Оценка эффективности фотобиореактора на основе хлореллы в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца



В статье авторы анализируют эффективность использования фотобиорекора на основе микроводорослей в качестве очистителя воздуха от СО2 в условиях автомобильной пробки, а также возможность применения для замены суспензии в фотобиоректоре воды из близлежащих водоемов, при условии повышенного содержания свинца в воде.

Рис. 1

В настоящее время проблема сохранения здоровья человека становится все актуальнее. Одним из влияющих на него ключевых факторов, является высокое содержание в природной среде углекислого газа (CO₂).

В поисках решения проблемы мы обратили внимание на устройство, установленное на улицах Белграда (Сербия). Фотобиореактор с микроводорослями, который способен перерабатывать углекислый газ в кислород с помощью процесса фотосинтеза. [1] Мы предположили, что подобный фотобиореактор может эффективно утилизировать углекислый газ в местах его большой концентрации — вблизи автомагистралей.

Подобные устройства просты и доступны в изготовлении, обслуживании. Для эффективной работы достаточно периодически менять суспензию, на которой основана работа биореактора. Необходимо сливать часть суспензии, и заменять ее чистой питательной средой. Чтобы утилизировать CO ₂ на протяжении автодороги, станции с фотобиореакторами должны быть достаточно крупными. Проблемным аспектом может стать поставка больших объемов воды для питательной среды. Везти чистую воду затратно, чистить слитый объем жидкости — технологически сложно. Воду можно брать из близлежащих водоемов. Проблемой может стать то, что вблизи автострад водоемы загрязнены свинцом, который в большом количестве содержался в составе выхлопных газов до 2003 года. С 2003 года в России были запрещены производство и оборот этилированного автомобильного бензина. [2]. Ранее именно он был основным источником загрязнений свинцом. Однако, за долгие годы свинец в большом количестве аккумулировался в воде. Поэтому он до сих пор может оказывать негативное влияние на культивирование микроводорослей. Например, с 2006 по 2020 год в водных объектах г. Дзержинского содержание свинца достигало 0,064 ± 0,0046 мг/л, при норме 0,01 мг/л, то есть превышало норму более, чем в шесть раз. [3].

Мы решили исследовать способность фотобиореактора на основе микроводорослей решать проблему поглощения излишков углекислого газа вблизи автострад, в условиях повышенного содержания свинца в окружающем пространстве.

Цель исследования : оценить эффективность применения фотобиореактора на основе хлореллы в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме. Выявить наиболее благоприятные условия для культивирования хлореллы.
2. Измерить уровень концентрации CO ₂ на городских автострадах вблизи Москвы.
3. Создать фотобиореактор. Проверить, эффективно ли хлорелла поглощает CO ₂ в нормальных условиях жизнедеятельности.
4. Экспериментальным путем выяснить, как повышение концентрации свинца влияет на жизнедеятельность хлореллы.
5. Оценить эффективность фотобиореактора с хлореллой в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца

Объект исследования: Повышенное содержание CO ₂ в воздухе вблизи автострад.

Предмет : Способность фотобиореактора на основе микроводорослей поглощать углекислый газ в условиях повышенного содержания свинца в окружающей среде.

Гипотеза : Фотобиореактор на основе хлореллы является эффективным средством очистки воздуха от углекислого газа в условиях повышенного содержания свинца.

Актуальность работы : Излишняя концентрация CO ₂ в воздухе может приводить к негативным изменениям <…> в организме. <…> сонливости и состоянию беспокойства, снижению трудоспособности, проблемам с усвоением информации, плохой концентрации памяти. [4] То есть, в районе автострад, где необходима максимальная концентрация внимания и недопустимо нарушение умственной деятельности, водители ощущают плохое самочувствие в результате высокого содержания CO ₂ в воздухе.

Определение проблемы и противоречий по теме: Проблема, которую предлагается решить данным исследованием — опасность для здоровья людей, возникающая вследствие повышенного содержания углекислого газа вблизи оживленных автострад. Противоречие, создающее сложности решению данной проблемы: вода в близлежащих к автодороге водоемах, которую планируется использовать для обслуживания фотобиореактора, загрязнена свинцом от выхлопных газов автомобилей.

Этапы проведения исследования:

1. Измерение уровня CO2 на дорогах г. Москвы и Московской области в условиях автомобильных пробок.
2. Проверка эффективности, с которой биореактор на основе хлореллы поглощает углекислый газ из окружающей среды при благоприятных условиях для жизнедеятельности микроводоросли.
3. Изменение условий культивирования хлореллы. Добавление свинца в питательную среду в различных дозах концентрации.
4. Сравнительный анализ работы фотобиореактора в условиях нормальной и ухудшенной среды.

