Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фізіологія рослин та біотехнологія. Досягнення і перспективи розвитку
Мікроводорості, їх культивування. Шолопчно активні речовини водоростей і якість води

Значення культури водоростей в фізіолого-біохімічних дослідженнях і той факт, що вони, як основна фотосинтезуюча ланка екосистем, відіграють найважливішу роль у формуванні хімічного складу та запасів органічних речовин водойм, посилило інтерес до їх вивчення в останні десятиріччя.

Серед метаболітів водоростей виявлено речовини з алергенним, мутагенним та канцерогенним ефектами, антигормональною, ріст-стимулюючою, бактерицидною, інсектицидною, фунгіцидною та альгіцидною активністю (Сіренко, Козицька, 1988). В зв’язку з цим, вивчення та препаративне виділення цих сполук має не лише теоретичне, а і велике практичне значення в біотехнології.

За останні тридцять років на хімічно стандартних поживних середовищах вирощували різні види мікроводоростей з метою одержання їх метаболітів, найчастіше вторинних, які мають практичну цінність: Spirulina — джерело цінних білків, вітамінів, вуглеводів та γ-лінолевої кислоти; Dunalliella — джерело (β-каротину та гліцерину; Porphyridium — джерело поліцукрів, арахідонової кислоти; Chlamidomonas — джерело поліцукрів, структуроутворювач грунту; різні види синьозелених водоростей — азотфіксатори, джерело аміаку.

В останні роки надзвичайно популярною стала мікроводорость Spirulina,. клітини якої містять значну кількість високоякісного білка. За амінокислотним складом їх білок наближається до кращих білкових стандартів, встановлених ФАО. В ньому ідентифіковано 9 незамінних і стільки ж інших амінокислот, що робить спіруліну виключно цінним харчовим продуктом. її продуктивність досить висока. Так, з 1 м² водойми за день можна одержати до 20 г сухої речовини, що в перерахунку на рік перевищує врожайність пшениці майже в 10 разів.

У багатьох країнах водорості використовують як вітамінну добавку до кормів, а також як добрива. Біомаса збагачує грунт фосфором, калієм, йодом, мікроелементами, збагачує його бактеріально, в тому числі постачає азотфіксуючу мікрофлору.

Мікроводорості вирощують для одержання біомаси як в наростаючих культурах, так і методами неперервного культивування. Ріст і збільшення біомаси наростаючої культури розпочинається з моменту перенесення її частини на культуральне середовище.

Існують різноманітні поживні середовища, але при розробці їх складу необхідно враховувати ряд важливих моментів. Перш за все, сумарна концентрація солей визначається в залежності від екологічних умов природного існування виду і включає такі макроелементи як калій, магній, натрій, кальцій, сульфат і фосфат. Ріст водоростей залежить, насамперед, від наявності азоту, його джерелом можуть бути нітрати, амонійний азот, сечовина, причому вибір їх залежить від виду водоростей та оптимального значення pH. Так як більшість видів мікроводоростей містять 7-9% азоту в перерахунку на суху біомасу, то для утворення 1 г клітин в 1 л культури необхідно мати 500-600 мг KNO₃ л^-1. Неорганічний вуглець вводиться у вигляді СО₂ або бікарбонату. Щоб попередити випадання в осад кальцію, магнію, деяких мікроелементів, використовують середовища з кислим значення pH. Для росту багатьох видів водоростей необхідні також вітаміни, зокрема, тіамін та кобаламін (вітамін В₁₂).

Ріст біомаси наростаючої культури розпочинається з моменту перенесення частини її на свіже культуральне середовище. Концентрацію біомаси визначають за кількістю клітин, за масою сухої біомаси, чи певного біохімічного компонента. Швидкість наростання концентрації біомаси визначають за формулою:

де ц — відносна швидкість росту, або показник наростання біомаси за одиницю часу; х — концентрація біомаси,

Ріст культури розподіляють на такі фази: лаг-фаза, фаза прискорення, логарифмічна фаза (збалансований ріст), фаза сповільнення, стаціонарна фаза і фаза відмирання.

