Мікроводорості
n n n Біотехнологію можна визначити як ряд технологій старих і нових, що включають використання біологічних процесів живих організмів у промисловості, сільському господарстві та інших сферах прикладної діяльності. Старі методи ґрунтуються на використанні ферментів у біологічних реакціях. До нових методів біотехнології відносять біологічні процеси, які базуються на генетичному та клітинному конструюванні. Останнім часом бурхливо розвиваються біотехнології, в яких використовуються фотоавтотрофи – організми, для існування яких досить тільки простих речовин і енергії сонячного світла, зокрема мікроводорості (Волова, 1999).
Технологічна біоенергетика сьогодні розгортається в декількох напрямках: n n 1) переробка біомаси, яка накопичується в результаті фотосинтезу, на дешеве і висококалорійне паливо – метан та інші вуглеводні, етанол, бутанол та ін. ; 2) модифікації самого процесу фотосинтезу, внаслідок чого енергія світла з максимальною ефективністю спрямовується на утворення водню або іншого палива, обминаючи стадію фотоасиміляції СО 2 і синтезу компонентів клітини.
n n n Мікроводорості – широка група фотосинтезуючих організмів, яка включає ціанобактерії, діатомові, одноклітинні зелені і деякі інші види водоростей. Вони можуть розвиватись у складних агрокліматичних умовах і продукувати цілу низку корисних продуктів: жири, білки, вуглеводи, барвники, біологічно активні сполуки та ін. Особливу зацікавленість викликає використання мікроводоростей як організмів, здатних запасати сонячну енергію за рахунок фотосинтезу, оскільки ефективність перетворення енергії мікроводоростями значно вища, ніж вищими рослинами.
Arthrospira platensis
Царство: Бактерии n Отдел: Цианобактерии n Класс: Chroobacteria n Порядок: Oscillatoriales n Семейство: Phormidiaceae n Род: Arthrospira Человеком и различными видами животных употребляются в пищу в основном два вида спирулины: Arthrospira platensis и Arthrospira maxima. Спирулина культивируется по всему миру, используется в качестве пищевой добавки и самостоятельного продукта, доступна в форме таблеток, хлопьев и порошка. Также спирулина используется в качестве кормовой добавки при разведении рыб и в птицеводстве. Спирулина содержит до 70 % полноценного белка, что в 1, 5 раза больше, чем в соевых бобах. n Фотосинтетические пигменты спирулины — хлорофиллы и фикоцианины, фикоэритрины. n
n n n Представители рода Arthrospira — свободно плавающие нитевидные цианобактерии, характеризующиеся цилиндрическими многоклеточными трихомами в левозакрученной спирали. Перегородки под световым микроскопом неразличимы. Слизистые чехлы не развиты или развиты слабо. Arthrospira platensis имеет оптимум p. H между 8 и 11, встречается в тропических и субтропических озёрах, вода которых обладает высоким р. Н и концентрацией карбонатов и бикарбонатов. Arthrospira platensis встречается в Африке, Азии и Южной Америке, в то время как ареал Arthrospira maxima ограничен Центральной Америкой. Крупнейшие коммерческие производители спирулины расположены в Соединенных Штатах, Таиланде, Индии, Тайване, Китае, Бангладеш, Пакистане, Бирме (Мьянма), Греции и Чили. Для роста и развития спирулины требуется высокая температура и освещённость. Она может выживать при температуре до 60 градусов, а отдельные её пустынные виды выживают, впадая в глубокую спячку, даже если водоём выпарится и она окажется на камнях с температурой 70 градусов. Это говорит о том, что, содержащиеся в спирулине белок, аминокислоты, витамины, ферменты даже при такой температуре сохраняются в клетке, тогда как в обычных условиях температура 50 -54 градусов для большинства ферментов является губительной, а некоторые витамины и аминокислоты в этих условиях начинают терять свои полезные свойства.
n Высушенная спирулина содержит около 60 % (51 -71 %) белка. Это полноценный белок, содержащий все незаменимые аминокислоты, хотя и с пониженным содержанием метионина, цистеина и лизина по сравнению с белком мяса, яиц и молока. Однако, по данным показателям спирулина превосходит другие растительные источники белка, такие как бобовые.
