научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

МИКРОВОДОРОСЛИ: возможности применения

Водоросли

Микроводоросли – уникальная группа фототрофных организмов, представленная многочисленными видами и широким ареалом распространения в природе (моря, реки, озера, почва). Это одноклеточные представители флоры c огромным потенциалом применения в разных отраслях науки и техники.

 В 2010 г. мировое производство биомассы микроводорослей составляло более 7000 т., основная масса которого приходилась на США, Китай, Индию, Японию, Германию, Австралию, Израиль и Тайвань. Такие виды микроводорослей, как Chlorellavulgaris, Dunaliellasalina, Haematococcuspluvialis, Crypthecodiniumcohnii и Botrrycoccusbraunii, используются в пищевой и фармацевтической промышленности, производстве косметики, биотоплива и кормов для животных.

СПЕЦИФИКА МЕТАБОЛИЗМА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ, СВЯЗАННАЯ С ПРОДУЦИРОВАНИЕМ МЕТАБОЛИТОВ с ценными для человека свойствами, сделала их важным объектом биотехнологии. Крупнейшими коммерческими производителями биомассы микроводорослей являются компании Royal, DutchShell (Гавайские острова), AlgaeBioFuels (США), Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия), Mitsubishi (Япония) и др. В Европе лидирующие позиции производства биомассы микроводорослей занимает компания Ingrepro B.V. (Голландия), имеющая большой опыт реализации технологических схем выращивания клеток микроводорослей для получения обогащенной липидами биомассы.

Клетки водорослей содержат значительное количество минеральных компонентов. Так, в биомассе спирулины содержится железо, фосфор, калий, магний, марганец, цинк, селен, а кальция в ней больше, чем в молоке. Морская одноклеточная красная водоросль порфиридиум - источник каррагинина, применяемого в пищевой промышленности, фармацевтике и как клеящее вещество в кожевенном и текстильном производстве.

Одна из актуальных задач биотехнологии - управляемый биосинтез пигментов микроводорослей, таких как хлорофиллы, каротины, ксантофиллы и др. Важно, что пигменты, получаемые из растительных компонентов, не токсичны. Наиболее перспективным источником каротина для биотехнологической промышленности признана зеленая водоросль Dunaliellasalina. В определенных условиях она способна к гиперсинтезу каротина, содержание которого в ее клетках может достигать 10%. Исследование биологии D. salina и экологических факторов, вызывающих ее переход к активному накоплению ?-каротина в естественных условиях, показало, что биосинтез этого соединения - приспособительная реакция организмов на экстремальные условия роста, к которым относятся изменение солености и минерального состава среды, температуры и освещенности, а также сочетание комплекса этих параметров. В промышленных условиях, используя принцип разобщения клеточных функций деления и фотосинтеза, при управляемом биосинтезе ?-каротина в клетках дуналиеллы можно получить большие объемы предшественника витамина А за небольшие интервалы времени. Однако технологический процесс выращивания D. salina пока далек от идеального вследствие физиолого-биохимической сложности метаболизма водорослей и его слабой изученности с точки зрения регуляции синтеза каротина в условиях промышленного процесса. Источником пигментов могут быть и сине-зеленые водоросли, из которых единственной в настоящее время микроводорослью, культивируемой для промышленного получения этих соединений, является спирулина. Ее хлорофиллы используют для окраски мыла, масел, жиров, алкогольных и безалкогольных напитков, духов, дезодорантов. В Японии хлорофиллами окрашивают рыбные пасты и другие кулинарные изделия, в Европе – масла, жиры, ароматические эссенции.

Водоросли омега-3ИЗВЕСТНЫ МНОГОЧИСЛЕННЫЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ медико-биологических, фармакологических и других исследований, демонстрирующих высокую эффективность применения микроводорослей при лечении и профилактике целого ряда заболеваний, связанных с нарушениями деятельности иммунной, эндокринной, пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной системы животных и человека. Терапевтический эффект, оказываемый Spirulina, определяется ее уникальным составом: биомасса спирулины содержит легко усваиваемый белок, свободные незаменимые аминокислоты, широкий спектр микроэлементов и минеральных солей, полиненасыщенные жирные кислоты, пигменты и пр. Препараты спирулины в виде мазей, спиртовых и масляных экстрактов, свечей и таблеток способствуют снижению холестерина в крови и риска ожирения, уменьшают нефротоксичность при воздействии тяжелых металлов и лекарств, значительно увеличивают популяции лактобацилл и бифидобактерий в кишечнике, нормализующих деятельность желудочно-кишечного тракта, снижают содержание сахара в крови при диабете. Нарастает значение водорослей и в медицине как регенераторов лечебных грязей, источников получения уникальных медицинских препаратов (заменителей крови, растворимых хирургических нитей, противодиабетических соединений).

