ФІКОРЕМЕДІАЦІЙНИЙ ПОТЕНЦІАЛ ЦІАНОБАКТЕРІЙ РОДУ NOSTOC У ВИДАЛЕННІ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ІЗ ЗАБРУДНЕНИХ ВОД
DOI:
https://doi.org/10.31861/biosystems2026.01.142Ключові слова:
фікоремедіація, ціанобактерії, Nostoc, екзополісахариди, біосорбція, біоакумуляція, важкі метали, очищення вод, біоремедіаціяАнотація
Забруднення водних екосистем важкими металами є однією з найбільш актуальних екологічних проблем сучасності через їхню токсичність, стійкість до природної деградації та здатність до біоакумуляції в трофічних ланцюгах. У зв’язку з цим значний інтерес викликають біотехнологічні методи очищення вод, зокрема фікоремедіація із застосуванням ціанобактерій. Метою роботи є узагальнення сучасних даних щодо використання біомаси ціанобактерій роду Nostoc для видалення важких металів із водного середовища, аналіз ролі екзополісахаридів у процесах біосорбції та біоакумуляції, а також оцінка перспектив практичного застосування цих організмів у технологіях біоремедіації.
Показано, що представники роду Nostoc характеризуються високою стійкістю до токсичної дії металів завдяки здатності синтезувати значну кількість екзополісахаридів, які формують навколо клітин захисний матрикс і забезпечують ефективне зв’язування іонів металів. Екзополісахариди є складними гетерополімерами, до складу яких входять різноманітні моносахариди, уронові кислоти та функціональні групи, зокрема карбоксильні, гідроксильні, фосфатні та сульфатні залишки. Саме вони визначають високу сорбційну здатність ціанобактеріальної біомаси щодо свинцю, кадмію, міді, цинку, нікелю, хрому та інших металів.
У роботі розглянуто основні механізми вилучення металів із водних середовищ, серед яких провідне значення мають біосорбція та біоакумуляція. Біосорбція є швидким метаболічно незалежним процесом, що відбувається на поверхні клітин і може здійснюватися як живою, так і неживою біомасою. Біоакумуляція, навпаки, є енергозалежним процесом, пов’язаним із транспортом металів усередину клітини та їх подальшою детоксикацією за участю металотіонеїнів, антиоксидантних систем і механізмів внутрішньоклітинної секвестрації. Проаналізовано вплив основних факторів навколишнього середовища на ефективність цих процесів, зокрема рН, температури, концентрації металів, солоності та характеристик біомаси.
Узагальнені літературні дані свідчать про високу ефективність живої, іммобілізованої та хімічно модифікованої біомаси Nostoc у видаленні важких металів із промислових і комунальних стічних вод. Встановлено, що використання ціанобактерій поєднує екологічну безпечність, низькі енергетичні витрати та можливість подальшої утилізації отриманої біомаси для виробництва біопалива й біополімерів. Зроблено висновок, що ціанобактерії роду Nostoc є перспективними агентами фікоремедіації, а подальші дослідження мають бути спрямовані на оптимізацію умов культивування, підвищення сорбційної здатності біомаси та масштабування технологій для промислового впровадження.
Посилання
1. Abdel-Raouf, N., Al-Homaidan, A. A., Ibraheem, I. B. M. (2012). Microalgae and wastewater treatment. Saudi Journal of Biological Sciences, 19(3), 257–275.
