Русия - Учени от Балтийския федерален университет "Имануел Кант" и Държавния университет в Кемерово публикуваха научен преглед на Biomolecules, който анализира изолирането на биологично ценни вещества от микроводорасли и оценява тяхната биологична активност.
Интересът към отглеждането на микроводорасли се е увеличил сред изследователите поради способността му да синтезира различни биологично активни вещества, бързия растеж на биомасата и способността да регулира химичния си състав в зависимост от условията на отглеждане.
Понастоящем могат да се разграничат две основни области за използване на микроводорасли: производството на биомаса като биологично активна добавка и отглеждането на микроводорасли за последващо изолиране на биологично активни вещества от биомасата.
Биологично активни вещества
Микроводораслите са богати на хранителни вещества и биологично активни вещества, като протеини, полизахариди, липиди, полиненаситени мастни киселини, витамини, пигменти, фикобилипротеини, ензими и др. Биологично активните вещества на микроводораслите са способни да проявяват антиоксидантни, антибактериални, антивирусни, антитуморни, регенеративни, антихипертензивни, невропротективни и имуностимулиращи ефекти.
Тези вещества са много търсени във фармакологията, медицината, козметологията, химическата промишленост, рибовъдството, енергетиката, селското стопанство и при производството на функционални храни и фуражи.
Фактори, влияещи върху производството на биомаса
Нивото на натрупване на биомаса и производителността на биологично активни вещества е важен показател за ефективността на даден вид и щам микроводорасли. Тези параметри се влияят от много условия, включително състава на растежната среда, температурата, рН, фазата на растеж, метода на прибиране и осветлението.
Според доклада на изследователите препоръчителната температура на култура за максимално производство на биомаса на различни видове микроводорасли е в диапазона от 27 до 30 ° C. С повишаването на температурата на културата до 35 oC, производството на биомаса рязко намалява.
„На 14-ия ден от културата се наблюдава значително натрупване на биомаса за всички изследвани микроводорасли“, подчертават те.
По време на автотрофната фаза на растеж микроводораслите произвеждат кислород и фиксират въглероден диоксид. Част от фиксирания въглерод се използва за поддържане на клетките и растежа, докато другата част се съхранява по различни начини, в зависимост от различните видове микроводорасли.
Микроводораслите изискват 1,8 до 2,0 кг CO2, за да произведат 1,0 кг биомаса. Поради тази стехиометрична връзка, количеството СО2 във въздуха (0,03%) не е достатъчно за висока производителност на културата. По този начин, за да се увеличи ефективността на фотосинтезата, средата с културата на микроводорасли трябва да бъде допълнена с въглерод, или под формата на соли, като бикарбонат, или чрез въвеждане на въздух, обогатен с CO2.
Изследователите цитират проучвания, които показват, че когато въздухът (600 mL/min) се подава към фотобиореактора, микроводораслите показват оптимален растеж със съдържание на CO2 до 20% във въздуха, доставян.
„Това позволява използването на CO2 от промишлено изгаряне, генерирайки средно 5,0% CO2 при отглеждането на микроводорасли. Този подход комбинира икономичен източник на въглерод за микроводорасли и намалява емисиите на CO2.
Изследователите подчертават, че снабдяването с CO2 на култури с микроводорасли може да увеличи производителността на биомасата; намаляването на рН обаче поради увеличаване на наличността на CO2 във водната фаза може да предотврати растежа на някои видове микроводорасли.
Методи за култивиране на микроводорасли
Условията за отглеждане на микроводорасли могат да бъдат разделени на три основни метода: фотоавтотрофен, хетеротрофен и миксотрофен.
Фотоавтотрофният е често използваният метод за култивиране. Микроводораслите използват светлина (обикновено слънчева) като източник на енергия, а неорганичният въглерод (например въглероден диоксид) като източник на енергия.
С хетеротрофната култура микроводораслите могат също да използват органичен въглерод в отсъствието на светлина. Поради способността си да растат на тъмно, микроводораслите, които растат по време на хетеротрофна култура, са много по-малко взискателни в съотношението на повърхността към обема, отколкото в автотрофната култура.
Миксотрофното култивиране е обобщен двустепенен режим, при който микроводораслите имат високо първоначално съдържание на органичен въглерод, но се индуцират за азотрофно усвояване на CO2 поради изчерпване на органичните вещества и производството на кислород чрез фотосинтеза.