Экологическая проблема мегаполисов

В основе экологических проблем мегаполисов лежат объективные причины: высокая концентрация населения на ограниченной территории; <…> мегаполис должен иметь мощную автотранспортную индустрию, без чего не может быть обеспечена нормальная жизнь города. [5]

Возможным решением проблемы является поглощение, абсорбция, вредных газовых выбросов. С этой целью в мегаполисах развивают парковые и бульварные зоны. Недостаток этого решения в том, что для существенного поглощения CO ₂ деревом необходимо дождаться пока оно вырастет, а выработка CO ₂ при дыхании и при гибели дерева, его разложении, уменьшает эффект итогового поглощения. Лесопосадкам нужны большие площади, которых в мегаполисе все меньше. Микроводоросли же рекордсмены в скоростях роста, в некоторых штаммах удалось достигнуть времени удвоения в 4 ч. Быстрое деление клеток способствует быстрому поглощению CO ₂ . Микроводоросли вырабатывают в 10 раз больше кислорода, чем нужно им самим для дыхания.

Использование микроводорослей в настоящее время

В последние годы возрастает интерес к использованию биотехнологий микроводорослей, для понижения концентрации углекислого газа в воздушном пространстве мегаполисов. Вот несколько причин, почему микроводоросли способны решить проблемы изменения климата:

1. Микроводоросли используют гораздо меньше земли, чем деревья, что позволяет значительно экономить полезную территорию. Микроводоросли способны производить такое же количество биоэнергии, что и наземные растения, используя только 1/10 площади суши.
2. Микроводоросли легко выращивать, так как они требуют меньше воды, чем многие наземные культуры, и к тому же они неприхотливы к условиям произрастания. Было практически доказано, что микроводоросли могут расти там, где умирают другие растения <…> некоторые виды микроводорослей эффективно удаляют CO₂ из окружающей среды со скоростью в 10–50 раз выше, чем у наземных растений.
3. Помимо удаления углерода микроводоросли можно использовать в качестве сырья, пищи и энергии в различных отраслях, например, в качестве биотоплива для транспорта, строительных материалов, косметики, лекарств, еды, корма для животных, а даже одежды. [6]

Применение фотобиореакторов в настоящее время

Биореактор для растений — техническое устройство, в котором поддерживаются условия для роста растений.

Основные преимущества использования фотобиореакторов для выращивания микроводоросли:

1. Контролируемые условия выращивания: В фотобиореакторах можно создать оптимальные условия для роста водорослей, такие как температура, освещение, перемешивание, состав питательной среды <…>
2. Экономическая эффективность: Фотобиореакторы позволяют получать высокий выход ценных продуктов при минимальных затратах на ресурсы. <…>
3. Минимизация негативного воздействия на окружающую среду: Использование фотобиореакторов позволяет свести к минимуму выбросы вредных веществ в окружающую среду [7].

В настоящее время фотобиореакторы представляют собой эффективные и экологически чистые инструменты для выращивания и использования микроводорослей, с целью получения ценных продуктов, таких, как биотопливо и пищевые добавки. Применение микроводорослей в биореакторах в качестве поглотителей и утилизаторов CO ₂ (цель нашего исследования), пока не нашло широкого применения, но имеет большой потенциал.

Выбор водоросли для наполнения биореактора

Культивирование микроводорослей вызывает все больший интерес. Для массового культивирования используют зеленые микроводоросли Chlorella и цианобактерию Arthrospira ( Spirulina ), которые стали наиболее популярными в прикладных исследованиях. [8] Литературные источники ссылаются на высокую эффективность микроводоросли Chlorella в качестве биомассы, то есть, она быстро размножается, значит, активно питается, потребляя CO _2. Мы решили использовать в своем эксперименте суспензию планктонной хлореллы (Chlorella vulgaris GKO), содержащуюся в средстве для очистки водоемов, прудов, фонтанов Альготек Аква (https://algotec.ru/). Оно содержит живые клетки микроводоросли, поместив которые в питательную среду, мы сможем вырастить культуру для фотобиореактора.

Содержание свинца в районе оживленных автострад в мегаполисе

Несмотря на то, что использование этилированного бензина, содержащего соединения свинца, полностью прекратили в мире в 2021 году (так сообщается на сайте ООН со ссылкой на исполнительного директора программы всемирной организации по окружающей среде (ЮНЕП) Ингер Андерсен 30 августа 2021г.) [9], за предыдущие годы применения этого топлива свинец накоплен в близлежащих водоемах вдоль автодорог в большом количестве. Об этом говорится в исследовании РГАЗУ от 2012 года. Загрязнение свинцом было особенно высоким в водоемах, расположенных в 22–55 м от автомагистрали. <…> Даже значительное удаление (в 6.5 раза) от источника загрязнения не оказало статистически значимого влияния на уменьшение загрязнения воды свинцом [10]. В России этилированный бензин запрещен к использованию с 2003 года. Несмотря на это, в 2006–2020г. в водоемах Москвы и МО зафиксировано шестикратное превышение ПДК свинца [3].