https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2012.04.005
2. Alabssawy, A.N., Hashem, A.H. Bioremediation of hazardous heavy metals by marine microorganisms: a recent review. Arch Microbiol, 206, 103 (2024). https://doi.org/10.1007/s00203-023-03793-5
3. Al-Amin, A., Parvin, F., Chakraborty, J., & Kim, Y. (2021). Cyanobacteria mediated heavy metal removal: a review on mechanism, biosynthesis, and removal capability. Environmental Technology Reviews, 10(1), 44–57. https://doi.org/10.1080/21622515.2020.1869323
4. Alvarez, X., Alves, A., Ribeiro, M. P., Lazzari, M., Coutinho, P., & Otero, A. (2021). Biochemical characterization of Nostoc sp. exopolysaccharides and evaluation of potential use in wound healing. Carbohydrate Polymers, 254, 117303. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117303
5. Arief, V. O., Trilestari, K., Sunarso, J., Indraswati, N., & Ismadji, S. (2008). Recent Progress on Biosorption of Heavy Metals from Liquids Using Low Cost Biosorbents: Characterization, Biosorption Parameters and Mechanism Studies. Clean - Soil Air Water, 36(12), 937–962. https://doi.org/10.1002/clen.200800167
6. Arunakumara, K. K. I. U., & Zhang, X. (2008). Heavy metal bioaccumulation and toxicity with special reference to microalgae. Journal of Ocean University of China, 7(1), 60–64. https://doi.org/10.1007/s11802-008-0060-y
7. Atoku, D. I., Ojekunle, O. Z., Taiwo, A. M., & Shittu, O. B. (2021). Evaluating the efficiency of Nostoc commune, Oscillatoria limosa and Chlorella vulgaris in a phycoremediation of heavy metals contaminated industrial wastewater. Scientific African, 12, e00817. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2021.e00817
8. Balzano, S., Sardo, A., Blasio, M., Chahine, T. B., Dell’Anno, F., Sansone, C., & Brunet, C. (2020). Microalgal metallothioneins and phytochelatins and their potential use in bioremediation. Frontiers in Microbiology, 11, 517. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00517
9. Bandara, S. M. D. C., Wei, Y., Abayasekara, C. L., & Ratnayake, R. R. (2026). Phycoremediation potential of Nostoc ellipsosporum and Spirulina subsalsa for pollutant removal from textile wastewater with integrated biodiesel production. Ceylon Journal of Science, 55(2), 510–521. https://doi.org/10.4038/cjs.v55i2.9273
10. Bhunia, B., Uday, U. S. P., Oinam, G., Mondal, A., Bandyopadhyay, T. K., & Tiwari, O. N. (2018). Characterization, genetic regulation and production of cyanobacterial exopolysaccharides and its applicability for heavy metal removal. Carbohydrate Polymers, 179, 228–243. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.09.091
11. Cepoi, L., Zinicovscaia, I., Valuta, A., Codreanu, L., Rudi, L., Chiriac, T., Yushin, N., Grozdov, D., & Peshkova, A. (2022). Bioremediation Capacity of Edaphic Cyanobacteria Nostoc linckia for Chromium in Association with Other Heavy-Metals-Contaminated Soils. Environments, 9(1), 1. https://doi.org/10.3390/environments9010001
12. Chamorro, C. B., Meza, C. L., Bonilla, H. M., Santos, G. C., & De La Cruz CerrÓn, L. (2021). Biosorción de plomo en aguas contaminadas, empleando biomasa del Nostoc Commune como alternativa ecológica. Proceedings of the 19th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology: “Prospective and Trends in Technology and Skills for Sustainable Social Development” “Leveraging Emerging Technologies to Construct the Future.” https://doi.org/10.18687/laccei2021.1.1.187
13. Chojnacka, K. (2010). Biosorption and bioaccumulation – the prospects for practical applications. Environment International, 36(3), 299–307. https://doi.org/10.1016/j.envint.2009.12.001
14. Ciani, M., Decorosi, F., Ratti, C., De Philippis, R., & Adessi, A. (2023). Heavy Metal Biosorption by Marine Cyanobacteria: A Green Biotechnology to Remove Heavy Metals from Wastewaters and to Obtain Metal-Organic Materials. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.4566050
15. Cruz, D., Vasconcelos, V., Pierre, G., et al. (2020). Exopolysaccharides from Cyanobacteria: Strategies for Bioprocess Development. Applied Sciences, 10(11), 3763.
https://doi.org/10.3390/app10113763
16. De Philippis, R., Sili, C., Paperi, R., & Vincenzini, M. (2001). Exopolysaccharide-producing cyanobacteria and their possible exploitation: A review. Journal of Applied Phycology, 13(4), 293–299. https://doi.org/10.1023/a:1017590425924
17. Decho, A. W., Gutierrez, T. (2017). Microbial extracellular polymeric substances (EPSs) in ocean systems. Frontiers in Microbiology, 8, 922. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00922
18. Devi, T. E., & Parthiban, R. (2020). Hydrothermal liquefaction of Nostoc ellipsosporum biomass grown in municipal wastewater under optimized conditions for bio-oil production. Bioresource Technology, 316, 123943. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123943
19. Diep, P., Mahadevan, R., & Yakunin, A. F. (2018). Heavy metal removal by bioaccumulation using genetically engineered microorganisms. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 6, 157. https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00157
20. Dixit, R., et al. (2015). Bioremediation of heavy metals from soil and aquatic environment: An overview of principles and criteria of fundamental processes.
