Эффективность фиксации углерода в биомассе Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & J. C. Lewin (Bacillariophyceae) в условиях накопительного культивирования
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Аннотация
Эффективность утилизации углерода является важной характеристикой объекта культивирования. Известно, что диатомовая водоросль Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & J. C. Lewin может эффективно использовать углерод из водной среды, так как имеет множество уникальных карбоноангидраз и углеродных транспортёров. Между тем эффективность фиксации углерода для многих видов диатомей в культуре по-прежнему неизвестна. Для её расчёта ряд авторов используют разную терминологию и способы, что приводит к значительным трудностям при сравнении эффективности фиксации углерода в биомассе различных видов микроводорослей. Цели работы: 1) на основе современных представлений о фиксации углерода в биомассе микроводорослей, а также о поглощении неорганического углерода культурой микроводорослей актуализировать используемые в литературе термины и определения; 2) оценить эффективность фиксации углерода в биомассе диатомеи C. closterium в условиях накопительного культивирования. Культуру C. closterium выращивали при температуре +20 °C в интенсивном режиме на питательной среде RS. В процессе выращивания культуру барботировали воздухом (1,1 л воздуха на 1 л культуры в минуту). Температура воздуха на выходе из суспензии составляла +19 °C, максимальная продуктивность культуры — 1,254 г·л−1·сут−1. По результатам CHN-анализа, доля углерода в сухой биомассе C. closterium составляла 23 %. В условиях накопительного культивирования у C. closterium эффективность фиксации углерода в биомассе достигла 90 %. По сравнению с другими видами водорослей C. closterium характеризуется достаточно высокой эффективностью фиксации CO2. Так, у зелёных микроводорослей Chlorella protothecoides и Ch. vulgaris эффективность фиксации CO2 составляет 20 % и 55,3 % соответственно, у цианобактерии Spirulina sp. — 38 %, у красной микроводоросли Porphyridium purpureum — 69 %. Отмечено, что для обеспечения прироста 1 г сухой биомассы C. closterium в сутки при температуре +19 °C необходимо затратить минимум 0,46 л CO2, или 1132 л воздуха. Возможно, именно высокая эффективность фиксации углерода, а также низкая доля углерода в биомассе C. closterium позволяют объяснить высокие продукционные показатели этого вида. В равных условиях культивирования по свету и обеспеченности углеродом продуктивность C. closterium может превышать продуктивность других видов микроводорослей в 5–10 раз. Так, у Spirulina sp. продуктивность достигает 0,2 г·л−1·сут−1, у C. closterium — 1,254 г·л−1·сут−1.
Авторы
Библиографические ссылки
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 / Ин-т морских биологических исследований 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. (Priprint / Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS). (in Russ.)]. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/43
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’nyye voprosy biologicheskoy fiziki i khimii, 2016, no. 1–1, pp. 73–77. (in Russ.)]
Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2018 году». Москва : Минприроды России ; НПП «Кадастр», 2019. 844 с. [Gosudarstvennyi doklad “O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchei sredy Rossiiskoi Federatsii v 2018 godu”. Moscow : Minprirody Rossii ; NPP “Kadastr”, 2019, 844 p. (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, iss. 1, pp. 33–44. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2019.04.1.04
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. 2015. № 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, 2015, no. 3 (14), pp. 46–48. (in Russ.)]
Лелеков А. С., Гудвилович И. Н., Геворгиз Р. Г., Тренкеншу Р. П., Бадисова А. О. Оценка коэффициента абсорбции углерода культурой Porphyridium purpureum (Bory) Ross // Морские биологические исследования: достижения и перспективы : в 3-х т. : сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, приуроч. к 145-летию Севастопольской биологической станции, Севастополь, 19–24 сентября 2016 г. Севастополь, 2016. Т. 3. С. 404–407. [Lelekov A. S., Gudvilovich I. N., Gevorgiz R. G., Trenkenshu R. P., Badisova A. O. Evaluation of carbon absorption coefficient by Porphyridium purpureum (Bory) Ross. In: Morskie biologicheskie issledovaniya: dostizheniya i perspektivy : v 3-kh t. : sb. materialov Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem, priuroch. k 145-letiyu Sevastopol’skoi biologicheskoi stantsii, Sevastopol, 19–24 Sept., 2016. Sevastopol, 2016, vol. 3, pp. 404–407. (in Russ.)]