n Содержание липидов составляет около 7 % от массы, в спирулине присутствует большое количество гаммалиноленовой кислоты (GLA), присутствует альфалиноленовая кислота (ALA), линолевая кислота (LA), стеаридоновая кислота (SDA), эйкозапентаеновая кислота (EPA), докозагексаеновая кислоты (DHA) и арахидоновая кислота (АА). Спирулина содержит витамины В 1 (тиамин) , В 2 (рибофлавин) , В 3 (никотинамид), В 6 (пиридоксин), В 9 (фолиевая кислота), витамин С, витамин D , витамин А и витамин Е. Также спирулина является источником калия, кальция, хрома, меди, железа, магния, марганца, фосфора, селена, натрия и цинка. Спирулина содержит множество пигментов, которые могут быть полезны и биодоступны, в том числе бета-каротин, зеаксантин, хлорофилл -а, ксантофилла, эхиненон, myxoxanthophyll, кантаксантин, diatoxanthin , 3'- гидроксиэхиненон, бета- криптоксантин и oscillaxanthin, а также фикобилипротеины с — фикоцианин и аллофикоцианин.
n n n Спирулина являлась источником пищи для ацтеков и других племён Мезоамерики вплоть до 16 века, сбор «урожая» с озера Тескоко и последующая продажа собранной водоросли в виде характeрных зелёных лепёшек были описаны одним из солдат Кортеса. Ацтеки называли их tecuitlatl. Несмотря на то, что по результатам произведённых х в 1960 -х гг. французских исследований озеро Тескоко по-прежнему было богато спирулиной, описания использования спирулины в качестве ежедневного источника пищи окрестных племён после 16 -го века отсутствуют. В качестве возможных факторов, называют возникшую после осушения окрестных озёр ради более крупного сельского хозяйства пищевую альтернативу, а также постепенную урбанизацию региона. В начале 70 -х, на озере Тескоко был построен первый крупный завод по промышленной переработке спирулины, находящийся в ведении компании Sosa Texcoco. Также спирулину традиционно собирают в Чаде, из многочисленных озёр и прудов, окружающих озеро Чад. Водорослевую массу прессуют в лепёшки под названием dihé, которые используются в дальнейшем для непосредственного употребления, и в качестве ингредиента для варки супов. Спирулина активно культивируется, в том числе в России. В Китае в 1996 году было произведено более 400 тонн порошка спирулины пивоварней Циндао производится пиво Циндао Спирулина Зелёное.
Ресурси біомаси, у першу чергу рослинної, у світі величезні і оцінюються в 100 млрд т сухої маси за рік. Лише незначна її частина витрачається людством на енергетичні потреби, але й вона дає до 14 % енергії, яка використовується у світі. Біомаса – це не тільки відновлюване і майже безкоштовне джерело енергії, але й альтернатива використанню корисних копалин, запаси яких швидко зменшуються.
n n n Високими темпами зростають обсяги біомаси, яку переробляють на етанол – екологічно чисте паливо, що утворює при згоранні лише СО 2 і Н 2 О. Етанол використовується у двигунах внутрішнього згорання в чистому вигляді або як 10 -20%-на домішка до бензину (газохол). У Бразилії вже до 1983 р. 75 % автомобілів працювали на 95%-ому етанолі, решта – на газохолі. У США збираються замінити 10 % бензину, який споживається, на етанол. Широке впровадження останнього планується в країнах Західної Європи.
n Іншим важливим шляхом утилізації сільськогосподарських відходів є отримання метану. Його отримують у вигляді біогазу – суміші метану і СО 2. Присутність СО 2 обмежує теплотворну здатність біогазу як палива, яка в залежності від співвідношення СН 4/СО 2 склада склад 20, 9 -33, 4 к. Дж/м 3. Вміст метану в біогазі варію від 50 до 85 %.
n n Разом з біогазом метаногенні асоціації утворюють інші цінні продукти, наприклад вітамін В 12. Після переробки органічного субстрату на біогаз залишається матеріал, який є цінним мінеральним (азотним і фосфорним) добривом.
n n Отримання водню як палива поки знаходиться на рівні пошукових розробок. Це абсолютно чисте паливо, яке дає при згоранні лише Н 2 О, відрізняється виключно високою теплотворною здатністю – 143 к. Дж/г. Хімічний та електрохімічний способи отримання Н 2 неекономічні, тому раціональним є використання мікроорганізмів, здатних виділяти водень. Такою здатністю володіють аеробні й анаеробні хемотрофні бактерії, пурпурні й зелені фототрофні бактерії, ціанобактерії, різні водорості та деякі найпростіші.