Sustainability, 7(2), 2189–2212. https://doi.org/10.3390/su7022189
21. Dixit, S., & Singh, D. P. (2013). Phycoremediation of lead and cadmium by employing Nostoc muscorum as biosorbent and optimization of its biosorption potential. International Journal of Phytoremediation, 15(8), 801–813. https://doi.org/10.1080/15226514.2012.735290
22. Dudeja, C., Masroor, S., Mishra, V. et al. Cyanobacteria-based bioremediation of environmental contaminants: advances and computational insights. Discov Agric 3, 42 (2025). https://doi.org/10.1007/s44279-025-00193-9
23. El-Sheekh, M. M., El-Shouny, W. A., Osman, M. E. H., & El-Gammal, E. W. E. (2005). Growth and heavy metals removal efficiency of Nostoc muscorum and Anabaena subcylindrica in sewage and industrial wastewater effluents. Environmental Toxicology and Pharmacology, 19(2), 357–365. https://doi.org/10.1016/j.etap.2004.09.005
24. Fawzy, M. A., & Mohamed, A. K. S. H. (2017). Bioremediation of heavy metals from municipal sewage by cyanobacteria and its effects on growth and some metabolites ofBeta vulgaris. Journal of Plant Nutrition, 40(18), 2550–2561. https://doi.org/10.1080/01904167.2017.1380822
25. Flemming, H. C., Wingender, J. (2010). The biofilm matrix. Nature Reviews Microbiology, 8, 623–633. https://doi.org/10.1038/nrmicro2415
26. Ghorbani, E., et al. (2022). Metal removal capability of two cyanobacterial species in autotrophic and mixotrophic mode of nutrition. BMC Microbiology, 22, 58.
https://doi.org/10.1186/s12866-022-02471-8
27. Gonzales, K. N., Troncoso, O. P., Torres, F. G., & López, D. (2020). Molecular α-relaxation process of exopolysaccharides extracted from Nostoc commune cyanobacteria. International Journal of Biological Macromolecules, 161, 1516–1525. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.07.268
28. Gupta, P., & Diwan, B. (2016). Bacterial Exopolysaccharide mediated heavy metal removal: A Review on biosynthesis, mechanism and remediation strategies. Biotechnology Reports, 13, 58–71. https://doi.org/10.1016/j.btre.2016.12.006
29. Gupta, V. K., & Rastogi, A. (2008). Biosorption of lead(II) from aqueous solutions by non-living algal biomass Oedogonium sp. and Nostoc sp.- A comparative study. Colloids and Surfaces B Biointerfaces, 64(2), 170–178. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2008.01.019
30. Huang, L., Jin, Y., Zhou, D., Liu, L., Huang, S., Zhao, Y., & Chen, Y. (2022). A review of the role of extracellular polymeric substances (EPS) in wastewater treatment systems. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(19), 12191. https://doi.org/10.3390/ijerph191912191
31. Igiri, B. E., Okoduwa, S. I. R., Idoko, G. O., Akabuogu, E. P., Adeyi, A. O., & Ejiogu, I. K. (2018). Toxicity and Bioremediation of Heavy Metals Contaminated Ecosystem from Tannery Wastewater: A Review. Journal of Toxicology, 2018, 1–16. https://doi.org/10.1155/2018/2568038
32. Ismaiel, M. M. S., et al. (2022). Biosorption of uranium by immobilized Nostoc sp. and Scenedesmus sp.: kinetic and equilibrium modeling. Environmental Science and Pollution Research, 29, 83860–83877. https://doi.org/10.1007/s11356-022-21641-9
33. Jasińska, J. M., Kamińska, I., Chmiel, M. J., & Jamróz, E. (2023). Biological potential of polysaccharides extracted from Nostoc colonies for film production - Physical and biological properties. Biotechnology Journal, 18(5), e2200455. https://doi.org/10.1002/biot.202200455
34. Kaleem, M., Minhas, L. A., Hashmi, M. Z., Ali, M. A., Mahmoud, R. M., Saqib, S., Nazish, M., Zaman, W., & Mumtaz, A. S. (2023). Biosorption of Cadmium and Lead by Dry Biomass of Nostoc sp. MK-11: Kinetic and Isotherm Study. Molecules, 28(5), 2292. https://doi.org/10.3390/molecules28052292
35. Kalita, N., & Baruah, P. P. (2023). Cyanobacteria as a potent platform for heavy metals biosorption: Uptake, responses and removal mechanisms. Journal of Hazardous Materials Advances, 11, 100349. https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2023.100349