Klinthong W., Yang Y./̄H., Huang C./̄H., Tan C./̄S. A review: Microalgae and their applications in CO2 capture and renewable energy. Aerosol and Air Quality Research, 2015, vol. 15, iss. 2, pp. 712–742. https://doi.org/10.4209/aaqr.2014.11.0299
Kroth P. G., Chiovitti A., Gruber A., Martin-Jezequel V., Mock T., Parker M. S., Stanley M. S., Kaplan A., Caron L., Weber T., Maheswari U., Armbrust E. V., Bowler C. A. Model for carbohydrate metabolism in the diatom Phaeodactylum tricornutum deduced from comparative whole genome analysis. PLoS One, 2008, vol. 3, iss. 1, article e1426. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0001426
Lauritano C., Ferrante M. I., Rogato A. Marine natural products from microalgae: An -omics overview. Marine Drugs, 2019, vol. 17, iss. 5, pp. 269 (18 p.). https://doi.org/10.3390/md17050269
Liu S., Elvira P., Wang Y., Wang W. Growth and nutrient utilization of green algae in batch and semicontinuous autotrophic cultivation under high CO2 concentration. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2019, vol. 188, iss. 3, pp. 836–853. https://doi.org/10.1007/s12010-018-02940-9
Martínez Andrade K. A., Lauritano C., Romano G., Ianora A. Marine microalgae with anti-cancer properties. Marine Drugs, 2018, vol. 16, iss. 5, pp. 165 (17 p.). https://doi.org/10.3390/md16050165
Matsuda Y., Hopkinson B. M., Nakajima K., Dupont C. L., Tsuji Y. Mechanisms of carbon dioxide acquisition and CO2 sensing in marine diatoms: A gateway to carbon metabolism. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2017, vol. 372, pp. 1–12. https://doi.org/10.1098/rstb.2016.0403
Obata T., Fernie A. R., Nunes-Nesi A. The central carbon and energy metabolism of marine diatoms. Metabolites, 2013, vol. 3, iss. 2, pp. 325–346. https://doi.org/10.3390/metabo3020325
Priyadarshani I., Rath B. Bioactive compounds from microalgae and cyanobacteria: Utility and applications. International Journal of Pharma Sciences and Research, 2012, vol. 3, iss. 11, pp. 4123–4130. https://doi.org/10.13040/IJPSR.0975-8232.3(11).4123-30
Quigg A., Finkel Z. V., Irwin A. J., Rosenthal Y., Ho T./̄Y., Reinfelder J. R., Schofield O., Morel F. M., Falkowski P. G. The evolutionary inheritance of elemental stoichiometry in marine phytoplankton. Nature, 2003, vol. 425, pp. 291–294. https://doi.org/10.1038/nature01953
Ryabushko V. I., Zheleznova S. N., Gevorgiz R. G., Bobko N. I., Lelekov A. S. The medium for intensive culture of the diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin (Bacillariophyta). International Journal on Algae, 2016, vol. 18, iss. 3, pp. 279–286. https://doi.org/10.1615/InterJAlgae.v18.i3.70
Suman K., Kiran T., Devi U. K., Sarma N. S. Culture medium optimization and lipid of Cylindrotheca, a lipid- and polyunsaturated fatty acid-rich pennate diatom and potential source of eicosapentaenoic acid. Botanica Marina, 2012, vol. 55, iss. 3, pp. 289–299. https://doi.org/10.1515/bot-2011-0076
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, article no. 110 (13 p.). https://doi.org/10.1186/s12934-018-0957-0
Ying L., Kang-sen M., Shi-chun S. Effects of harvest stage on the total lipid and fatty acid composition of four Cylindrotheca strains. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2002, vol. 20, iss. 2, pp. 157–161. https://doi.org/10.1007/BF02849653
Zhang H., Tang Y., Zhang Y., Zhang S., Qu J., Wang X., Kong R., Han C., Liu Z. Fucoxanthin: A promising medicinal and nutritional ingredient. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine, 2015, Article ID 723515 (10 p.) http://dx.doi.org/10.1155/2015/723515
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.
