Продукционные характеристики культуры диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann et Lewin в двухступенчатом хемостате
##plugins.themes.ibsscustom.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.ibsscustom.article.details##
Аннотация
В работе рассмотрены преимущества и недостатки проточного и накопительного культивирования микроводорослей. Указаны достоинства проточного культивирования, в частности в квазинепрерывном режиме в двухступенчатом хемостате. В качестве продуцента ценных веществ предложено использовать культуру бентосной диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium, которая обладает многими полезными свойствами как биологического характера, так и технологического: 1) характеризуется достаточно высокими продукционными показателями; 2) эффективно утилизирует световую энергию, что снимает ограничения на размещение производства в регионах с малым количеством солнечных дней в году; 3) характеризуется довольно низким температурным оптимумом роста, что актуально для реализации промышленных технологий на территории Российской Федерации; 4) имеет удельную плотность клеток больше единицы, поэтому они достаточно быстро оседают на дно фотобиореактора при отсутствии перемешивания культуры, что упрощает отделение биомассы от культуральной среды и снижает её себестоимость. Цель работы — изучить продукционные характеристики квазинепрерывной культуры C. closterium в двухступенчатом хемостате. Исследования проводили при температуре (20 ± 1) °C и облучённости 150 мкмоль квантов·м−2·с−1. Хемостатная установка для культивирования C. closterium состояла из двух стеклянных фотобиореакторов плоскопараллельного типа объёмом 3 л с рабочей толщиной 5 см и рабочей поверхностью каждого фотобиореактора 0,03 м². Культуру выращивали на питательной среде RS. Перемешивание осуществляли посредством барботажа воздухом (скорость — 1,5 л воздуха на 1 л культуры в мин). Культуру исследовали при различных скоростях протока питательной среды — 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9 сут−1. Рассчитаны параметры роста накопительной культуры: удельная скорость роста μн = 0,7 сут−1; время удвоения биомассы td = 0,987 сут. Максимальная продуктивность одно- и двухступенчатого хемостата была отмечена при оптимальной скорости протока 0,59 сут−1 и составила 1,348 и 1,498 г·л−1·сут−1 соответственно. Экспериментально показано, что в проточной культуре продуктивность C. closterium выше в 2,2 раза, чем в накопительной. На основе экспериментальных данных проведён расчёт максимальной удельной скорости роста μm и константы насыщения KS при лимитировании роста C. closterium кремнием; значения составили 1,05 сут−1 и 0,028 г·л−1 соответственно. Показано, что наблюдаемая потребность в кремнии в проточной культуре (Yпр = 35 мг·г−1) ниже на 7,9 %, чем в накопительной (Yн = 38 мг·г−1). Отмечено, что величи́ны μm, KS и Yпр являются важными физиологическими характеристиками диатомовой водоросли C. closterium и играют ключевую роль при проектировании промышленных систем для интенсивного культивирования микроводорослей.
Авторы
Библиографические ссылки
Геворгиз Р. Г., Железнова С. Н., Зозуля Ю. В., Уваров И. П., Репков А. П., Лелеков А. С. Промышленная технология производства биомассы морской диатомеи Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & Lewin с использованием газовихревого фотобиореактора // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2016. № 1–1. С. 73–77. [Gevorgiz R. G., Zheleznova S. N., Zozulya Yu. V., Uvarov I. P., Repkov A. P., Lelekov A. S. Industrial production technology biomass marine diatoms Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & Lewin using gas vortex photobioreactor. Aktual’nye voprosy biologicheskoi fiziki i khimii, 2016, no. 1–1, pp. 73–77. (in Russ.)]