36. Kaplan, D. (2013). Absorption and adsorption of heavy metals by microalgae. In A. Richmond & Q. Hu (Eds.), Handbook of microalgal culture: Applied phycology and biotechnology (2nd ed., pp. 602–611). Wiley-Blackwell. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch34
37. Kehr, J.-C., & Dittmann, E. (2015). Biosynthesis and Function of Extracellular Glycans in Cyanobacteria. Life, 5(1), 164-180. https://doi.org/10.3390/life5010164
38. Kondakindi, V. R., Pabbati, R., Erukulla, P., Maddela, N. R., & Prasad, R. (2024). Bioremediation of heavy metals-contaminated sites by microbial extracellular polymeric substances – A critical view. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 6, 408–421. https://doi.org/10.1016/j.enceco.2024.05.002
39. Kumar, K. S., Dahms, H. U., Won, E. J., et al. (2015). Microalgae – A promising tool for heavy metal remediation. Ecotoxicology and Environmental Safety, 113, 329–352. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.12.019
40. Lavado-Meza, C., et al. (2023). Efficient Lead Pb(II) Removal with Chemically Modified Nostoc commune Biomass. Molecules, 28(1), 268. https://doi.org/10.3390/molecules28010268
41. Naveen Kumar, K., et al. (2018). Advances in exopolysaccharides based bioremediation of heavy metals in soil and water: A critical review. Carbohydrate Polymers, 199, 353–364. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.07.037
42. Pal, A., Paul, A. K. (2008). Microbial extracellular polymeric substances: central elements in heavy metal bioremediation. Indian Journal of Microbiology, 48, 49–64. https://doi.org/10.1007/s12088-008-0006-5
43. Parwani, L., Bhatt, M., & Singh, J. (2021). Potential biotechnological applications of cyanobacterial exopolysaccharides. Brazilian Archives of Biology and Technology. Vol.64: e21200401, 2021, 64, e21200401. https://doi.org/10.1590/1678-4324-2021200401
44. Pereira, S., Micheletti, E., Zille, A., Santos, A., Moradas-Ferreira, P., Tamagnini, P., & De Philippis, R. (2010). Using extracellular polymeric substances (EPS)-producing cyanobacteria for the bioremediation of heavy metals: do cations compete for the EPS functional groups and also accumulate inside the cell? Microbiology, 157(2), 451–458. https://doi.org/10.1099/mic.0.041038-0
45. Pereira, S., Zille, A., Micheletti, E., Moradas-Ferreira, P., & De Philippis, R., et al. (2009). Complexity of cyanobacterial exopolysaccharides: Composition, structures, inducing factors and putative genes involved in their biosynthesis and assembly. FEMS Microbiology Reviews, 33(5), 917–941. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2009.00183.x
46. Pico-González, A. I., De Dios Jaraba-Navas, J., Jarma-Orozco, A., Pérez-Polo, D. J., Herazo-Cárdenas, D. S., Vallejo-Isaza, A., Angulo-Ortíz, A. A., Pineda-Rodríguez, Y. Y., Ariza-González, A. R., Arrieta, D. V., & Rodríguez-Páez, L. A. (2025). Can the Cyanobacterium Nostoc commune Exert In Vitro Biocontrol on Fusarium oxysporum, Causal Agent of Wilt in Banana (Musa AAB)? Sci, 7(3), 115. https://doi.org/10.3390/sci7030115
47. Raghavan, P. S., Potnis, A. A., Gupta, S., Gadly, T., Kushwah, N., & Rajaram, H. (2023). Interlink between ExoD (Alr2882), exopolysaccharide synthesis and metal tolerance in Nostoc sp. strain PCC 7120: Insight into its role, paralogs and evolution. International Journal of Biological Macromolecules, 242(Pt 3), 125014. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.125014
48. Rakic, I., Kevresan, Z., Kovac, R., Kravic, S., Svircev, Z., Djurovic, A., & Stojanovic, Z. (2023). Bioaccumulation and biosorption study of heavy metals removal by Cyanobacteria Nostoc sp. Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly, 29(4), 291–298. https://doi.org/10.2298/ciceq220511002r
49. Rossi, F., De Philippis, R. (2015). Role of Cyanobacterial Exopolysaccharides in Phototrophic Biofilms and in Complex Microbial Mats. Life, 5(2), 1218–1238.
