ОБЗОР ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ CHLORELLA VULGARIS

АННОТАЦИЯ

В последнее время микроводоросли широко используются как в промышленных, так и в научных целях. Существуют различные области применения микроводорослей, такие как пищевая промышленность, биоэнергетика, сельскохозяйственная деятельность и фармацевтика.

При разработке оптимального процесса культивирования Chlorella vulgaris обычно рассматриваются два основных аспекта: внешние факторы, такие как температура, интенсивность света, pH, аэрация, перемешивание; и выбор подходящего питательного вещества. Питательные вещества могут выступать ограничивающими факторами, влияющими на качество и количество биомассы в микроводорослях. Таким образом, анализ и оптимизация среды необходимы, чтобы определить применимость такого состава для культивирования водорослей.

Ключевые слова: chlorella vulgaris, фотобиореактор, питательная среда, bold basal, микроводоросли, культивирование, биомасса, биологически активные добавки.

В данной статье рассмотрены среды, наиболее часто используемые для культивирования Chlorella vulgaris, и как следствие наиболее подходящие для данной культуры: среды Люка, Тамия, BG-11, TAP, TR, Chlorella medium, ЧУ-10, Мурасиго, Скуга и среда Болда. Их сравнение и интерпретация результатов проведенных исследований культивирования различных штаммов Chlorella vulgaris позволит подобрать оптимальный состав среды для выращивания культуры в фотобиореакторе. Также в статье было рассмотрено влияние витаминных добавок на рост Chlorella vulgaris при внесении в стандартные питательные среды на примере добавления нитрата калия, селенита натрия, препарата Мелафен и Ионосорб. Также было рассмотрено создание питательной среды модифицированного состава при помощи подбора компонентов.

Среда Люка для выращивания водорослей с использованием ионита «Ионосорб™» и куриного помета (RU 2556126). Недостатком этой среды является необходимость использования ионита, который достаточно сложно прибрести. Куриный помет относится к отходам III класса опасности, его гашение требует специальных навыков и тщательного соблюдения техники безопасности [1].

 Наиболее распространенной сегодня является питательная среда Тамия. В её составе есть основные питательные компоненты, необходимые для выращивания микроводорослей, при этом, среда Тамия не является универсальной. Поэтому рационально использовать состав данной среды для дальнейшей оптимизации и ориентироваться на заданные компоненты.

У питательных сред Тамия модифицированная, Бенеке, BG-11, ТАР и TP относительно низкий темп прироста биомассы, а также при длительном культивировании происходит угнетение жизнедеятельности и гибель хлореллы (вследствие нехватки неорганических веществ).

В исследовании [2] при выращивании штамма Chlorella vulgaris 2714 на средах BG11, TAP и TP наибольший прирост биомассы составил на среде TAP. Но при культивировании культивирования штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 наибольший прирост произошел на модифицированной среде Тамийя, содержащая в составе в качестве источника азота нитрат калия в концентрации 231 мг азота на 1 л среды.

В источнике [3] максимальная величина биомассы хлореллы Chl. vulgaris, штамм IBCЕ C–19 отмечена при ее выращивании на питательных средах Chlorella medium и BG–11. Но, если целью культивирования является максимальное содержание каротиноидов и хлорофилла, то наиболее подходящей является модифицированная среда Тамийя с добавкой удобрения “Kristallon”, так как на данной модифицированной среде произошло наибольшее накопление каротиноидов и хлорофилла по сравнению с контролем.

Результаты проведенных исследований [4] показывают, что лучшей питательной средой для Chlorella vulgaris стала питательная среда ЧУ-10. Питательные среды Мурасиго, Скуга и Болда показали одинаковые результаты по всем показателям. Питательная среда позволила получить более высокое содержание сухого вещества 97,5 г/100 л, большее количество клеток Chlorella 11,9 шт./мл и хлорофилла 17,0 мг/л в сравнении с контрольным вариантом средой Мурасиго, Скуга и средой Болда.

Для повышения прироста биомассы хлореллы к готовым средам возможно применение биологически активных добавок. При исследовании влияния меламиновой соли-бис(оксиметил)фосфиновой кислоты (препарата Мелафен) выяснено, что внесение названного реагента в дозировках 1•10^-4 и 1•10^-5 г/дм3 способствует увеличению количества клеток хлореллы по сравнению с образцом, не содержащим биологически активного вещества [5].

На рост биомассы добавление селенита натрия в среду Тамия оказывало определенное положительное влияние на рост хлореллы [6]. Наблюдениями за ростом микроводорослей хлореллы в присутствии в составе питательной среды различных концентраций селенита натрия показали, что на интенсивность роста хлореллы оказывает влияние уровень его концентрации из расчета 2,5 мг/мл, что превышал фоновые показатели 16,7 раз в стандартной среде Тамия.

Оптимизировать питательную среду возможно при помощи добавления азотсодержащих соединений. [8] В исследовании [7] для этого применялись модифицированные питательные среды Тамийя, в которых в качестве источника азота использовались: нитрат калия в первом эксперименте, хлорид аммония - во втором и мочевина - в третьем. Результаты эксперимента показывают, что в качестве источника азотсодержащих соединений для накопления биомассы оптимально подходит нитрат калия, обеспечивающий двукратный прирост биомассы на 7-й день культивирования по сравнению со средой с мочевиной и более чем пятидесятикратный - при использовании питательной среды с хлоридом аммония.

