веществ, которые благоприятно влияют на рост и развитие высших растений. После внесения в почву микроводоросли продолжают свой рост, достигая увеличения массы в 10-15 раз [8]. Биомасса микроводорослей разлагается быстрее растительных остатков, что делает органическое вещество более доступным, способствует легкой минерализации почв в течение вегетации и активизирует биологические процессы в почве. Согласно экспериментальным данным в мелкоделяночном опыте на темно-серых лесных почвах [9], обработка семян ячменя суспензией Chlorella vulgaris и внесение микроводоросли Chlorella vulgaris в почву позволили увеличить урожайность с 22,8 до 45,6 ц/га соответственно. В работе [10] при альголизации почв установлено значительное возрастание содержания гуминовых кислот на сероземах (до 45-55 %), возникшее в результате интенсивного развития микробиоценозов и образования легкоусвояемых органических соединений. Другое важное свойство микроводорослей, имеющее практическое значение в экологизации промышленных процессов, заключается в высокой эффективности фиксации диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Эта особенность позволяет применять микроводоросли для снижения концентрации СО2 в дымовых газах, возникающих при сжигании топлива. Разработанные технологии очистки газовых выбросов [11-13] обеспечивают постоянное наращивание биомассы микроводорослей, которую впоследствии можно эффективно использовать в качестве удобрения для повышения плодородия почв. Таким образом, разработка технологической схемы, включающей культивирование биомассы микроводорослей в ходе очистки дымовых газов от СО2 с последующей утилизацией полученного продукта в виде биоудобрений, позволит сформировать экологически устойчивый производственный процесс, обеспечивающий снижение эмиссии углекислого газа в атмосферу, повышение плодородия почв и восстановление естественного углеродного цикла. Данная работа посвящена оценке возможности использования биомассы микроскопических водорослей, культивируемых в условиях дымового газа, в качестве органического удобрения. Цель исследования - экспериментальное обоснование применения биомассы микроводорослей, культивируемых в среде, обогащенной дымовыми газами, в качестве органического удобрения для повышения витальных и морфофизиологических показателей семян рапса, а также определение эффективной дозировки его внесения. Объекты и методы исследования В работе исследовали два вида биоудобрений, полученных путем культивирования двух культур микроводорослей в условиях дымового газа. Газовая смесь характеризовалась следующим составом: О2 - 12,8 %, СО2 - 7,8 %, СО - 1,2 %, SO2 - менее 0,02 %, NOх - менее 0,01 %, H2S - менее 0,001 %. В качестве первой культуры использовали чистый штамм микроводоросли рода Chlorella, полученный из биопрепарата - БАД на основе микроводорослей Chlorella sp. компании «Spirulinafood». Вторая культура была выделена из природной среды (пресный водоем в Пермском крае) и представляла собой консорциум зеленых микроводорослей различных видов с преобладанием Chlorella sp. (рис. 1). Данные культуры микроводорослей были выбраны на основании прошлых исследований авторов как культуры, показавшие высокий потенциал в биофиксации углекислого газа [14]. Рис. 1..Микрофотографии.культур.микроводорослей.после.воздействия.дымового.газа Источник:.составлено.А.С..Соловьевой. Figure 1..Microphotographs.of.microalgae.cultures.after.exposure.to.flue.gases Source:.compiled.by.the.A.S..Solovyova. Для выращивания культур микроводорослей использовали жидкую среду Тамия, приготовленную на дистиллированной воде, следующего состава (г/л): KNO3 - 5,0, MgSO4·7H2O - 2,5, KH2PO4 - 1,25, ЭДТА - 0,037, FeSO4·7H2O - 0,009, H3BO3 - 0,00286, MnCl2·4H2O - 0,00181, ZnSO4·7H2O - 0,000222, MoO3 - 0,000018, NH4VO3 - 0,000023[35]. В данном исследовании рассматривается эффективность применения биоудобрений из микроводорослей при проращивании семян рапса. Рапс является агрономически значимой культурой с высокой чувствительностью к условиям прорастания и доступности питательных веществ. Его семена быстро реагируют на биологически активные вещества, что позволяет достоверно оценить влияние биоудобрений на витальные и морфофизиологические показатели. Схема проведения эксперимента включала контрольный образец (семена, обработанные дистиллированной водой) и опытные образцы для каждой из культур микроводорослей: варианты с разбавлениями 1:9, 1:12 и 1:15 для биоудобрения из чистой культуры Chlorella sp. и для биоудобрения из природного консорциума микроводорослей Chlorella sp. Для разбавления биоудобрений использовали дистиллированную воду. Оптическая плотность (концентрация клеток) неразбавленных культур микроводорослей варьировалась в диапазоне 1,3-1,5 ед., сухой вес биомассы составлял 2,4-2,8 г/дм3. Выбор разбавлений 1:9, 1:12 и 1:15 для проведения эксперимента аргументирован учетом