https://doi.org/10.3390/life5021218
50. Saleh, A. M., El-Ayouty, Y. M., El-Manawy, I. M., El Shoubaky, G. A., & Ismaiel, M. M. S. (2024). Phycoremediation assessment of heavy metals and nutrients from wastewater using some cyanobacteria. GSC Biological and Pharmaceutical Sciences, 28(3), 119–132. https://doi.org/10.30574/gscbps.2024.28.3.0327
51. Shen, L., Chen, R., Wang, J., Fan, L., Cui, L., Zhang, Y., Cheng, J., Wu, X., Li, J., & Zeng, W. (2021). Biosorption behavior and mechanism of cadmium from aqueous solutions by Synechocystis sp. PCC6803. RSC Advances, 11(30), 18637–18650. https://doi.org/10.1039/d1ra02366g
52. Singh, J. S., Kumar, A., Rai, A. N., Singh, D. P. (2016). Cyanobacteria: A precious bio-resource in agriculture, ecosystem, and environmental sustainability. Frontiers in Microbiology, 7, 529. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00529
53. Singh, S., Kant, C., Yadav, R. K., Reddy, Y. P., & Abraham, G. (2019). Cyanobacterial exopolysaccharides: Composition, biosynthesis, and biotechnological applications. In A. K. Mishra, D. N. Tiwari, & A. N. Rai (Eds.), Cyanobacteria (pp. 347–358). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814667-5.00017-9
54. Singh, S., Srivastava, P. (2026). Secondary Metabolites of Cyanobacteria: A Focus on Nostoc Culture and Applications. In: Harish, Sabiu, S. (eds) Algae and Algal Metabolites. Reference Series in Phytochemistry. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-80866-1_42-1
55. Swaminaathan, P., Thamarai, P., Yaashikaa, P.R. et al. (2025). Microbial bioremediation of dyes, metals, and microplastics for ecological sustainability. Energ. Ecol. Environ. 10, 45–65. https://doi.org/10.1007/s40974-024-00335-7
56. Touliabah, H. E.-S., El-Sheekh, M. M., Ismail, M. M., & El-Kassas, H. (2022). A Review of Microalgae- and Cyanobacteria-Based Biodegradation of Organic Pollutants. Molecules, 27(3), 1141. https://doi.org/10.3390/molecules27031141
57. Uhliariková, I., Matulová, M., & Čapek, P. (2021). Optimizing acid hydrolysis for monosaccharide compositional analysis of Nostoc cf. linckia acidic exopolysaccharide. Carbohydrate Research, 508, 108400. https://doi.org/10.1016/j.carres.2021.108400
58. Wang, W., Ju, Y., Liu, N., Shi, S., & Hao, L. (2023). Structural characteristics of microbial exopolysaccharides in association with their biological activities: A review. Chemical and Biological Technologies in Agriculture, 10(1), 137. https://doi.org/10.1186/s40538-023-00515-3
59. Wang, X., Yang, Z., Liu, Y., et al. (2022). Structural characteristic of polysaccharide isolated from Nostoc commune, and their potential as radical scavenging and antidiabetic activities. Scientific Reports, 12, 22155. https://doi.org/10.1038/s41598-022-26802-x
60. Wright, D., Prickett, T., Helm, R. F., & Potts, M. (2001). Form species Nostoc commune (Cyanobacteria). International journal of systematic and evolutionary microbiology, 51(5), 1839–1852. https://doi.org/10.1099/00207713-51-5-1839
61. Wu, S., Yu, K., Li, L., Wang, L., & Liang, W. (2021). Enhancement of exopolysaccharides production and reactive oxygen species level of Nostoc flagelliforme in response to dehydration. Environmental Science and Pollution Research, 28(26), 34300–34308. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13051-0