Одно из приоритетных направлений развития биотехнологии - поиск и изучение новых, нетрадиционных источников биологически активных веществ. Данные последних лет позволяют утверждать, что водоросли можно использовать для направленного биосинтеза целого ряда соединений. Так, например, спирулина способна к синтезу йодсодержащих соединений гормональной природы – тироксина и трийодтиронина, легко усваиваемых человеческим организмом. Большой интерес представляет перспектива использования одноклеточных зеленых водорослей для биосинтеза алкалоидов, стероидов, витаминов – соединений вторичной природы. Микроводоросли успешно применяются и в химической промышленности.

Для удешевления технологий возможно применение безотходного производства при комплексной переработке биомассы микроводорослей. Продукты переработки спирулины используют также в косметологии в виде красителей, кремов, эмульгаторов, гелеобразователей и моющих средств.

Микроводоросли могут быть промышленным сырьем для получения альгиновых кислот и альгинатов, агар-агара, агароида, каррагенина, сорбита, маннита, этилового и метилового спиртов, ацетона, органических кислот, эфиров, нитроцеллюлозы, меченых аминокислот, стеролов, инсектицидов, репеллентов, дейтированных соединений. А такие полезные ископаемые, как графит, известняк, диатомиты, горючие сланцы и газы, некоторые разновидности каменного угля, возможно, нефть, образовались в минувшие геологические эпохи в результате фотосинтетической деятельности древних водорослей, в том числе и одноклеточных.

МИКРОВОДОРОСЛИ ШИРОКО ПРИМЕНЯЮТСЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ. В качестве кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве используются водоросли родов Chlorococcum, Spirogyra, Scenedesmus, Nostoc, Navicula, Nitzschia и др. Эти добавки повышают у животных иммунитет, возрастают их вес, плодовитость и выживаемость молоди, у птиц увеличиваются размеры яиц, усиливается яйценоскость. Поэтому в США фермерские хозяйства для выращивания крупного рогатого скота и птицы обеспечены водорослевыми водоемами, где отходы животноводства утилизируются водорослями. В результате 40% азота из сточных вод снова поступает в биомассу водорослей и поедается животными. А применение суспензии хлореллы и сценедесмуса в шелководстве способствует ускорению развития гусениц тутового шелкопряда, увеличивает его жизнеспособность и урожайность коконов.

 Использование водорослей для решения продовольственной проблемы, связанной с поиском эффективных путей охраны окружающей среды, позволяет уменьшить антропогенную нагрузку на водные экосистемы, являющиеся сегодня основным источником пищи для человека и животных.

Практические подходы к использованию почвенных водорослей для повышения плодородия почв развиваются в двух направлениях. Во-первых, возможно активирование автохтонного комплекса почвенных микроводорослей, поскольку данные организмы как накопители органического вещества в водных и наземных экосистемах активнее увеличивают свою биомассу при внесении в почвы минеральных удобрений, более эффективных в присутствии органического вещества, в свою очередь стимулирующего развитие самих водорослей. Например, при весенней подкормке сельскохозяйственных культур, когда удобрения вносятся на влажную поверхность почвы, происходит бурное развитие водорослей, почва покрывается зеленым налетом – "цветет". Органическое вещество водорослей разлагается быстрее растительных остатков, что делает его более доступным для других обитателей биоценоза. Второе направление в интенсификации процесса повышения плодородия почв при помощи микроводорослей – внесение живых культур этих микроорганизмов в почву (альгализация), особенно в условиях поливного земледелия. Ее проводят до посева растений или при посеве вместе с семенами (например, хлопчатника), либо водоросли вносят после посева, что особенно эффективно на рисовых полях.В лаборатории

СОГЛАСНО КОНЦЕПЦИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ, АКТУАЛЬНЫМИ ЗАДАЧАМИ общества является рациональное использование природных ресурсов, снижение экологической нагрузки и построение рациональной, экологически устойчивой и экономически обоснованной социальной системы. И наибольшую практическую значимость представляют процессы, обеспечивающие за счет утилизации существующих отходов и трансформации возобновляемых ресурсов получение коммерчески ценных продуктов безотходным способом.