равновесия между концентрацией биомассы и возможностью проявления токсичности (суспензия микроводорослей с содержанием биомассы по сухому весу 2,4-2,8 г/дм3 является высококонцентрированной и способна вызывать токсический эффект вследствие избытка органических веществ, аминокислот и солей); кроме того, учтены перспективы построения градиента концентраций для определения пороговой дозы внесения (при которой начинает проявляться стимулирующее действие), оптимальной дозы внесения (при которой наблюдается максимальный стимулирующий эффект) и максимально приемлемой дозы внесения (не приводящей к угнетению); а также учтены возможности реализации сравнительного анализа эффективности (разбавления подобраны таким образом, чтобы включить низкие, средние и высокие концентрации внесения, что важно для оценки экономической целесообразности). Семена рапса проращивали в соответствии с методикой ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести». Влияние различных концентраций биоудобрений оценивали по следующим показателям: энергия прорастания семян, всхожесть, длина проростков, масса проростков и масса корней. Элементный состав биомассы устанавливали посредством метода рентгеноспектрального микроанализа, используя сканирующий электронный микроскоп модели S-3400N производства компании Hitachi, оснащенный приставкой для энергодисперсионного анализа от фирмы Bruker. Фазовый состав изучаемых образцов оценивали с применением рентгеновского дифрактометра марки XRD-7000 японского производителя Shimadzu. Анализ полученных рентгенограмм выполнялся с помощью специализированного программного комплекса «XRD 6000/7000 Версия 5.21». Результаты и обсуждение Результаты проведенных исследований показали, что биомасса микроводорослей, культивируемых в среде, обогащенной дымовыми газами, обладает потенциалом биоудобрения, способного положительно влиять на витальные и морфофизиологические показатели проростков рапса (табл.). При внесении биоудобрения из чистой культуры Chlorella sp. во всех исследуемых разбавлениях (от 1:9 до 1:15), а также биоудобрения из природного консорциума Chlorella sp. в разведениях 1:9 и 1:12 наблюдался прирост массы зеленых частей растений по сравнению с контрольными ростками. При этом увеличение длины надземной части трехдневного проростка зафиксировано при использовании разбавления 1:9 для биомассы чистой культуры Chlorella sp. и разбавлений 1:9, 1:12 для биомассы природного консорциума Chlorella sp. Наибольший зафиксированный прирост длины трехдневных проростков составил 3 мм (13 %) при применении обеих культур в разбавлениях 1:9, а наибольший прирост массы трехдневных проростков - 10 мг (13 %) при использовании чистой культуры Chlorella sp. в разведении 1:9. Кроме того, чистая культура Chlorella sp. в разбавлении 1:9 продемонстрировала положительное влияние на ключевые характеристики процесса проращивания семян рапса: энергия прорастания и процент всхожести повысились на 6 % относительно контроля. витальные и морфофизиологические показатели ростков рапса после взаимодействия с удобрениями из микроводорослей, насыщенными дымовым газом вариант Разбавление Энергия прорастания, % всхожесть, % Длина трехдневного проростка, мм Трехдневные проростки Масса надземного ростка, мг Масса корня, мг Контроль - 61 91 24.±.7 26.±.7 4.±.2 Чистая. культура. Chlorella.sp. 1:9 67 (↑.6.%) 97 (↑.6.%) 27.±.5 (↑.13.%) 36.±.12 (↑.13.%) 3.±.2 1:12 47 81 23.±.4 31.±.9 3.±.1 1:15 40 77 21.±.5 29.±.8 4.±.1 Консорциум. Chlorella.sp.,. выделенный. из.природной. среды 1:9 37 91 27.±.4 (↑ 13.%) 33.±.7 4.±.2 1:12 20 80 25.±.6 32.±.8 4.±.3 1:15 12 91 22.±.8 24.±.8 3.±.3 Источник:.составлено.А.С..Соловьевой,.Е.И..Носковой,.А.В..Белых. vital and morphophysiological parameters of rapeseed sprouts after interaction with microalgae fertilizers saturated with flue gas sample Dilution germination Energy, % germination, % Length a three-dayold seedling, mm Three-day-old seedlings The mass of the aboveground sprout, mg Weight root, mg Control - 61 91 24.±.7 26.±.7 4.±.2 Pure.culture.of. Chlorella.sp. 1:9 67 (↑.6.%) 97 (↑.6.%) 27.±.5 (↑.13%) 36.±.12 (↑.13%) 3.±.2 1:12 47 81 23.±.4 31.±.9 3.±.1 1:15 40 77 21.±.5 29.±.8 4.±.1 Consortium. of.Chlorella. sp..isolated. from.the. environment 1:9 37 91 27.±.4 (↑.13%) 33.±.7 4.±.2 1:12 20 80 25.±.6 32.±.8 4.±.3 1:15 12 91 22.±.8 24.±.8 3.±.3 Source:.compiled.by.A.S..Solovyova,.E.I..Noskova,.A.V..Belykh. Следует отметить, что показатели проростков рапса в контрольной пробе с дистиллированной водой (то есть без добавления микроводорослей) по ряду параметров оказались выше, особенно по энергии прорастания (61 %) и всхожести (91 %), по сравнению с большинством опытных вариантов. Возможные причины этого следующие. 