Chlorella vulgaris
Царство: Растения Отдел: Зелёные водоросли Класс: Требуксиофициевые Порядок: Хлорелловые Семейство: Хлорелловые Род: Хлорелла (от греч. χλωρός, «зелёный» и лат. ella — уменьшительный суффикс) — из отдела Chlorophyta. Имеет сферическую форму, от 2 до 10 мкм, не имеют жгутиков. Хлоропласты хлореллы содержат хлорофилл-а и хлорофилл-б. Для процесса фотосинтеза требуются только вода, диоксид углерода, свет, а также небольшое количество минералов для размножения.
n n В систематическом отношении род Chorella делится на несколько видов, Chlorella vulgaris Beyerink, Chlorella infusionum Beyerink, Chorella parasitica Brandt, Chlorella condustrix Brandt, Chlorella actinosphaerii Averinzew, которые различаются между собою по. размерам и форме хроматофоров и клеток, а также по другим мелким признакам. В качестве симбионтов они найдены у весьма многих Protozoa, а также и у полипов, как напр. у Hydra viridis
n Состоит из одной шарообразной или овальной клетки с толстой оболочкой, которая по мнению одних авторов (Brandt, Dangeard) состоит из целлюлозы, а по мнению других (Geza-Entz, Фаминцын, Аверинцев и др. ) из прозрачного студенистого вещества, лишенного целлюлозы. Такое разногласие во мнениях произошло в силу того, что иногда оболочка хлореллы не дает типичного для целлюлозы фиолетового окрашивания от хлорцинкиода, а потому вопрос этот остается пока открытым. Размеры шарообразных вегетативных клеток колеблются по данным различных авторов от 1, 5 мкм до 12 мкм
В каждой такой клетке находится гомогенная протоплазма, очень маленькое ядро прекрасно окрашивающееся гематоксилином, и лентовидный или округлый пластинчатый стенкоположный хроматофор с одним или, реже, с двумя пиреноидами. Геца-Энц (Geza. Entz) описывал в клетках хлореллы ещё особые сократительные вакуоли, подобно таковым у хламидомонад, но позднейшими исследователями эти показания Геца-Энца были опровергнуты. Бейеринк изучил питание хлореллы и нашёл, между прочим, что они для добычи необходимого азота нуждаются не только в пептоне, но и в какомнибудь углеводе, как например сахар, а потому он причислил их к установленной им физиологической группе пентон-углеводных организмов.
n Некоторые виды известны уже с давних времен своим симбиозом с животными, и первоначально принимались за органы последних, но ещё Брандт и Geza. Entz, независимо друг от друга, впервые признали за ними эндогенное происхождение, показав, что зеленые шарообразные тельца, наблюдаемые в теле некоторых животных, суть самостоятельные организмы, при чём Брандт отнес эти тельца к особому роду водорослей, назвав его Zoochlorella. Но как свободноживущие хлореллы, так и зоохлореллы различных животных имеют совершенно одну и ту же организацию, проходят совершенно одинаковые стадии развития и отличаются только образом жизни, а потому Бейеринк и соединил их в один общий род Chlorella, тем более, что единственный отличительный признак зоохлорелл от хлорелл, а именно только что упомянутый симбиотический образ жизни первых с некоторыми низшими животными, оказывается непостоянным признаком, так как Брандт, а за ним и позднейшие учёные, Кесслер, Гаманн, Шевяков, Фаминцын, Бейеринк и Аверинцев, доказали, что изолированные зоохлореллы могут существовать на свободе и при этом так же энергично размножаться, как и в теле животных.
n Сожительство хлореллы с животными представляет собою типичный пример того биологического явления, которое давно уже получило в Германии название Raumparasitismus, то есть хлорелла не паразитирует в теле животного, но и не приносит ему пользы, а является, так сказать, даровым жильцом. Неоднократно было замечено, что не все экземпляры хлореллы остаются в теле простейших живыми, но иногда перевариваются последними. Явление это различно толковалось авторами, и только впоследствии удалось выяснить следующие условия, при которых хлореллы либо погибают в организме животных, особенно простейших, либо остаются жить в них: у простейших можно легко различить три слоя протоплазмы в каждой особи: наружную, альвеолярную плазму, служащую покровом для двух последующих слоев, среднюю, кортикальную плазму, не участвующую в пищеварении, и внутреннюю эндоплазму, заведующую пищеварением организма. Если хлорелла попадает в эндоплазму, то она переваривается животным, если же она попадет в кортикальный слой плазмы, то она остается жить в симбиозе с животным, так как этот слой плазмы не принимает участие в пищеварении.