Исходя из этих данных, мы можем сделать вывод: если для замены суспензии в фотобиореакторах использовать воду из ближайших водоемов, хлорелла будет подвержена заражению свинцом.

Экспериментальная часть

Опыт первый. Измерение уровня CO ₂ на дорогах в условиях пробок

Цель эксперимента — проверить, действительно ли уровень CO ₂ на дорогах г. Москвы и Московской области в условиях автомобильной пробки повышается в пределах 800–1100 ppm. Подробное описание дается в Приложении 2.

Рис. 2

Мы нашли на сайте новостей информацию о том, что уровень CO₂ в автопробке в Москве может достигать 1000 ppm. [4], Подтверждения этому в научных источниках нам найти не удалось, поэтому мы провели собственное исследование, чтобы подтвердить или опровергнуть это утверждение. Мы замеряли уровень CO ₂ в различных ситуациях на дорогах Москвы и МО. В автомобильной пробке уровень CO₂ не опустился ниже 800 ppm. Как правило, он колебался в промежутке от 900 ppm до 1100 ppm. (Таблица 1).

Таблица 1

Концентрация CO₂ при различных уровнях затора на дорогах Москвы и МО

	Уровень затора 1–5 баллов, концентрация CO₂, ppm	Уровень затора 5–10 баллов, концентрация CO₂, ppm
Лихачевское шоссе	445	967
Лихачевский проезд	520	1020
Алтуфьевское шоссе	498	1008
Дмитровское шоссе	502	1035

Мы провели социологический опрос. Исследуемая аудитория — 143 человека различного возраста, активно пользующиеся автомобилем в повседневной жизни, и ежедневно (46 %) или несколько раз в неделю (36 %) попадающие в автомобильные пробки. Результаты опроса показали, что 97 % целевой аудитории часто (47 %) или иногда (32 %) испытывают в пробке симптомы интоксикации CO _2. (Приложение 7)

Опыт второй. Поглощение CO ₂ в благоприятных для микроводорослей условиях

Рис. 3

Цель эксперимента — с помощью датчиков O ₂ и CO ₂ установить эффективность, с которой биореактор на основе хлореллы поглощает углекислый газ из окружающей среды при благоприятных для жизнедеятельности водоросли условиях.

Мы изготовили фотобиореактор объемом 40 литров с накопительным (непроточным) режимом культивирования. Внутри реактора разместили измерительные приборы (рабочую часть датчиков) для фиксации уровня углекислого газа, кислорода, освещенности, температуры.

Биореактор запущен в работу 12.08.23. В период работы с 12.08.2023 по 16.08.2023 вышли из строя все датчики, кроме датчика температуры. Эксперимент был прекращен. Цель эксперимента не была достигнута.

В поисках решения проблемы мы обратились в ИФР им. Тимирязева РАН. Консультируя нас, старший научный сотрудник, кандидат технических наук лаборатории экофизиологии микроводорослей Габриелян Д. А. предложил нам поучаствовать в одном из этапов исследования лаборатории ИФР им. Тимирязева РАН, в ходе которого мы сможем выполнить задачи своего исследования.

Опыт третий . Повторение второго опыта в реакторе с полупроточным режимом культивирования микроводорослей и фиксацией концентрации CO ₂ «на входе»

Цель эксперимента — установить эффективность, с которой хлорелла в фотобиореакторе поглощает углекислый газ из окружающей среды в нормальных условиях, на базе Института Физиологии Растений РАН им. К. А. Тимирязева.

Эксперимент проведен в условиях научной лаборатории ИФР РАН. Длительность эксперимента 14 дней.

Рис. 4

В ИФР РАН для культивирования использовался термофильный штамм микроводоросли Chlorella sorokiniana C-1. Культура находилась в плоскостных фотобиореакторах с двусторонним освещением светодиодами марки smd 2835, теплым белым светом 2700–3000К и постоянной подачей оптимального количества CO ₂ . Скорость подачи всей газовоздушной смеси 1 л/мин, концентрация CO ₂ в ней — 1,5 %, соответственно расход CO ₂ = 0,015 л/мин. Перемешивание культуры производилось за счет аквариумного распылителя, обеспечивающего равномерное барботирование (процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Это делается для перемешивания). Максимальный темп роста культуры достигался постоянным поддержанием температуры +30 — +36 град.

Исследование лаборатории ИФР направлено на выбор наилучших условий содержания хлореллы, при которых она быстро растет и размножается. Как следствие, больший прирост массы микроводорослей требует большего питания, и приводит к наилучшим показателям переработки CO ₂ .