Микроводоросли представляют собой достаточно эффективный преобразователь солнечной энергии с хорошо организованными стадиями восстановления СО2 до целого комплекса энергоемких биомолекул, включающих углеводы, белки, липиды, которые могут быть подвергнуты дальнейшей биотехнологической трансформации в различные целевые продукты.

Известно, что некоторые микроводоросли входят в состав активного ила и могут использовать не только СО2 в качестве основного источника углерода, но и органические соединения. Однако процессы очистки сточных вод с использованием активного ила характеризуются наличием ограничений по значениям исходных величин химического потребления кислорода (ХПК) сточных вод. Поэтому для эффективной и глубокой очистки требуется значительное разбавление исходного образца сточных вод и поддержание в системе высоких концентраций биомассы для достижения высокой скорости снижения ХПК. В процессе очистки сточных вод происходит накопление биомассы активного ила, которая характеризуется непостоянством состава из-за исходной гетерогенности микробного состава, изменяющегося в процессе обработки сточных вод. Это существенное ограничение возможностей ее последующей трансформации в другие целевые продукты. Использование избыточной биомассы активного ила также ограничивается его использованием в качестве биоудобрения в сельском хозяйстве и в качестве сырья для получения метана.

 Интересен не только сам факт очистки сточных вод, актуально и получение альтернативных вариантов биомассы и применяемой очистки с возможным последующим ее использованием в качестве сырья в различных биотехнологических процессах. Использование сточных вод, богатых биоорганическими соединениями в качестве питательных сред для культивирования микроводорослей, весьма перспективно, поскольку позволяет объединить технологии биологической очистки водных ресурсов и накопления биомассы микроводорослей, являющейся ценным сырьем для получения различных промышленных продуктов. Этот процесс может стать экономически обоснованным дополнением процесса на основе активного ила, традиционно используемого для очистки сточных вод. Важно, что при культивировании микроводорослей в сточных водах не требуется экономических и энергетических затрат, связанных с аэрацией среды.

 С НАУЧНОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ АКТУАЛЬНА РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ новых биотехнологических процессов, связанных с использованием микроводорослей в процессах очистки сточных вод с последующей трансформацией полученной таким образом возобновляемой биомассы в коммерчески значимые продукты.

 Микроводоросли являются и основным источником получения полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), так называемых омега жирных кислот, играющих чрезвычайно важную роль в развитии человеческого организма и используемых в качестве добавок к детским молочным смесям, они снижают и риски кардиоваскулярных заболеваний.

 Рыба и рыбий жир – основные источники ПНЖК, но их использование в качестве пищевой добавки ограничено рядом факторов. Это возможное накопление токсинов, неприятные запах и вкус рыбы, плохая устойчивость к окислению, наличие смешанных жирных кислот и невозможность употребления в вегетарианской диете. Уже сейчас единственным коммерческим источником получения докозагексаеновой кислоты являются микроводоросли, а другие кислоты, такие как эйкозапентаеновая, g-линоленовая и арахидоновая, находятся на стадии оптимизации получения с участием микроводорослей.

 Микроводорослям отводят важную роль в решении ряда глобальных проблем, волнующих все человечество: продовольственной, медицинской, энергетической, охраны окружающей среды, освоения космического пространства и пр. Возможности широкомасштабного промышленного производства биомассы микроводорослей и расширение спектра их использования выдвигают ряд задач перед экологами, микробиологами и биотехнологами в области поиска высокопродуктивных штаммов и оптимизации условий их культивирования. Охрана и рациональное использование полезных видов и предотвращение нежелательных биологических явлений, вызываемых водорослями, возможны лишь при условии глубокого познания альгофлоры, изучения закономерностей распределения и развития водорослей в наземных и водных экосистемах с учетом их физиолого-биохимических и эколого-биологических особенностей.

Виген ГОГИНЯН, заведующий лабораторией фотосинтезирующих микроорганизмов Научно-производственного центра "Армбиотехнология" НАН РА, кандидат ветеринарных наук

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 6463 раз
Оцените материал
(7 голосов)
Другие материалы в этой категории: « ВОЗМОЖНОСТИ БЕССОЗНАТЕЛЬНОГО МЕДНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх