Микроводоросли или микроскопические водоросли растут в морских или пресноводных системах. Они являются основными производителями в океанах, которые преобразуют воду и углекислый газ в биомассу и кислород в присутствии солнечного света. [2]
Самое древнее задокументированное использование микроводорослей имело место 2000 лет назад, когда китайцы использовали цианобактерию Nostoc в качестве источника пищи во время голода. [3] Другой тип микроводорослей, цианобактерия Arthrospira ( Spirulina ), был распространенным источником пищи среди населения Чада и ацтеков в Мексике еще в 16 веке. [4]
Сегодня культивируемые микроводоросли используются в качестве прямого корма для людей и сельскохозяйственных животных, а также в качестве корма для культивируемых водных видов, таких как моллюски и ранние личиночные стадии рыб и ракообразных. [5] Это потенциальный кандидат для производства биотоплива . [6] Микроводоросли могут расти в 20 или 30 раз быстрее, чем традиционные продовольственные культуры, и им не нужно конкурировать за пахотные земли. [6] [7] Поскольку производство микроводорослей является центральным для многих коммерческих применений, существует потребность в производственных методах, которые повышают производительность и являются экономически выгодными.
Разновидность | Приложение |
---|---|
Chaetoceros sp. [8] | Аквакультура [8] |
Хлорелла обыкновенная [9] | Источник природных антиоксидантов , [9] высокое содержание белка |
Дуналиелла солоноводная [10] | Вырабатывают каротиноиды ( β-каротин ) [10] |
Гематококк зр. [11] | Вырабатывают каротиноиды ( β-каротин ), астаксантин , кантаксантин [11] |
Phaeodactylum tricornutum [9] | Источник антиоксидантов [9] |
Порфиридий круентум [9] | Источник антиоксидантов [9] |
Роделла вид [8] | Краситель для косметики [8] |
Skeletonema sp [8] | Аквакультура [8] |
Arthrospira maxima [12] | Высокое содержание белка – Пищевая добавка [12] |
Arthrospira platensis [12] | Высокое содержание белка – Пищевая добавка [12] |
Ряд видов микроводорослей выращивается в инкубаторах и используется различными способами в коммерческих целях. Исследования оценили основные факторы успеха системы инкубатора микроводорослей, такие как размеры контейнера/биореактора, где выращиваются микроводоросли, воздействие света/ облучение и концентрация клеток внутри реактора. [13]
Этот метод применяется с 1950-х годов по всему Коннектикуму США. [14] Существует два основных преимущества культивирования микроводорослей с использованием системы открытых прудов . [15] Во-первых, систему открытых прудов легче построить и эксплуатировать. [15] Во-вторых, открытые пруды дешевле закрытых биореакторов, поскольку закрытым биореакторам требуется система охлаждения. [15] Однако недостатком использования систем открытых прудов является снижение производительности некоторых коммерчески важных штаммов, таких как Arthrospira sp. , где оптимальный рост ограничен температурой. [13] При этом можно использовать отходящее тепло и CO2 из промышленных источников, чтобы компенсировать это. [16] [17] [18] [19]
Этот метод используется при выращивании и производстве микроводорослей на открытом воздухе; где воздух перемещается внутри системы для циркуляции воды, где растут микроводоросли. [15] Культура выращивается в прозрачных трубках, которые лежат горизонтально на земле и соединены сетью трубок. [15] Воздух пропускается через трубку таким образом, что он выходит из конца, который находится внутри реактора, содержащего культуру, и создает эффект перемешивания. [15]
Наибольшее преимущество культивирования микроводорослей в закрытой системе заключается в контроле над физической, химической и биологической средой культивирования. [13] Это означает, что факторы, которые трудно контролировать в открытых прудовых системах, такие как испарение, температурные градиенты и защита от загрязнения окружающей среды, делают закрытые реакторы более предпочтительными, чем открытые системы. [13] Фотобиореакторы являются основным примером закрытой системы, в которой можно контролировать абиотические факторы. На сегодняшний день было протестировано несколько закрытых систем для целей культивирования микроводорослей, несколько важных из них упомянуты ниже:
Эта система включает в себя трубки, уложенные на землю, чтобы сформировать сеть петель. Смешивание суспензионной культуры микроводорослей происходит с помощью насоса, который поднимает культуру вертикально через определенные интервалы времени в фотобиореактор . Исследования показали, что импульсное перемешивание через определенные интервалы дает лучшие результаты, чем использование непрерывного перемешивания. Фотобиореакторы также связаны с лучшей производительностью, чем системы открытых прудов, поскольку они могут поддерживать лучшие температурные градиенты. [13] Пример, отмеченный в более высокой производительности Arthrospira sp., используемой в качестве пищевой добавки, был приписан более высокой производительности из-за более подходящего температурного диапазона и более длительного периода выращивания в течение летних месяцев. [13]