Рис. 5

Поучаствовать в измерениях мы смогли на этапе третьего снятия урожая (слива) фотобиореактора. Взятый при сливе образец мы исследовали и оценили, насколько выросли живые клетки в биомассе. Зная прирост биомассы, мы можем посчитать, какое количество CO ₂ поглотили водоросли в процессе фотосинтеза.

Рис. 6

Мы рассмотрели образец слива под микроскопом, чтобы посчитать количество живых клеток в нем. Количественный подсчет затруднен, поскольку клеток слишком много. Поэтому в лаборатории используют спектрофотометрический метод определения биомассы, определяя ее оптическую плотность на спектрофотометре с длинной волны 750 нм (эту длину волны клетки микроводорослей не поглощают.

Таблица 2

Результаты спектрофотометрического анализа в ИФР

Пробы	Показания спектрофотометра (мутность раствора) Оптических единиц	*40 = оптическая плотность, концентрация биомассы, Оптических единиц	*0,33 коэффициент = численное значение концентрации биомассы, грамм/литр
1 проба	0,102
2 проба	0,095
3 проба	0,094
среднее значение 3-х проб	0,097	3,88	1,28

Для расчета численного значения концентрации биомассы хлореллы (Таблица 2) берем показания спектрофотометра (мутность раствора, среднее значение трех проб 0,097), и увеличиваем это значение во столько раз, во сколько был разбавлена проба относительного общего объема образца. В нашем случае это в 40 раз (0,097*40=3,88). Полученное число 3,88 будет означать оптическую плотность всего образца, то есть, концентрацию биомассы в сливе. Чтобы перевести полученные данные в численную концентрацию клеток на 1 л раствора, мы умножаем число 3,88 на коэффициент численного значения концентрации биомассы. Для хлореллы этот коэффициент составляет 0.33 (3,88*0,33=1,28). [11] То есть, в нашем случае в 1 литре раствора слива присутствует 1,28 грамм живых клеток хлореллы.

Потребность хлореллы в углекислом газе: в среднем, 1 литр газа необходим для синтеза 1 грамма сухой биомассы микроводорослей. Расход углекислого газа зависит от условий культивирования. Чем они правильнее спланированы для подачи CO ₂ , тем меньше его потери [12]. В лаборатории ИФР созданы идеальные условия культивирования, наш консультант, сотрудник лаборатории Габриелян Д. А., рекомендовал нам для дальнейших расчетов использовать данные 1 литр газа для синтеза 1 грамма сухой биомассы микроводорослей, что было подтверждено в предыдущих опытах лаборатории.

В лаборатории ИФР вырастили 1,28 грамма биомассы на литр раствора. Мы имеем возможность посчитать, сколько углекислого газа поглощается таким количеством биомассы хлореллы. Для расчета литр CO ₂ необходимо перевести в граммы по формуле перевода объема через плотность в массу m=p*V, где m — масса, p- плотность, V — объем.

Плотность углекислого газа при нормальных условиях 1,980 р кг/м3 (Приложение 4 Таблица плотности газов.). В условиях лаборатории ИФР, по данным старшего научного сотрудника Д. А. Габриеляна, плотность CO ₂ 1,8 р кг/м3 (с учетом температурного режима биореактора ИФР). По формуле перевода объема в массу через плотность вычисляем массу CO ₂ в 1 литре: m = 1,8р*1л = 1.8 гр./л(в 1 м.куб. 1000л, в 1 кг 1000 гр., значит 1.8 кг*1 м.куб = 1.8 гр/л)

Значит, 1 грамм биомассы хлореллы поглощает 1,8 грамм CO ₂ . Вырастив 1,28 грамм водорослей в 1 литре воды, мы утилизировали 1,28*1,8 = 2,30 грамма CO ₂ . Установленный в ИФР биореактор объемом 5 литров, утилизирует 5 л*2,30 гр. = 11,5 грамм. (Таблица 3).

Таблица 3

Расчет потребленного в ходе эксперимента CO₂

Выращено биомассы, в 1 литре, грамм	Количество потребленного CO₂ на 1 литр суспензии, грамм	Количество потребленного CO₂ на 5 литров суспензии, грамм
1,28	2,3	11,5

Из этого эксперимента мы сделали вывод, что в благоприятных условиях хлорелла является эффективным природным утилизатором CO ₂ . Мы показали, что хлорелла способна очищать загрязненный воздух с высоким содержанием СO ₂ (1,5–2 %) преобразуя захваченный углерод в полезную биомассу.