Геворгиз Р. Г., Железнова С. Н., Никонова Л. Л., Бобко Н. И., Нехорошев М. В. Оценка плотности культуры фототрофных микроорганизмов методом йодатной окисляемости. Севастополь, 2015. 31 с. (Препринт / Институт морских биологических исследований имени А. О. Ковалевского, РАН). [Gevorgiz R. G., Zheleznova S. N., Nikonova L. L., Bobko N. I., Nekhoroshev M. V. Otsenka plotnosti kul’tury fototrofnykh mikroorganizmov metodom iodatnoi okislyaemosti. Sevastopol, 2015, 31 p. (Preprint / A. O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS). (in Russ.)]. URL: https://repository.marine-research.ru/handle/299011/43
Гительзон И. И., Фиш А. М., Чумакова Р. И., Кузнецов А. М. Максимальная скорость размножения бактерий и возможность её определения // Доклады Академии наук СССР. 1973. Т. 211, № 6. С. 1453–1455. [Gitelzon I. I., Fish A. M., Chumakova R. I., Kuznetsov A. M. Maximum reproduction rate of bacteria and the possibility of its determination. Doklady Akademii nauk SSSR, 1973, vol. 211, no. 6, pp. 1453–1455. (in Russ.)]
Железнова С. Н., Геворгиз Р. Г. Интенсивная культура диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin // Вопросы современной альгологии. 2014. № 1 (5). [Zheleznova S. N., Gevorgiz R. G. Intensive culture of diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin. Voprosy sovremennoi algologii, 2014, no. 1 (5). (in Russ.)]. URL: http://algology.ru/474
Железнова С. Н., Бобко Н. И., Геворгиз Р. Г., Нехорошев М. В. Баланс железа в плотной культуре диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & J. C. Lewin // Фундаментальные и прикладные проблемы современной экспериментальной биологии растений : сборник материалов всероссийской научной конференции с международным участием и школы для молодых учёных, посвящённых 125-летию Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева РАН, Москва, 23–27 ноября 2015 г. Москва : ИФР РАН, 2015a. С. 238–241. [Zheleznova S. N., Bobko N. I., Gevorgiz R. G., Nekhoroshev M. V. Balans zheleza v plotnoi kul’ture diatomovoi vodorosli Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & J. C. Lewin. In: Fundamental’nye i prikladnye problemy sovremennoi eksperimental’noi biologii rastenii : sbornik materialov Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem i shkoly dlya molodykh uchenykh, posvyashchennykh 125-letiyu Instituta fiziologii rastenii imeni K. A. Timiryazeva RAN, Moscow, 23–27 November, 2015. Moscow : IFR RAN, 2015a, pp. 238–241. (in Russ.)]
Железнова С. Н., Геворгиз Р. Г., Бобко Н. И., Лелеков А. С. Питательная среда для интенсивной культуры диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin – перспективного объекта биотехнологий // Актуальная биотехнология. 2015b. № 3 (14). С. 46–48. [Zheleznova S. N., Gevorgiz R. G., Bobko N. I., Lelekov A. S. The culture medium for the intensive culture of diatomic alga Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin – promising biotech facility. Aktual’naya biotekhnologiya, 2015b, no. 3 (14), pp. 46–48. (in Russ.)]
Железнова С. Н. Продукционные характеристики морской диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin в интенсивной культуре при различных источниках азота в питательной среде // Морской биологический журнал. 2019. Т. 4, № 1. С. 33–44. [Zheleznova S. N. Production characteristics of the diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin grown in an intensive culture at various nitrogen sources in the medium. Morskoj biologicheskij zhurnal, 2019, vol. 4, no. 1, pp. 33–44. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2019.04.1.04
Железнова С. Н., Геворгиз Р. Г. Измерение плотности культур диатомовых водорослей различными методами // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2020. Т. 5, № 1. С. 201–207. [Zheleznova S. N., Gevorgiz R. G. Measurement of diatom cultures density by various methods. Aktual’nye voprosy biologicheskoi fiziki i khimii, 2020, vol. 5, no. 1, pp. 201–207. (in Russ.)]
Непрерывное культивирование микроорганизмов : пер. с англ. / под ред. И. Малека, З. Фенцля. Москва : Пищевая промышленность, 1968. 546 с. [Theoretical and Methodological Basis of Continuous Culture of Microorganisms : transl. from Engl. / I. Málek, Z. Fencl (Eds). Moscow : Pishchevaya promyshlennost’, 1968, 546 p. (in Russ.)]
Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток / пер. с англ. Т. А. Петровой, И. Н. Позмоговой ; под ред. И. Л. Работновой. Москва : Мир, 1978. 330 с. [Pirt S. J. Principles of Microbe and Cell Cultivation : transl. from Engl. by T. A. Petrova, I. N. Pozmogova ; I. L. Rabotnova (Ed.). Moscow : Mir, 1978, 330 p. (in Russ.)]
