Росія - Вчені з Балтійського федерального університету імені Іммануеля Канта та Кемеровського державного університету опублікували науковий огляд Biomolecules, який аналізує виділення біологічно цінних речовин з мікроводоростей та оцінює їх біологічну активність.
Інтерес до вирощування мікроводоростей зріс серед дослідників завдяки його здатності синтезувати різні біологічно активні речовини, швидкому зростанню біомаси та здатності регулювати її хімічний склад залежно від умов вирощування.
В даний час можна виділити дві основні сфери використання мікроводоростей: виробництво біомаси як біологічно активної добавки та вирощування мікроводоростей для подальшого виділення біологічно активних речовин із біомаси.
Біологічно активні речовини
Мікроводорості багаті поживними та біологічно активними речовинами, такими як білки, полісахариди, ліпіди, поліненасичені жирні кислоти, вітаміни, пігменти, фікобіліпротеїни, ферменти тощо. Біологічно активні речовини мікроводоростей здатні виявляти антиоксидантну, антибактеріальну, противірусну, протипухлинну, регенеративну, гіпотензивну, нейропротекторну та імуностимулюючу дії.
Ці речовини були дуже затребувані у фармакології, медицині, косметології, хімічній промисловості, рибництві, енергетиці, сільському господарстві та у виробництві функціональних продуктів харчування та кормів.
Фактори, що впливають на виробництво біомаси
Рівень накопичення біомаси та продуктивність біологічно активних речовин є важливим показником ефективності виду та штаму мікроводоростей. На ці параметри впливає багато умов, включаючи склад середовища для вирощування, температуру, рН, фазу росту, спосіб збору врожаю та освітлення.
Згідно з повідомленням дослідників, рекомендована температура вирощування для максимального виробництва біомаси різних видів мікроводоростей знаходиться в діапазоні від 27 до 30 oC. Зі збільшенням температури культури до 35 oC виробництво біомаси різко зменшується.
"Значне накопичення біомаси спостерігалось на 14 день культури для всіх досліджених мікроводоростей", - підкреслюють вони.
Під час фази автотрофного росту мікроводорості виробляють кисень і фіксують вуглекислий газ. Частина фіксованого вуглецю використовується для підтримки клітин та росту, тоді як інша частина зберігається різними способами, залежно від різних типів мікроводоростей.
Мікроводорості потребують від 1,8 до 2,0 кг СО2 для отримання 1,0 кг біомаси. Завдяки цьому стехіометричному співвідношенню кількості СО2, присутнього в повітрі (0,03%), недостатньо для високої продуктивності врожаю. Таким чином, для підвищення ефективності фотосинтезу середовище з культурою мікроводоростей має бути доповнене вуглецем або у вигляді солей, таких як бікарбонат, або шляхом введення повітря, збагаченого СО2.
Дослідники цитують дослідження, які показують, що при надходженні повітря до фотобіореактора (600 мл/хв) мікроводорості демонстрували оптимальний ріст із вмістом СО2 до 20% у поданому повітрі.
«Це дозволяє використовувати СО2 при промисловому згорянні, утворюючи в середньому 5,0% СО2, для вирощування мікроводоростей. Цей підхід поєднує економічне джерело вуглецю для мікроводоростей та зменшує викиди CO2.
Дослідники підкреслюють, що надходження СО2 до культур мікроводоростей може збільшити продуктивність біомаси; однак зниження рН через збільшення доступності СО2 у водній фазі може запобігти росту деяких видів мікроводоростей.
Методи культури мікроводоростей
Умови вирощування мікроводоростей можна розділити на три основні методи: фотоавтотрофний, гетеротрофний та міксотрофний.
Фотоавтотрофний - це загальновживаний метод культури. Мікроводорості використовують світло (зазвичай сонячне) як джерело енергії, а неорганічний вуглець (наприклад, діоксид вуглецю) як джерело енергії.
З гетеротрофною культурою мікроводорості також можуть використовувати органічний вуглець за відсутності світла. Завдяки своїй здатності рости в темряві, мікроводорості, що ростуть під час гетеротрофної культури, набагато менш вимогливі до відношення поверхні до об’єму, ніж в автотрофній культурі.
Міксотрофне культивування - це узагальнений двоступеневий режим, при якому мікроводорості мають високий початковий вміст органічного вуглецю, але спонукаються до азотрофного засвоєння СО2 через виснаження органічних речовин та утворення кисню за допомогою фотосинтезу.