Опыт четвертый. Заражение фотобиореакторов свинцом с последующим измерением эффективности жизнедеятельности хлореллы в данных условиях

Цель эксперимента — установить эффективность, с которой биореактор на основе хлореллы поглощает углекислый газ в окружающей среде, в условиях ухудшения жизнедеятельности водоросли (заражения свинцом).

Эксперимент проведен в условиях школьной лаборатории. Длительность эксперимента 14 дней.

По итогам консультации специалиста ИФР им. Тимирязева РАН Габриеляна Д. А. нами выявлено, что опыт по заражению среды в биореакторе свинцом в лабораторных условиях ИФР в настоящее время не возможен, а создание фотобиореактора с возможностью размещения датчиков «на вход» в домашних условиях и в школьной лаборатории для нас экономически не доступно. Поэтому нами было принято решение провести третий эксперимент в доступных для школьной лаборатории условиях. Мы использовали: фотобиореакторы непроточного типа, жидкую форму свинца, питательную среду BBM, аквариумные компрессоры для барботирования раствора Согласно Постановлению Главного государственного санитарного врача РФ от 30.04.2003 N 78, величина ПДК в воде для свинца составляет 0,01 мг/л [13]. Исходя из этой информации наши фотобиореакторы (далее образцы) были заражены свинцом в следующих дозах: 1 ПДК, 10 ПДК, 100 ПДК, где 1 ПДК = 0,01 мг/л. (Приложение 5, Рисунок 35) Содержание свинца в контрольных образцах составило 0 ПДК. (Таблица 4).

Рис. 7

Для эксперимента использовался слив из биореактора ИФР РАН им. К. А. Тимирязева и суспензия хлореллы, приобретённая на маркетплейсе. Образцы были пронумерованы соответственно уменьшению концентрации свинца. Нумерация без штриха применялась к образцам из ИФР РАН им. К. А. Тимирязева. Нумерация со штрихом — для образцов с купленной на маркетплейсе хлореллой. Образцы с названием «К» и «К'» использовались в качестве контрольных. В них не добавлялся патоген. (Таблица 4). Все емкости были оборудованы компрессором для постоянного барботирования раствора в целях его перемешивания и подачи кислорода. Освещение применялось естественное с сохранением фаз дня и ночи.

Таблица 4

Маркировка образцов

Номер образца	Описание	Доза свинца, ПДК
1'	Покупная хлорелла	100
2'	Покупная хлорелла	10
3'	Покупная хлорелла	1
к'	Покупная хлорелла	0
1	Слив хлореллы ИФР	100
2	Слив хлореллы ИФР	10
3	Слив хлореллы ИФР	1
к	Слив хлореллы ИФР	0

В ходе эксперимента по техническим причинам была нарушена аэрация в образце к' (контроль для образцов с хлореллой из маркетплейса), вследствие чего произошла гибель клеток. Без сравнительного анализа контрольного образца и образцов, отравленных свинцом, стало невозможным их дальнейшее использование в эксперименте. Поэтому результаты всей группы образцов с покупной хлореллой в формировании выводов не учитываются.

Спустя две недели эксперимента, измерили количество живых клеток в каждом образце на основе слива из биореактора ИФР, в одном поле зрения, в пяти пробах. Для этого на предметный столик микроскопа мы размещали поочередно 5 проб каждого из 4 образцов. Сделали по 5 фото каждой пробы каждого образца в одном поле зрения. Применили фото, поскольку считать клетки сразу под микроскопом неудобно, есть риск искажения результата.

Таблица 5

Среднее количество живых клеток в зараженных образцах, методом микроскопии и количественного подсчета

Номер образца	Среднее значение количества живых клеток в квадрате 3*3см
1	4
2	39
3	52,8
к	71,8

Рис. 8. Среднее количество живых клеток в зараженных образцах, методом микроскопии и количественного подсчета

Из диаграммы (Рисунок 8) видно, что по результату подсчета под микроскопом выживших клеток, хлорелла выживает даже при содержании свинца в окружающей среде в размере 10 ПДК.

Для сравнения темпа прироста клеток слива второго и третьего эксперимента, нами была проведен тот же вид измерения, что и в ИФР РАН — спектрофотомерия.