Использование Хлорелла используется для производства кислорода. В прошлом веке (1967— 1978 гг) в объектах БИОС-1, БИОС-2 и БИОС-3 использование хлореллы в пищу не удалось.
По своей питательности не уступает мясу и значительно превосходит пшеницу. Если в пшенице содержится 12 % белка, то в хлорелле его более 50 %. Но увы, все питательные вещества защищены мощной клеточной стенкой, которую человеческие пищеварительные ферменты не способны расщепить. Однако современные ученые научились бороться с этой проблемой. Теперь клетки хлореллы разрушаются под большим давлением, а полученную массу спрессовывают в таблетки или оставляют в виде порошка. Другой вариант — полное высушивание водоросли при интенсивном перемешивании в течении 4 часов при температуре порядка 50 ºС. В обоих случаях достаточно добавить воды, чтобы получить питательную массу, которая будет усваиваться человеческим организмом.
n n n Может также использоваться для биологической очистки сточных вод. Планктонный штамм хлореллы ИФР №С-111 был выделен российским ученым Богдановым Н. И. в 1977 году из Нурексокого водохранилища. Благодаря своим уникальным свойствам он позволил упростить биотехнологию культивирования хлореллы и технологию хранения маточной культуры. Новый штамм позволил ввести хлореллу в рацион крупного рогатого скота, свиней, птиц, кроликов, пчел, рыб; использовать хлореллу для очистки сточных вод, альголизации водоемов.
n Концентрат хлореллы Ранее хлорелла использовалась только в виде суспензии, сухой биомассы (порошка или таблеток) или пасты. Каждый из этих видов имеет свои недостатки. Порошок имеет худшую усвояемость, чем суспензия. Паста лишена комплекса метаболитов и требует консервации. Загущение суспензии путем отстаивания требует времени и емкостей больших объёмов. В концентрате хлореллы (КХ) сочетаются все достоинства товарной суспензии хлореллы с точки зрения её усвояемости и биологической ценности. Концентрат хлореллы содержит не только живые клетки хлореллы, но и полный спектр водорастворимых метаболитов хлореллы, которые содержатся в культуральной среде. При этом КХ оказался высоко технологичным в практическом использовании. Его можно легко включать в любые существующие системы поения и кормления животных, а также при производстве гранулированного комбикорма. Альголизация комбикорма товарной суспензией хлореллы сама по себе малоэффективна из-за низкой плотности клеток хлореллы в товарной суспензии. КХ позволяет получать практически любую необходимую концентрацию клеток хлореллы в гранулированном комбикорме. Одновременно комбикорм обогащается полным спектром водорастворимых метаболитов хлореллы содержащихся в культуральной среде. В сравнении с товарной суспензией хлореллы транспортные расходы уменьшились в десятки раз. Концентрат хлореллы не содержит консервантов.
Dunaliella salina Tcod. Порядок полиблефаридовые (Polyblepharidales) n Этот порядок объединяет около 10 небольших родов, состоящих преимущественно из одноклеточных форм. Наиболее изученными, имеющими практическое значение, являются виды рода дюналиелла (Dunaliella). Это самый крупный род порядка, насчитывающий 38 видовых и внутривидовых таксонов. Самый известный и интересный из них - дюналиелла солевая (Dunaliella salina), вызывающая красное "цветение" воды в пересыщенных солью водоемах. Интересна история его открытия.