Тренкеншу Р. П. Простейшие модели роста микроводорослей. 2. Квазинепрерывная культура // Экология моря. 2005. Вып. 67. С. 98–110. [Trenkenshu R. P. Simplest models of microalgae growth. 2. Queasycontinuous culture. Ekologiya morya, 2005, iss. 67, pp. 98–110. (in Russ.)]. URL: https://repository.marine-research.ru/handle/299011/4659
Фенцл З. Теоретический анализ систем непрерывных культур // Непрерывное культивирование микроорганизмов: теоретические и методологические основы : пер. с англ. / под ред. И. Малека, З. Фенцля. Москва : Пищевая промышленность, 1968. С. 64–150. [Fencl Z. Theoretical analysis of continuous culture systems. In: Theoretical and Methodological Basis of Continuous Culture of Microorganisms : transl. from Engl. / I. Málek, Z. Fencl (Eds). Moscow : Pishchevaya promyshlennost’, 1968, pp. 64–150. (in Russ.)]
Abinandan S., Subashchandrabose S. R., Venkateswarlu K., Megharaj M. Nutrient removal and biomass production: Advances in microalgal biotechnology for wastewater treatment. Critical Reviews in Biotechnology, 2018, vol. 38, iss. 8, pp. 1244–1260. https://doi.org/10.1080/07388551.2018.1472066
Baldisserotto C., Sabia A., Ferroni L., Pancaldi S. Biological aspects and biotechnological potential of marine diatoms in relation to different light regimens. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2019, vol. 35, iss. 2, art. no. 35 (9 p.). https://doi.org/10.1007/s11274-019-2607-z
Bozarth A., Maier U.-G., Zauner S. Diatoms in biotechnology: Modern tools and applications. Applied Microbiology and Biotechnology, 2009, vol. 82, iss. 2, pp. 195–201. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1804-8
de la Cuesta J. L., Manley S. L. Iodine assimilation by marine diatoms and other phytoplankton in nitrate-replete conditions. Limnology and Oceanography, 2009, vol. 54, iss. 5, pp. 1653–1664. https://doi.org/10.4319/lo.2009.54.5.1653
Creswell L. R. Phytoplankton Culture for Aquaculture Feed. [Stoneville, MS : Southern Regional Aquaculture Center], 2010, 13 p. (SRAC Publication ; no. 5004).
Guillard R. R. L., Ryther J. H. Studies of marine planktonic diatoms. I. Cyclotella nana Hustedt, and Detonula confervacea (Cleve) Gran. Canadian Journal of Microbiology, 1962, vol. 8, no. 2, pp. 229–239. https://doi.org/10.1139/m62-029
Guillard R. R. L. Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. In: Culture of Marine Invertebrates Animals / M. L. Smith, M. H. Chanley (Eds). New York : Plenum Press, 1975, pp. 29–60. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-8714-9_3
Herbert D., Elsworth R., Telling R. C. The continuous culture of bacteria; a theoretical and experimental study. The Journal of General Microbiology, 1956, vol. 14, iss. 3, pp. 601–622. https://doi.org/10.1099/00221287-14-3-601
Kiran M. T., Bhaskar M. V., Tiwari A. Phycoremediation of eutrophic lakes using diatom algae. In: Lake Sciences and Climate Change / M. N. Rashed (Ed). London : IntechOpen, 2016, pp. 103–115. https://doi.org/10.5772/64111
Lauritano C., Andersen J. H., Hansen E., Albrigtsen M., Escalera L., Esposito F., Helland K., Hanssen K. Ø., Romano G., Ianora A. Bioactivity screening of microalgae for antioxidant, anti-inflammatory, anticancer, anti-diabetes, and antibacterial activities. Frontiers in Marine Science, 2016, vol. 3, art. no. 68 (12 p.). https://doi.org/10.3389/fmars.2016.00068
Lincoln R. A., Strupinski K., Walker J. M. Biologically active compounds from diatoms. Diatom Research, 1990, vol. 5, iss. 2, pp. 337–349. https://doi.org/10.1080/0269249X.1990.9705124