Аналогично опыту 2 проводим расчет численной концентрации биомассы, взятых из показаний спектрофотометра:

Таблица 6

Замеры показателей образцов спектрофотометром

	Показания спектрофотометра (мутность раствора) Опт.ед	*40 = оптическая плотность, концентрация биомассы	*0,33 коэфф = численное значение концентрации биомассы, грамм/литр
1–100 ПДК	0,001	0,04	0,0132
2–10 ПДК	0,082	3,28	1,0824
3–1 ПДК	0,086	3,44	1,1352
4 — контроль	0,094	3,76	1,2408

Рис. 9. Численное значение концентрации биомассы, грамм/литр, замер спектрофотометром

Из Таблицы 6 и диаграммы (Рисунок 9), видно, что измерения оптической плотности подтверждают результаты подсчета клеток под микроскопом в Таблице 5, диаграмме на Рисунке 2. Оба расчета показывают одинаковую зависимость — хлорелла выживает даже при содержании свинца в окружающей среде в концентрации 10 ПДК и имеет хороший темп прироста клеток. Это хорошо видно при сравнении численного значения концентрации биомассы в начале и конце эксперимента. Опыт 3 проведен на основе суспензии, полученной из ИФР, с добавлением 5 частей питательного раствора. То есть, концентрация раствора, на котором проведен опыт, равна концентрации среды ИФР, уменьшенной в 6 раз. В растворе ИФР численное значение концентрации биомассы было 1,28 грамм/литр. (Таблица 2). Значит в нашем третьем опыте на начало эксперимента оно составило 1,28/6 = 0,21 грамм на литр. Считаем темп прироста по формуле Темп прироста = (Текущее значение − Базовое значение) / Базовое значение × 100 %.

Таблица 7

Темп прироста биомассы в зараженных образцах

	Начало эксперимента	Завершение эксперимента	Темп прироста/ убыли %
	численное значение концентрации биомассы, грамм/литр	численное значение концентрации биомассы, грамм/литр
1–100 ПДК	0,21	0,0132	-94
2–10 ПДК	0,21	1,0824	415
3–1 ПДК	0,21	1,1352	441
4 — контроль	0,21	1,2408	491

Из Таблицы 7 видно, что в течение 14 дней эксперимента биомасса в зараженных образцах 2 и 3 значительно выросла, показав прирост выше 400 %, что не значительно отличается от контрольного, «здорового» образца. Количество биомассы снизилось лишь в последнем образце, зараженном 100 ПДК свинца. Но учитывая, что в поверхностных водах такая концентрация свинца нигде не встречается [14], делаем вывод о высокой устойчивости хлореллы к заражению свинцом.

Поскольку условия содержания хлореллы в нашем третьем эксперименте максимально приближены к содержанию биореактора ИФР (та же питательная среда, умеренное барботирование, близкая к идеальной температура содержания, хорошее освещение), считаем работоспособность нашей биомассы аналогичной работоспособности биомассы реактора ИФР. Соответственно, для расчетов эффективности наших биореакторов берем за основу тот факт, что 1 грамм биомассы хлореллы поглощает 1,8 грамм CO ₂ .

Таблица 8

Способность зараженных образцов выполнять задачи поглощения CO ₂

	Начало эксперимента	Завершение эксперимента	Объем реактора, л.	Выращено биомассы, г.	Поглощено CO 2 , г.
Концентрация свинца	Численное значение концентрации биомассы, грамм/литр	Численное значение концентрации биомассы, грамм/литр
1–100 ПДК	0,21	0,0132	2,0	0
2–10 ПДК	0,21	1,0824	2,0	1,75	3,89
3–1 ПДК	0,21	1,1352	2,0	1,85	4,10
4–0 ПДК	0,21	1,2408	2,0	2,48	4,46

Из Таблицы 8 видно, что количество утилизированного CO ₂ с помощью здорового образца, и образцов, зараженных в дозах 1 и 10 ПДК, отличается совсем не значительно.

Из этого мы можем сделать вывод, что, применяя для замены суспензии в фотобиореакторе воду из близлежащих водоемов, даже в случае, если вода будет иметь высокое содержание синца, влияние металла на работоспособность хлореллы в фотобиореакторе будет минимальным. Реактор будет успешно выполнять работу по утилизации CO ₂ в условиях заражения свинцом до 10 ПДК и может быть использован для очистки воздуха от углекислоты вблизи дорог.

Выводы

Нами проводилась оценка эффективности применения фотобиореактора на основе хлореллы в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца.

Из проведенных нами экспериментов нам стало известно, что:

1. Действительно существует проблема повышенной концентрации CO ₂ близ автострад городов.
2. Фотобиореакторы могут эффективно бороться с данной проблемой, не смотря на повышенное содержание свинца в его питательной среде.

Заключение

В ходе своей исследовательской работы мы пытались разобраться в том, насколько эффективен фотобиореактор на основе хлореллы в качестве утилизатора CO ₂ вблизи автострад. Для этого необходимо было понять сохранит ли свою жизнеспособность микроводоросль при отравлении среды свинцом в дозировках 1 ПДК, 10 ПДК и 100 ПДК. После изучения литературы и проведения экспериментов нам удалось выполнить такие задачи:

1. Выявить наиболее благоприятные условия для фотосинтезирования и размножения хлореллы.
2. Проверить уровень концентрации CO ₂ на автострадах города.
3. Создать фотобиореактор.
4. Экспериментальным путем выяснить, как повышение концентрации свинца влияет на жизнедеятельность хлореллы.
5. Оценить эффективность фотобиореактора с хлореллой в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца.