Эти реакторы используют вертикальные полиэтиленовые рукава, подвешенные к железной раме. Стеклянные трубки также могут использоваться в качестве альтернативы. Микроводоросли также культивируются в вертикальных альвеолярных панелях (VAP), которые являются типом фотобиореактора . [13] Этот фотобиореактор характеризуется низкой производительностью. Однако эту проблему можно преодолеть, изменив соотношение площади поверхности к объему ; более высокое соотношение может увеличить производительность. [13] Смешивание и дезоксигенация являются недостатками этой системы и могут быть устранены путем непрерывного барботирования воздуха со средней скоростью потока. Два основных типа вертикальных фотобиореакторов — это проточный VAP и барботажная колонна VAP. [13]
Используя электрокаталитический процесс для производства ацетата из воды, электричества и углекислого газа, который затем используется водорослями в качестве источника пищи, солнечный свет и фотосинтез больше не требуются. Метод все еще находится на ранней стадии, но эксперименты с водорослями, такими как Chlamydomonas reinhardtii, оказались многообещающими. [20] [21]
Реакторы с плоскими пластинами (FPR) построены с использованием узких панелей и размещены горизонтально для максимального поступления солнечного света в систему. [22] Концепция FPR заключается в увеличении отношения площади поверхности к объему, чтобы солнечный свет использовался эффективно. [15] [22] Первоначально считалось, что эта система культивирования микроводорослей будет дорогой и неспособной циркулировать культуру. [22] Поэтому FPR считались в целом нецелесообразными для коммерческого производства микроводорослей. Однако экспериментальная система FPR в 1980-х годах использовала циркуляцию внутри культуры из блока газообмена через горизонтальные панели. [22] Это решает проблемы циркуляции и обеспечивает преимущество открытого блока переноса газа, который снижает накопление кислорода. [22] Примеры успешного использования FPR можно увидеть в производстве Nannochloropsis sp., используемого из-за его высокого уровня астаксантина . [23]
Реакторы ферментерного типа (FTR) — это биореакторы, в которых осуществляется ферментация . FTR не получили большого развития в выращивании микроводорослей и представляют собой недостаток в отношении площади поверхности к объему и сниженной эффективности использования солнечного света. [15] [22] FTR были разработаны с использованием комбинации солнечного и искусственного света, что привело к снижению производственных затрат. [22] Однако информация, доступная по крупномасштабным аналогам разрабатываемых лабораторных систем, весьма ограничена. [22] Главное преимущество заключается в том, что внешние факторы, т. е. свет, можно контролировать, а производительность можно повысить, так что FTR может стать альтернативой для продуктов для фармацевтической промышленности. [22]
Микроводоросли являются важным источником питания и широко используются в аквакультуре других организмов, либо напрямую, либо в качестве дополнительного источника основных питательных веществ. Аквакультурные фермы, выращивающие личинки моллюсков , иглокожих , ракообразных и рыб, используют микроводоросли в качестве источника питания. Биомасса с низким содержанием бактерий и высоким содержанием микроводорослей является важнейшим источником пищи для аквакультуры моллюсков. [24]
Микроводоросли могут стать началом цепочки дальнейших процессов аквакультуры. Например, микроводоросли являются важным источником пищи в аквакультуре артемии . Артемия производит спящие яйца, называемые цистами , которые могут храниться в течение длительного времени, а затем вылупляться по требованию, чтобы обеспечить удобную форму живого корма для аквакультуры личинок рыб и ракообразных. [25] [26]
Другие применения микроводорослей в аквакультуре включают повышение эстетической привлекательности рыб, разводимых в неволе. [24] Один из таких примеров можно отметить в аквакультуре лосося , где микроводоросли используются для придания мясу лосося более розового цвета. [24] Это достигается путем добавления в рацион сельскохозяйственных животных натуральных пигментов, содержащих каротиноиды, такие как астаксантин, вырабатываемый из микроводорослей Haematococcus . [27] Два вида микроводорослей, I. galbana и C. calcitrans, в основном состоят из белков, которые используются для придания яркости окраске лососю и родственным видам. [28]
