XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

Водоросли и цианобактерии, совместно именуемые фотосинтетическими микроорганизмами, представляют собой обширную и разнообразную группу организмов, процесс эволюции которых охватывает миллиарды лет. Их замечательная приспособляемость позволяет им процветать в различных средах, от пресноводных и морских экосистем до экстремальных мест обитания, таких как горячие источники и минеральные озера. Это биоразнообразие в сочетании с врожденными фотосинтетическими способностями и метаболической универсальностью водорослей и цианобактерий позиционирует их как исключительно перспективные платформы для широкого спектра биотехнологических областей применения.

Целью этой обзорной статьи является исследование наиболее перспективных и быстро развивающихся областей биотехнологии, которые используют уникальные возможности водорослей и цианобактерий. Мы углубимся в достижения генной инженерии, производство различных биопродуктов, их применение в биоремедиации и новые технологии, которые формируют будущее этой захватывающей области.

Актуальность
Перспективные направления биотехнологии водорослей и цианобактерий имеют значительную актуальность в различных научных, промышленных и общественных областях. Их важность обусловлена ​​острой глобальной потребностью в устойчивых решениях в производстве энергии, производстве материалов, восстановлении окружающей среды и здоровье человека, все из которых решаются с помощью уникальных возможностей этих фотосинтетических микроорганизмов.

Основные направления применения цианобактерий и водорослей в биотехнологии

Традиционная зависимость от ископаемого топлива и неустойчивой промышленной деятельности привела к острой необходимости в возобновляемых и экологически чистых альтернативах [1]. Водоросли и цианобактерии предлагают убедительное решение, поскольку они могут использовать солнечный свет и углекислый газ для производства множества ценных соединений, включая биотопливо, биопластики и фармацевтические препараты [2]. В отличие от наземных культур, многие виды водорослей и цианобактерий не конкурируют с производством продовольствия за пахотные земли или пресноводные ресурсы, что делает их более устойчивым вариантом для производства биомассы [3].

Более того, быстрые достижения в области генной инженерии и синтетической биологии открыли беспрецедентные возможности для манипулирования и оптимизации метаболических путей этих организмов [4]. С помощью точечных генетических модификаций исследователи могут улучшить производство желаемых соединений, разработать новые биосинтетические пути и повысить общую эффективность биопроцессов в целом [5] . Эта способность адаптировать собственный метаболизм у водорослей и цианобактерий революционизирует эту область и прокладывает путь к разработке высокоэффективных и устойчивых биопроизводств.

Помимо производства ценных биопродуктов, водоросли и цианобактерии также привлекают значительное внимание своей ролью в биоремедиации и экологической устойчивости [6]. Их способность эффективно удалять загрязняющие вещества из сточных вод, связывать углекислый газ из атмосферы и способствовать круговороту питательных веществ делает их ценными инструментами для решения насущных экологических проблем [7].

Ключевые направления включают в себя:

• Производство биотоплива: Генная инженерия используется для улучшения выработки липидов в водорослях и цианобактериях, что делает их более перспективными источниками биодизеля и других видов биотоплива [2].

• Биопластики и биопродукты: Эти организмы могут быть сконструированы для производства биоразлагаемых пластиков (PHA, PHB) и широкого спектра ценных биопродуктов, включая пигменты, антиоксиданты и высококачественные химикаты, предлагая устойчивые альтернативы продуктам на основе нефти [3].

• Фармацевтика и нутрицевтики: Водоросли и цианобактерии являются богатыми источниками биоактивных соединений с потенциальными терапевтическими применениями. Исследования изучают их использование в производстве фармацевтических препаратов, диетических добавок и функциональных продуктов питания [4].

• Биоремедиация: Водоросли и цианобактерии могут эффективно удалять загрязняющие вещества из сточных вод, включая тяжелые металлы и избыток питательных веществ. Они также играют важную роль в улавливании и секвестрации углерода, смягчая последствия изменения климата [6].

• Новые области применения: Помимо известных областей, появляются новые захватывающие области применения, такие как использование водорослей и цианобактерий в биосенсорах для мониторинга окружающей среды, в качестве биоудобрений для улучшения роста сельскохозяйственных культур и в создании новых биоматериалов с уникальными свойствами [7].

Актуальные проблемы для развития новых направлений

К сожалению, у любого инновационного направления развития биотехнологий в процессе реализации появляется множество ограничений, которые тоже требуют своего метода решения. Из основных направлений можно выделить следующие проблемы:

• Улучшение методов возделывания: Разработка более эффективных и экономичных крупномасштабных систем земледелия.

• Оптимизация последующей обработки: Совершенствование методов сбора и извлечения ценных продуктов.

• Устранение юридических препятствий: Установление четких нормативных схем для коммерциализации продукции на основе водорослей.

• Улучшение генетического инструмента. Расширение методов эффективной генетической модификации различных штаммов.

Заключение

В целом, статья подчеркивает преобразующий потенциал водорослей и цианобактерий в создании более устойчивого будущего. Используя силу водорослей и цианобактерий, мы можем разрабатывать инновационные решения, которые принесут пользу как окружающей среде, так и обществу, прокладывая путь к более светлому и счастливому будущему.

Список литературы:

1. IEA. (2022). World Energy Outlook 2022. International Energy Agency.

2. Wijffels, R. H., Kruse, O., & Hellingwerf, K. J. (2013). Potential of industrial biotechnology with cyanobacteria and eukaryotic microalgae. Current Opinion in Biotechnology, 24(3), 405-413. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23647970/ (Датаобращения: 10.02.25)

3. Stephens, E., Ross, I. L., Mussgnug, J. H., Wagner, L. D., Borowitzka, M. A., Posten, C. ... & Hankamer, B. (2010). Future prospects of microalgal biofuel production systems. Energy & Environmental Science, 3(8), 1013-1027. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20655798/(Дата обращения: 10.02.25)

4. Berla, B. M., Saha, R., Immethun, C. M., Maranas, C. D., Moon, T. S., & Pakrasi, H. B. (2013). Synthetic biology for engineering cyanobacteria. Frontiers in Microbiology, 4, 282. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24009604/ (Датаобращения: 11.02.25)

5. Radakovits, R., Jinkerson, R. E., Darzins, A., & Posewitz, M. C. (2010). Genetic engineering of algae for enhanced biofuel production. Eukaryotic cell, 9(4), 486-501. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20139239/(Дата обращения: 11.02.25)

6. Abdel-Raouf, N., Al-Homaidan, A. A., & Ibraheem, I. B. (2012). Microalgae and wastewater treatment. Saudi journal of biological sciences, 19(3), 257-275. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24936135/(Дата обращения: 12.02.25)

7. Singh, J. S., & Dhar, D. W. (2019). Cyanobacteria as a potential resource for carbon capture and storage. In Cyanobacteria (pp. 261-274). Academic Press. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20456936/ (Датаобращения: 12.02.25)