Проектирането и функционирането на система за култивиране на микроводорасли играе решаваща роля за производителността на фотосинтезата и икономическата ефективност. Дизайнът трябва да отчита кратък път за светлината, оптималния обем на течността за адекватно разбъркване и разсейване на светлината.
Разработени са широкомащабни културни системи за производство на микроводорасли. Те обикновено работят при фотоавтотрофни условия и могат да бъдат разделени на две основни групи: отворени или затворени системи. 90% от производството на биомаса от микроводорасли в световен мащаб се осъществява чрез отворени системи за отглеждане.
Отворените системи обикновено използват плитки водоеми, направени от подравнени канали (2-10 m широки и 15-30 cm дълбоки) под формата на прости вериги, където раздвижването се осигурява от въртящи се работни колела. Тези реактори могат лесно да бъдат разширени, а инвестиционните и експлоатационните разходи са относително ниски.
Основните недостатъци на отворените системи за отглеждане са сложността на контрола на процесите, както и невъзможността да се организират непрекъснати процеси на отглеждане. Високата податливост на замърсяване от други микроводорасли и микроорганизми, зависимостта от метеорологичните условия и дневните температурни колебания правят отворената система неподходяща за мащабно отглеждане.
Затворените фотобиореактори са проектирани да преодолеят недостатъците на отворените системи. Тези системи позволяват непрекъсната работа и предлагат по-висока производителност и качество на биомасата, както и по-висока ефективност на фотосинтезата. Изпарението се свежда до минимум чрез използването на затворена система. Тези системи обаче са трудни за мащабиране поради сложната им организация и намаляването на проникването на светлина с увеличаване на клетъчната концентрация и отстраняването на кислорода, генериран по време на фотодишането, е сериозен проблем.
Биологична активност на микроводорасли
Антитуморна активност
През последните години изследванията показват, че алгинатите, фукоиданите, зостеролът, единичните сулфатирани полизахариди, ензимите и пептидите от микроводорасли притежават противотуморна активност.
Изследователите оценяват противотуморната активност на воден екстракт от микроводорасли от канадски води срещу различни ракови клетъчни линии, включително рак на белия дроб, простатата, стомаха, гърдата, панкреаса и остеосарком. Авторите анализират способността на екстракта от микроводорасли да инхибира образуването на колонии в раковите клетки. Екстрактът от микроводорасли in vitro показва изразена анти-колониална активност.
Антимикробна активност
Микроводораслите са способни да синтезират множество метаболити с антимикробни, антивирусни и противогъбични свойства. Известно е, че много микроводорасли могат да синтезират химическа защитна система, за да оцелеят в конкурентна среда. Лутеинът и феруловата киселина, полиненаситените мастни и органични киселини, активните метаболити и други уникални биологично активни вещества, изолирани от микроводорасли, проявяват антимикробна активност.
Антиоксидантна активност
Антиоксидантът е биологична молекула, която предпазва тялото или жизненоважните съединения от окислителния процес под въздействието на радикали. Много естествени антиоксиданти често се включват в различни козметични продукти като активна съставка и за защита на техните компоненти от окислителните процеси. Уникалните каротеноиди, диметилсулфоксид, азотни съединения и феноли, изолирани от микроводорасли, притежават антиоксидантна активност.
Заключения
Според изследователите, поради голямото разнообразие на микроводорасли, висока метаболитна гъвкавост и разнообразни културни условия, техният истински потенциал все още не е напълно оценен. Изследователите, работещи с микроводорасли, са изправени пред следните задачи:
а) подобряване на фотобиореакторите;
б) подобряване на продуктивността на щамовете (методи за селекция и генно инженерство);
в) търсене на щамове с нови свойства;
г) изследване на влиянието на условията на култивиране върху съдържанието на биологично активни вещества в клетките;
д) оптимизиране на процесите на отглеждане (по-ниски разходи и по-висок добив на продукт);
е) екологизиране на производството (въвеждане на затворени производствени цикли, намаляване на отпадъците, по-пълно използване на полезни компоненти);
ж) оценка на екологичните, икономическите и медицинските рискове от увеличаване на производството.
Този раздел на статията е достъпен само за нашите абонати. Моля те Натисни тук за да се абонирате за план и можете да получите достъп до цялата статия.