Розробка та функціонування системи культури мікроводоростей відіграє вирішальну роль у продуктивності фотосинтезу та економічній ефективності. Конструкція повинна враховувати короткий шлях для світла, оптимальний об’єм рідини для адекватного перемішування та розсіювання світла.
Для виробництва мікроводоростей розроблені широкомасштабні культури. Зазвичай вони працюють у фотоавтотрофних умовах і їх можна розділити на дві основні групи: відкриті або закриті системи. 90% виробництва біомаси мікроводоростей у всьому світі здійснюється за допомогою відкритих систем землеробства.
У відкритих системах зазвичай використовують неглибокі ставки, виготовлені з вирівняних каналів (шириною 2-10 м і глибиною 15-30 см) у вигляді простих схем, де перемішування забезпечується обертовими робочими колесами. Ці реактори можна легко розширити, а інвестиційні та експлуатаційні витрати відносно низькі.
Основними недоліками відкритих систем вирощування є складність управління процесами, а також неможливість організувати безперервні процеси вирощування. Висока сприйнятливість до забруднення іншими мікроводоростями та мікроорганізмами, залежність від погодних умов та добові коливання температури роблять відкриту систему непридатною для широкомасштабного вирощування.
Закриті фотобіореактори були розроблені для подолання недоліків відкритих систем. Ці системи дозволяють безперервно працювати та пропонують більш високу продуктивність та якість біомаси, а також вищу ефективність фотосинтезу. Випаровування зводиться до мінімуму завдяки використанню закритої системи. Однак ці системи важко масштабувати через їх складну організацію, і зменшення проникнення світла зі збільшенням концентрації клітин та видалення кисню, що утворюється під час фотодихання, є серйозною проблемою.
Біологічна активність речовин мікроводоростей
Протипухлинна активність
В останні роки дослідження показали, що альгінати, фукоїдани, зостерол, унікальні сульфатовані полісахариди, ферменти та пептиди з мікроводоростей мають протипухлинну активність.
Дослідники оцінювали протипухлинну активність водного екстракту мікроводоростей з канадських вод проти різних клітинних ліній раку, включаючи рак легенів, простати, шлунка, молочної залози, підшлункової залози та остеосаркоми. Автори проаналізували здатність екстракту мікроводоростей інгібувати утворення колоній в ракових клітинах. Екстракт мікроводоростей in vitro демонстрував виражену антиколонічну активність.
Антимікробна активність
Мікроводорості здатні синтезувати численні метаболіти з антимікробними, противірусними та протигрибковими властивостями. Відомо, що багато мікроводоростей можуть синтезувати систему хімічного захисту, щоб вижити в конкурентному середовищі. Лютеїн і ферулова кислота, поліненасичені жирні та органічні кислоти, активні метаболіти та інші унікальні біологічно активні речовини, виділені з мікроводоростей, виявляють антимікробну активність.
Антиоксидантна активність
Антиоксидант - біологічна молекула, яка захищає організм або життєво важливі сполуки від окисного процесу під впливом радикалів. Багато природних антиоксидантів часто входять до складу різних косметичних засобів як активний інгредієнт і для захисту їх компонентів від процесів окислення. Унікальні каротиноїди, диметилсульфоксид, сполуки азоту та феноли, виділені з мікроводоростей, мають антиоксидантну активність.
Висновки
На думку дослідників, через широке розмаїття мікроводоростей, високу гнучкість метаболізму та різноманітні умови культури їх справжній потенціал ще не повністю оцінений. Перед дослідниками, що працюють з мікроводоростями, стоять такі завдання:
а) вдосконалення фотобіореакторів;
б) підвищення продуктивності штамів (методи селекції та генна інженерія);
в) пошук штамів з новими властивостями;
г) вивчення впливу умов культури на вміст біологічно активних речовин у клітинах;
д) оптимізація процесів вирощування (менші витрати та більший вихід продукції);
е) екологізація виробництва (запровадження замкнутих виробничих циклів, зменшення відходів, більш повне використання корисних компонентів);
g) оцінка екологічних, економічних та медичних ризиків збільшення масштабів виробництва.
Цей розділ статті доступний лише для наших передплатників. Будь ласка натисніть тут щоб підписатися на план, і ви можете отримати доступ до повної статті.