Цель работы достигнута. Оценена эффективность применения фотобиореактора на основе хлореллы в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца.

Гипотеза подтверждена. Фотобиореактор на основе хлореллы является эффективным средством очищения воздуха от углекислого газа в условиях повышенного содержания свинца в окружающей среде.

В перспективе мы планируем исследовать влияние на фотобиореактор на основе хлореллы других вредных для жизнедеятельности водоросли составляющих выбросов автомобиля, и в случае их отсутствия предложить администрации нашего города оборудовать фотобиореакторами ближайшие в нашему дому автотрассы. Если их эффективность подтвердится, возможно дальнейшее распространение нашего устройства на других территориях.

Литература:

1. Список литературы

2. «Жидкие деревья» очистят воздух в Белграде. // Электрон. журн. Экосфера — 2021. — 8 дек. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ecosphere.press/2021/12/08/zhidkie-derevya-ochistyat-vozduh-v-belgrade/ (дата обращения 12.10.2023).
3. Федеральный закон от 22 марта 2003 г. № 34-ФЗ «О запрете производства и оборота этилированного автомобильного бензина в Российской Федерации». // Официальный сайт Президента Российской Федерации — 2022. — 22 март.: [Электронный ресурс] URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/19317 (дата обращения 18.08.2023).
4. Рябова Э. Г. Оценка содержания тяжелых металлов в рекреационных водных объектах (г. дзержинский московская агломерация) за период 2006–2020 гг. / Рябова Э. Г. // Социально-экологические технологии — Москва, 2022. — Т. 12. № 4–417 с.
5. Степанова Т. В. Влияние углекислого газа на здоровье человека / Т. В. Степанова, Н. Г. Ефимова // Официальный портал органов власти Чувашской Республики. Территориальный отдел «Моргаушский» Управления по благоустройству и развитию территорий: администрации Моргаушского муниципального округа — 2022. — 26 апр. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gov.cap.ru/Info.aspx?type=news&id=4595640&gov_id=423&ysclid=lskitz15j037511658 (дата обращения 06.07.2023).
6. Авалиани С. Л. Мониторинг здоровья человека и здоровья / С. Л. Авалиани, Б. А. Ревич, В. М. Захаров // Центр экологической политики России — Москва: ЦЭПР, 2001. — 76 с.
7. Ильвицкая С. В. Применение микроводорослей в биоэнергетике с использованием технологии улавливания и хранения углерода / Ильвицкая С. В., Чистякова А. Г. // Международный научно-исследовательский журнал № 11 (113) — 2021–17 нояб.: [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.113.11.017 (дата обращения 09.06.2023).
8. Руденко А. П. Особенности практического использования биореакторов нового поколения / А. П. Руденко // Хвойные бореальной зоны: теоретический и научно-практический журнал. –Красноярск, 2018. –Том 36, № 3. — 279 с.
9. Нагорнов С. А. Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиореакторе / С. А. Нагорнов, Ю. В. Мещерякова // Вестник Тамбовского государственного технического университета — 2015. — Апрель — Т. 21.: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://vestnik.tstu.ru/rus/t_21/tom_N21.htm (дата обращения 12.11.2023).
10. Эпоха этилированного бензина закончилась, устранив серьезную угрозу здоровью человека и планеты. / [Электронный ресурс]. Режим доступа: Режим доступа: https://www.unep.org/ru/novosti-i-istorii/press-reliz/epokha-etilirovannogo-benzina-zakonchilas-ustraniv-sereznuyu-ugrozu (дата обращения 11.08.2023).
11. Еськов Е. К. Загрязненность свинцом и кадмием водных биотопов у автомагистралей / Е. К. Еськов, М. Д. Еськова, В. М. Кирьякулов // [Электронный ресурс].: https://cyberleninka.ru/article/n/zagryaznennnost-svintsom-i-kadmiem-vodnyh-biotopov-u-avtomagistraley/viewer (дата обращения 14.07.2023).
12. Gabrielyan D. A cultivation of chlorella sorokiniana IPPAS C-1 in flat-panel photobioreactors: from a laboratory to a pilot scale / Gabrielyan D. A., Sinetova M., Gabel B., Gabrielian A., Markelova A., Rodionova M., Bedbenov V.: Shcherbakova N. // Multidisciplinary Digital Publishing Institute — 2022.– Август. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://www.mdpi.com/2075–1729/12/9/1309 (дата обращения 22.08.2023).
13. Сколько хлорелле нужно углекислого газа? [Видеозапись].//YouTube. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=RtrlFGeUZKg (дата обращения 15.10.2023).
14. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования // Постановление от 30 апреля 2003 г. N 78 Министерства здравоохранения Российской Федерации. — Москва, 2003–94.