Lu X., Sun H., Zhao W., Cheng K.-W., Chen F., Liu B. A hetero-photoautotrophic two-stage cultivation process for production of fucoxanthin by the marine diatom Nitzschia laevis. Marine Drugs, 2018, vol. 16, iss. 7, art. no. 219 (13 p.). https://doi.org/10.3390/md16070219
Maxon W. D. Continuous fermentation: A discussion of its principles and applications. Applied Microbiology, 1955, vol. 3, no. 2, pp. 110–122. https://doi.org/10.1128/am.3.2.110-122.1955
Methods in Microbiology / J. R. Norris, D. W. Ribbons (Eds). London ; New York : Academic Press, 1970, vol. 2, 445 p. https://doi.org/10.1016/S0580-9517(08)70210-1
Minyuk G. S., Chelebieva E. S., Chubchikova I. N. Secondary carotenogenesis of the green microalga Bracteacoccus minor (Chodat) Petrova (Chlorophyta) in a two-stage culture. International Journal on Algae, 2014, vol. 16, iss. 4, pp. 354–368. https://doi.org/10.1615/InterJAlgae.v16.i4.50
Nagappan S., Devendran S., Tsai P.-C., Dahms H.-U., Ponnusamy V. K. Potential of two-stage cultivation in microalgae biofuel production. Fuel, 2019, vol. 252, pp. 339–349. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.04.138
Patras D., Moraru C. V., Socaciu C. Screening of bioactive compounds synthesized by microalgae: A progress overview on extraction and chemical analysis. Studia Universitatis Babeș-Bolyai, Seria Chemia, 2018, vol. 63, iss. 1, pp. 21–35. http://dx.doi.org/10.24193/subbchem.2018.1.02
Salleh S., McMinn A. The effects of temperature on the photosynthetic parameters and recovery of two temperate benthic microalgae, Amphora cf. coffeaeformis and Cocconeis cf. sublittoralis (Bacillariophyceae). Journal of Phycology, 2011, vol. 47, iss. 6, pp. 1413–1424. https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2011.01079.x
Sathasivam R., Radhakrishnan R., Hashem A., Abd_Allah E. F. Microalgae metabolites: A rich source for food and medicine. Saudi Journal of Biological Sciences, 2019, vol. 26, iss. 4, pp. 709–722. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2017.11.003
Singh J., Dhar D. W. Overview of carbon capture technology: Microalgal biorefinery concept and state-of-the-art. Frontiers in Marine Science, 2019, vol. 6, art. no. 29 (9 p.). https://doi.org/10.3389/fmars.2019.00029
Stock W., Vanelslander B., Rüdiger F., Sabbe K., Vyverman W., Karsten U. Thermal niche differentiation in the benthic diatom Cylindrotheca closterium (Bacillariophyceae) complex. Frontiers in Microbiology, 2019, vol. 10, art. no. 1395 (12 p.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01395
Wang S., Chen J., Li Z., Wang Y., Fu B., Han X., Zheng L. Cultivation of the benthic microalga Prorocentrum lima for the production of diarrhetic shellfish poisoning toxins in a vertical flat photobioreactor. Bioresource Technology, 2015, vol. 179, pp. 243–248. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.12.019
Wang S., Verma S. K., Said I. H., Thomsen L., Ullrich M. S., Kuhnert N. Changes in the fucoxanthin production and protein profiles in Cylindrotheca closterium in response to blue light-emitting diode light. Microbial Cell Factories, 2018, vol. 17, art. no. 110 (13 p.). https://doi.org/10.1186/s12934-018-0957-0
Wollmann F., Dietze S., Ackermann J.‐U., Bley T., Walther T., Steingroewer J., Krujatz F. Microalgae wastewater treatment: Biological and technological approaches. Engineering in Life Sciences, 2019, vol. 19, iss. 12, pp. 860–871. https://doi.org/10.1002/elsc.201900071
Zheleznova S. N., Gevorgiz R. G., Nekhoroshev M. V. Conditions optimization of the Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann et Lewin cultivation in order to obtain a high yield of fucoxanthin. In: 3rd Russian Conference on Medicinal Chemistry, Kazan, 28 Sept. – 03 Oct., 2017 : abstr. book. Kazan : Kazan Federal University, 2017, pp. 261.