К выяснению причин красного "цветения" первыми приступили французские ученые. В 1836 г. Парижской Академией наук такое задание было поручено академику Пайену, который после проведенных исследований пытался объяснить это явление массовым развитием мелкого ракообразного артемии. Однако это оказалось ошибочным. Исследованиями другого французского ученого- Дюналя - в 1838 г. было показано, что красное "цветение" в сильно засоленных (гипергалинных) водоемах вызывается массовым развитием одноклеточной водоросли, которая в 1905 г. была подробно описана румынским ученым Теодореско и названа в честь первооткрывателя дюналиеллой.
n Клетка покрыта только тонким и нежным перипластом, что позволяет ей изменять форму, но все же чаще всего она удлиненно-яйцевидная. Длина клеток колеблется от 5 до 29 мкм, ширина от 3, 8 до 20, 3 мкм. Сзади клетка широко округлая, спереди суженная и несет два равных жгутика. Внутри клетки имеется чашевидный хлоропласт, обычно доходящий почти до основания жгутиков. В передней части хлоропласта расположен бледнорозовый, нечетко выраженный глазок, а внизу, в утолщенном его дне, лежит крупный пиреноид, окруженный крахмальной сферой, состоящей из нескольких крупных крахмальных зерен. Ядро одно, шаровидное, оно расположено в центре клетки над пиреноидом, в вырезке хлоропласта, и обычно его трудно заметить. В процессе жизнедеятельности клетки в ней накапливаются каротиноиды, придающие клетке розово-желтую или кирпично-красную окраску.
Живые клетки дюналиеллы плавают быстро, но плавно. Это типичные активные планктеры. Размножение у дюналиеллы в основном вегетативное, путем продольного деления клетки в подвижном состоянии. Известен также половой процесс в виде типичной гологамии. Возникшая зигота обычно окрашена в зеленовато-красный цвет. Прорастая, она дает начало вегетативным клеткам. В цикле развития дюналиеллы известны пальмеллы и цисты.
Способность этого и других видов дюналиеллы отлагать в клетке каротиноиды используют в практике - из них добывают пигмент каротин, широко применяемый в ряде отраслей промышленности.
Вольвоксовые и протококковые водоросли: 1 -7 каротиноносные виды вольвоксовых (1 -5 - Dunaliella salina, вегетативные клетки с каплями гематохрома (1, 2) и стадии образования цист (3 -5); 6, 7 - Haematococcus pluvialis, вегетативная клетка и апланоспоры); 8 -11 протококковые (8 Chlorangiopsis epizootica, молодая клетка и зооспорангий; 9 - Apiocystis brauniana; 10 Korschikoviella gracilipes; 11 Protosiphon botryoides)
Полиблефаридовые: 1 - Dunaliella salina; 2 -5 - Phyllocardium complanatum (2 - вегетативная клетка, 3 - гологамия, 4 - планозигота, 5 - гипнозигота); 6 - Spermatozopsis exsultans; 7 - Pyramimonas reticulata
Botryococcus braunii n n n n Домен: Еукаріоти (Eucaryota) Царство: Зелені рослини (Viridiplantae) Відділ: Chlorophyta Клас: Trebouxiophyceae Порядок: incertae sedis Родина: Botryococcaceae Рід: Botryococcus Вид: B. braunii
n Цей вид вирізняється своєю здатністю виробляти велику кількість вуглеводнів, особливо жиру у вигляді тритерпенів, що, як правило, становлять близько 3040 відсотків від їх сухої ваги. Високий вміст жирів (можуть досягати 70%) виносять водорість на поверхню води, і завдяки цьому водорість дістала назву «зелена нафта» .
n Батріококус браунії найкраще ростуть при температурі 23°C, інтенсивності світла 60 Вт/м², і солоності від 0, 15 молярного Na. Cl. Однак, це наведені результати тестування з одного штаму, а інші, звичайно, в деякій мірі можуть змінюватися.
n n Ці мікроводорості мають потенційно важливе значення для виробництва поновлюваних джерел енергії. З мікроводоростей отримують рідке вуглеводневе паливо (вихід вуглеводнів із маси складає до 86% від сухої ваги сировини; отримання не є важким), а залишковий продукт є продуктом харчування для тваринництва або ж також добрим паливом. Для вирощування мікроводоростей застосовують багатосекційний біоконвертор сонячної енергії, що дає можливість безперервного процесу біоконверсії.
Скачать презентацию Мікроводорості n n n Біотехнологію можна визначити
биотехнология микроводоросли 1.ppt