Основными видами микроводорослей, выращиваемых в качестве здоровой пищи, являются хлорелла и спирулина ( Arthrospira platensis ). Основные формы производства происходят в небольших прудах с искусственными миксерами. [10] Arthrospira platensis — сине-зеленая микроводоросль с долгой историей использования в качестве источника пищи в Восточной Африке и доколониальной Мексике. Спирулина богата белком и другими питательными веществами, находит применение в качестве пищевой добавки и при недоедании. Она процветает в открытых системах, и коммерческие производители обнаружили, что она хорошо подходит для выращивания. Одним из крупнейших мест производства является озеро Тескоко в центральной Мексике. [29] Растения производят различные питательные вещества и большое количество белка и часто используются в коммерческих целях в качестве пищевой добавки. [30] [31] Хлорелла имеет схожие питательные свойства со спирулиной и очень популярна в Японии . Она также используется в качестве пищевой добавки с возможным влиянием на скорость метаболизма . [32]
Производство длинноцепочечных омега-3 жирных кислот, важных для питания человека, также может быть культивировано с помощью систем инкубации микроводорослей . [33]
Австралийские ученые из Университета Флиндерс в Аделаиде экспериментировали с использованием морских микроводорослей для производства белков для потребления человеком, создавая такие продукты, как « икра », веганские бургеры, искусственное мясо , джемы и другие пищевые пасты . Манипулируя микроводорослями в лаборатории , можно увеличить содержание белка и других питательных веществ , а также изменить вкусы, чтобы сделать их более вкусными. Эти продукты оставляют гораздо меньший углеродный след , чем другие формы белка, поскольку микроводоросли поглощают, а не производят углекислый газ , который способствует образованию парниковых газов . [34]
Для того чтобы удовлетворить потребности в ископаемом топливе , изучаются альтернативные виды топлива. Биодизель и биоэтанол являются возобновляемыми видами биотоплива с большим потенциалом, которые важны в текущих исследованиях. Однако возобновляемое топливо на основе сельского хозяйства может быть не полностью устойчивым и, таким образом, не сможет заменить ископаемое топливо. Микроводоросли могут быть чрезвычайно богаты маслами (до 80% сухого веса биомассы ), подходящими для преобразования в топливо. Кроме того, микроводоросли более продуктивны, чем сельскохозяйственные культуры на суше, и поэтому могут быть более устойчивыми в долгосрочной перспективе. Микроводоросли для производства биотоплива в основном производятся с использованием трубчатых фотобиореакторов . [2]
Новые биоактивные химические соединения могут быть выделены из микроводорослей, таких как сульфатированные полисахариды . Эти соединения включают фукоиданы , каррагинаны и ульваны , которые используются из-за их полезных свойств. Эти свойства являются антикоагулянтами , антиоксидантами , противораковыми средствами, которые проверяются в медицинских исследованиях. [35]
Красные микроводоросли характеризуются пигментами, называемыми фикобилипротеинами , которые содержат натуральные красители, используемые в фармацевтических препаратах и/или косметике . [36]
Сине-зеленые водоросли впервые использовались в качестве средства фиксации азота, позволяя цианобактериям размножаться в почве, действуя как биоудобрение . Фиксация азота важна как средство, позволяющее неорганическим соединениям , таким как азот , преобразовываться в органические формы, которые затем могут использоваться растениями. [37] Использование цианобактерий является экономически обоснованным и экологически чистым методом повышения производительности. [38] Этот метод использовался для производства риса в Индии и Иране, используя азотфиксирующие свойства свободно живущих цианобактерий для пополнения содержания азота в почвах. [37] [38]
Микроводоросли являются источником ценных молекул, таких как изотопы , т.е. химические варианты элемента, которые содержат различные нейтроны. Микроводоросли могут эффективно включать изотопы углерода ( 13 C), азота ( 15 N) и водорода ( 2 H) в свою биомассу. [39] 13 C и 15 N используются для отслеживания потока углерода между различными трофическими уровнями/пищевыми цепями. [40] Изотопы углерода, азота и серы также могут использоваться для определения нарушений в донных сообществах, которые в противном случае трудно изучить. [40]
Хрупкость клеток является самой большой проблемой, которая ограничивает производительность закрытых фотобиореакторов . [41] Повреждение клеток может быть связано с турбулентным потоком внутри биореактора , который необходим для создания перемешивания, чтобы свет был доступен всем клеткам. [41]