1. Стрессовые факторы, возникающие вследствие высокой концентрации биоудобрений. При введении концентрированной биомассы водорослевых культур в субстрат создаются стрессовые условия для зародышей растения, вызванные: - присутствием физиологически активных метаболитов, продуцируемых микроводорослями в значительных количествах, таких как органические кислоты и спирты, способных при высоких концентрациях подавлять развитие корневой системы и побегов; - нарушением ионного баланса, связанным с накоплением солей и изме-нением уровня pH среды; - избыточностью содержания фитогормонов и микроэлементов, оказыва-ющих отрицательное влияние на скорость деления клеток и длину корней; - образованием бескислородных зон в непосредственной близости от се-мян вследствие активного распада органического вещества. 2. Потеря эффективности при чрезмерном разведении биоудобрения и побочные эффекты раствора. Разведение биомассы микроводорослей до соотношений 1:12-1:15 приводит к существенному снижению концентрации веществ, стимулирующих прорастание семян, таких как ауксины, цитокинины, аминокислоты, витамины и микроэлементы. В результате положительный эффект биоудобрения практически полностью исчезает. Вместе с тем в растворе биоудобрений присутствуют соли, являющиеся основой питательной среды для микроводорослей, которые способны изменять осмотические условия при проращивании семян и оказывать побочное ингибирующее действие. Таким образом, контроль с дистиллированной водой обеспечивает более стабильные и предсказуемые условия для прорастания семян, тогда как удобрения из микроводорослей требуют точного подбора концентрации - иначе возможно стрессовое или токсическое воздействие. Для биоудобрения из чистой культуры Chlorella sp., показавшей наилучшие результаты в представленном эксперименте, был определен элементный состав (рис. 2), в результате которого установлены преобладающие химические элементы (в сухой биомассе): О: 53,1-54,9 %; С: 9,1-27,1%; Mg: 8- 17,8 %; P: 9-17%; K: 0,1-1,7%; S, Ca, Fe: 0-0,6%; Si, Al: 0,-0,2%. На рис. 3 представлены результаты расшифровки рентгенограммы образца биоудобрения из чистой культуры Chlorella sp. Рис. 2..Рентгеноспектральный.микроанализ.биоудобрения.из.чистой.культуры.Chlorella sp. Источник:.составлено.Е.С..Белик. Figure 2..X-RAY.microanalysis.of.biofertiliser.from.pure.culture.of.Chlorella.sp. Source:.compiled.by.E.S..Belik. Рис. 3..Результаты.расшифровки.рентгенограммы.образца.биоудобрения.из.чистой.культуры. Chlorella sp. Источник:.составлено.Е.С..Белик. Figure 3..Results.of.X-RAY.decoding.of.biofertiliser.sample.from.pure.culture.of.Chlorella.sp. Source:.compiled.by.the.E.S..Belik. Пики на дифрактограмме характеризуют следующие фазы: Mg2PO4OH·4H2O (пространственная группа C2/m) и Mg2PO4OH (структура минерала «Althausite», пространственная группа Pna21). Других кристаллических фаз в образце не идентифицировано, или их содержание меньше чувствительности дифрактометра (порядка 2-3 мас.%). Полученные данные элементного состава образцов микроводорослей чистой культуры Chlorella sp., выращенной в присутствии дымового газа, свидетельствуют о том, что биоудобрение на ее основе содержит микроэлементы, необходимые для почвы, и может быть использовано в агротехнике. заключение Проведенное исследование показало, что использование биомассы микроводорослей на основе Chlorella sp., как в чистом виде, так и в консорциуме с другими микроводорослями, выращенной в среде, обогащенной дымовыми газами, в качестве удобрения для проращивания семян рапса, является эффективным. Экспериментальное исследование двух видов биоудобрений на основе Chlorella sp. с начальной оптической плотностью раствора 1,3-1,5 ед. и сухим весом биомассы 2,4-2,8 г/дм3 подтвердило положительное воздействие широкого диапазона разбавлений суспензий микроводорослей на прирост длины и массы надземной части растений. Наибольший зафиксированный прирост длины трехдневных проростков составил 3 мм (13%) при применении обеих культур в разбавлениях 1:9, а наибольший прирост массы трехдневных проростков - 10 мг (13 %) при использовании чистой культуры Chlorella sp. в разведении 1:9. Увеличение энергии прорастания и процента всхожести семян было отмечено при внесении биомассы чистой культуры Chlorella sp. в разбавлении 1:9 (на 6 %). Элементный анализ сухой биомассы, входящей в состав биоудобрения из чистой культуры Chlorella sp., выявил повышенную концентрацию магния и фосфора. Таким образом, для повышения витальных и морфофизиологических показателей семян рапса можно рекомендовать использовать чистую культуру Chlorella sp., выведенную из препарата микроводорослей торговой марки «Spirulinafood», с дозировкой внесения 1 л биоудобрения с содержанием биомассы 2,4-2,8 г/дм³ и оптической плотностью 1,3-1,5 ед. на 9 л воды. Следует отметить, что при подборе концентрации биоудобрения из микроводорослей для проращивания семян важно учитывать риск неблагоприятного влияния повышенного содержания активных компонентов в биомассе на сами семена и их проростки.