Установлено, что качественные и количественные характеристики микроводорослей напрямую зависят от компонентов питательной среды и их оптимально подобранных концентраций, что оказывает непосредственное влияние на процесс фотосинтеза и интенсивность метаболизма. Тем самым питательную среду можно оптимизировать по множественным параметрам. Например, в исследовании [9] был произведен тщательный подбор компонентов, в результате которого была разработана модифицированная среда с составом: макроэлементы (г/л) KNO3 – 1.25, MgSO4×7H2O – 0.6, KH2PO4 – 0.3; микроэлементы (мг/л): FeSO4×7Н2O – 5.0, Са(NO3)2 – 10.0, Co(NO3)2×6H2O – 0.02, CuSO4×5H2O – 0.01, ZnSO4×7Н2O – 0.04, MnSO4 – 1.0, Н3ВО3 – 0.6, (NH4)6Mo7O24×4H2O – 0.5; Трилон Б – 5.0. В составе опытной среды использовались те же макро- и микроэлементы, что и в контроле, при этом концентрации макроэлементов в опыте уменьшали в определенной пропорции по отношению к концентрациям макроэлементов в контроле. Для этого количество каждого макроэлемента уменьшали в два раза по сравнению с аналогичными концентрациями макроэлементов в контрольной среде. В результате новая модифицированная среда за 72 ч культивирования суспензии хлореллы показала наибольшее увеличение количества клеток микроводоросли (62.5 млн/мл) в суспензии относительно контроля (53.2 млн/мл).

Также была рассмотрена модифицированная питательная среда №2 на основе мочевины (карбамида) в количестве 300 мг/л в качестве источника азотсодержащих соединений, аммофос 150 мг/л, сульфат калия 150 мг/л, ацетат натрия 100 мг/л, гидроортофосфат калия 100 мг/л [10]. В статье рассматривалась перспектива использования хлореллы при очистке сточных вод, в которой содержится альтернативный источник азотсодержащих соединений (мочевина), и не производилось сравнения с другими питательными средами.

Большинство рассмотренных питательных сред либо неблагоприятны для длительного домашнего использования, либо состоят дорогостоящих и труднодоступных компонентов, что неоправданно приводят к удорожанию процесса. Исходя из изученных источников, были проанализированы составы всех рассмотренных питательных сред. Наиболее близкой по составу и эффективности оказалась питательная среда Болда, которая наиболее проста в изготовлении и наиболее благоприятна для длительного домашнего культивирования Chlorella vulgaris. Среда Болда продемонстрировала неплохие темпы роста культуры, имеет оптимальный состав из достаточно доступных и нескоропортящиеся компонентов. Может использоваться как самостоятельная питательная среда, так и как база для создания комплексных сред. Итоговая стоимость оптимальна для нашего технологического процесса, поэтому использование среды Болда рационально и оправдано для длительного домашнего культивирования Chlorella vulgaris в фотобиореакторе.

В данной статье были рассмотрены исключительно составы питательных сред, наиболее подходящих для культивирования. В исследованиях использовались различные штаммы Chlorella vulgaris, которые культивируются при разных условиях, в связи с этим результаты могут варьироваться. Поэтому при подборе питательной среды необходимо отталкиваться от конкретного штамма микроорганизмов. Также при учете внешних факторов, таких как температура, интенсивность света, pH, аэрация и перемешивание, результаты исследований могут кардинально меняться. Поэтому процесс стоит рассматривать как многофакторный, учитывать внешние условия и оптимизировать культивирование под конкретный аппарат, выбранный штамм, и удовлетворять конечной цели процесса.

Список литературы:

1. Гайсина Л.А., Фазлутдинова А.И., Кабиров P.P. Современные методы выделения и культивирования водорослей: учебное пособие. Уфа: Изд-во БГПУ, 2008. 152 с.
2. Д. С. Дворецкий, Е. В. Пешкова, М. С. Темнов. Экспериментальное исследование и моделирование роста микроводорослей штамма chlorella vulgaris ифр № с-111. Вестник ТГТУ. 2014. Том 20. № 4.
3. Дмитрович Н.П., Крыльчук А.С., Симончик Н.А. Влияние питательной среды и интенсивности барботажа на динамику физиологических параметров роста хлореллы. Полесский государственный университет, г. Пинск, Республика Беларусь.
4. Скрябин А.А., Фрольцова И.Н. Накопление сухого вещества культуры chlorella vulgaris в зависимости от условий выращивания, УДК 57.083.31:620.165.1:54.057
5. Джамолов Ф.Б., Фазуллина А.А., Матвеев А.С., Фридланд С.В. Интенсификация роста микроводоросли chlorellavulgaris с использованием фосфорорганических соединений в низких концентрациях. Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №8
6. Зухрабова Л.М., Галиева А.М. Оптимизация биотехнологии выращивания хлореллы в лабораторных условиях. Ученые записки КГАВМ им. Н.Э. Баумана. 2014. №1.
7. Dvoretsky D. S., Peshkova E. V., Temnov M. S. Experimental definition of technological modes of growth of biomass of a microalga Chlorella with the raised contents Lipids agricultural animals // ТППП АПК. 2014. №2.
8. Нагорнов Станислав Александрович, Мещерякова Юлия Владимировна Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиореакторе // Вестник ТГТУ. 2015. №4
9. Богданова Алена Андреевна, Флёрова Екатерина Александровна, Паюта Александра Александровна Влияние условий культивирования на качественные и количественные показатели Chlorella vulgaris // Химия растительного сырья. 2019. №4.
10. И.В. Грибовская, Г.С. Калачёва, Л.С. Тирранен, А.А. Колмакова, Ю.И Баянова. Использование урины в питании Chlorella vulgaris. Journal of Siberian Federal University. Biology 3 (2011 4) 243-256