15. Оценка качества воды в водных объектах выполняется на основе метода комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям РД 52.24.643 // ГПБУ «Мосэкомониторинг». [Электронный ресурс].: Режим доступа: https://mosecom.mos.ru/podrazdeleniya/otdel-monitoringa-vody/ (дата обращения 11.06.2023).
16. Мансуров Р. Ш. Влияние концентрации углекислого газа на организм человека / Р. Ш. Мансуров, М. А. Гурин, Е. В. Рубель // Международный научный журнал UNIVERSUM Технические науки № 8 (41) — Москва, 2017. — 25 авг.
17. Шкреблик У. Д. Спектрофотометрический метод определения биомассы водоросли Porphyridium purpureum / У. Д. Шкреблик, Н. П. Дмитрович // Научный потенциал молодежи — Пинск: ПолесГУ, 2023. — Ч. 2. — 307 с.
18. Регламент европейского парламента и совета европейского союза 2019/631 от 17 апреля 2019 г. Об установление стандартов эффективности выбросов со2 для новых легковых автомобилей и для новых легких коммерческих транспортных средств // [Электронный ресурс].: — Справочник промышленника. Режим доступа: https://base.garant.ru/72944636/ (дата обращения 12.07.2023).
19. Е. Лиханова, «Технологии для планеты. 5 методов удаления углерода из атмосферы», Rusbase (RB.RU), т. 1, № 08, pp. 25–30, 2023.
20. Музафаров А. М. / Культивирование и применение микроводорослей // А. М. Музафаров, Т. Т. Таубаев // Ташкент: Фан, 1984. — 133 с.
21. Козлова В. К. Об основных техногенных факторах, влияющих на экологическую обстановку / В. К. Козлова, В. В. Логвиненко, Ю. С. Cаркисов // Мультидисциплинарный научный журнал Sciences of Europe, Т. 1, № 45, — Москва,2019. — 36 с.
22. Куцов М. С. Оценка выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от двс автомобиля / М. С. Куцов // Известия Ростовского государственного строительного университета № 5(24) — Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. — 155 с.
23. Абдурахманова Э. Г. Влияние выхлопных газов на организм человека / Э. Г. Абдурахманова // Научная электронная библиотека КиберЛенинка. [Электронный ресурс].: Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vyhlopnyh-gazov-na-organizm-cheloveka/viewer (дата обращения 02.08.2023).
24. Кузнецов Р. Н. Предельно допустимые концентрации/ Р. Н. Кузнецов // Сборник законодательных, нормативных и методических документов для экспертизы воздухоохранных мероприятий — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. — 318 с.
25. Доклад мгэик: текущая полтика в области смягчения последствий изменений // Третья часть шестого доклада (AR6) Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). [Электронный ресурс].: Режим доступа:https://geography.hse.ru/news/590678331.html (дата обращения 02.08.2023).
26. Уджуху С. Р. Оценка влияния автотранспорта на содержание свинца в почве и растениях / С. Р. Уджуху // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. — Ростов-на-Дону: Южный федеральный ун-т, 2006. — 108 с.
27. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва — растение / В. Б. Ильин; Отв. ред. И. Л. Клевенская // Новосибирск: Наука: Сиб. отд-ние, 1991–148 с.
28. Who аmbient air quality database 2022 update // База данных ВОЗ по качеству окружающего воздуха, обновление за 2022 год: отчет о состоянии дел. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.who.int/publications/i/item/9789240047693: (дата обращения 04.06.2023).
29. Ситдикова А. А. Анализ влияния выбросов автотранспорта в крупном промышленном городе на состояние загрязнения атмосферного воздуха / Ситдикова А. А., Святова Н. В., Царева И. В. // Современные проблемы науки и образования. — Москва, 2015. — № 3; [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19623 (дата обращения 07.09.2023).
30. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии Воздух замкнутых помещений, ГОСТ Р ИСО 16000–26–2015 // Национальный стандарт Российской Федерации. — 2015. — 20 с. [Электронный ресурс].: Режим доступа: https://www.rosgosts.ru/13/040/gost_r_iso_16000–26–2015 (дата обращения 15.08.2023).
31. Безопасность за рулем. Детектор СО2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.drive2.ru/l/465003534547419622/ (дата обращения 10.06.2023).
32. Из чего «состоят» выхлопные газы автомобиля?// Канал о фактах, жизни и обо всем, что движется! [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://1gai.ru/publ/520262-iz-chego-sostoyat-vyhlopnye-gazy-avtomobilya.html (дата обращения 15.10.2023).