В лаг-фазі свіжовисіяна культура проходить адаптацію до культурального середовища, тоді як в наступній фазі прискорення відбувається послідовне зростання певних параметрів біомаси. Спочатку зростає вміст РНК, потім білка і, нарешті, сухої біомаси.

У логарифмічну фазу швидкість росту залишається постійною, а концентрація біомаси зростає.

Протягом логарифмічної фази росту співвідношення між різними біохімічними компонентами клітин залишається постійним, тому такий стан називають збалансованим або експоненціальним ростом.

Під час проходження фази сповільнення (або пригнічення) біохімічний склад клітин змінюється в послідовності, протилежній тій, яка спостерігалась у фазу прискорення. В стаціонарній фазі біомаса залишається постійною, але інші її параметри можуть змінюватись.

Кінцева концентрація біомаси, звичайно, тісно пов’язана із збідненням поживного середовища, зміною pH, нагромадженням метаболітів, які гальмують ріст культури.

На останній фазі спостерігається зростання відношення дихання до фотосинтезу за межі одиниці, а то й загибель клітин в результаті їх лізису.

-Культуру водоростей, виділених в природних умовах, слід постійно підтримувати, захищаючи її від забруднення. Інтенсивність освітлення при розмноженні в культурі в умовах люмінесцентних ламп холодного білого світла 2150-4300 лк, тоді як для сповільнення росту культури і її збереження достатньо більш низької інтенсивності в межах 540-1100 лк. Для підтримки життєздатного стану достатня температура 15-20 °С. Інтервали між пересівом залежать від виду водоростей та умов культивування. Одноклітинні нерухомі водорості слід пересівати один раз в 6-12 місяців, джгутикові види — частіше. Для збереження деяких видів успішно застосовують зберігання в рідкому азоті.

Слід зазначити, що установки для одержання біомаси водоростей можна використовувати для таких різноманітних цілей, як очищення стічних вод, одержання кормових добавок, промислове одержання різних органічних сполук (гліцерину, манніту, ліпідів), синтез біохімічних сполук і пігментів, природних барвників тощо.

Серед метаболітів водоростей ідентифіковано прості і терпенові спирти, терпенові ефіри, альдегіди, вуглеводні, сірковмісні сполуки, цукри і поліцукри, органічні кислоти, ліпіди та їх похідні. Об’єм екзогенних метаболітів складає істотну долю від створюваної органічної речовини. Так, у окремих синьозелених водоростей вони складають 6-13%, а в деяких діатомових, більшості синьозелених до 40-60%.

Біологічна доцільність прижиттєвих виділень метаболітів і їх механізми достатньо не з’ясовано. Цей процес пов’язують з необхідністю створення запасів поживних речовин у воді для забезпечення початкових етапів розвитку спор дочірніх клітин, підтримки популяції в цілому. Можливо, вони відіграють певну роль в адаптивних процесах, для розширення своїх ареалів, пригнічення видів — антагоністів, для підтримки функціонування організмів — симбіонтів.

При відмиранні клітин у воду виділяється 70-80% сполук фосфору, 20-30% сполук азоту, надходять також білки, вуглеводи, ліпіди та інші внутрішньоклітинні біополімери. Ці сполуки не лише взаємодіють між собою, а й зазнають фітохімічної та біологічної трансформації. Як результат таких процесів у воді з’являються ще більш фізіологічно активні речовини. Із білків утворюються різні реакційно здатні ароматичні речовини — індоли, скатоли, аміни. Аміни ж, особливо при наявності у воді нітратів та низькому pH, сприяють утворенню канцерогенних нітрозоамінів.

Трансформуються у воді також ліпіди та їх похідні. У водоймах виявлені також і алергени водоростевого походження. Все це впливає на якість води. До того ж при її хлоруванні утворюються хлорорганічні сполуки, які характеризуються підвищеною біологічною активністю, зокрема, канцерогенною. Отже, посилений ріст водоростей в евтрофних водоймах необхідно віднести до числа факторів, які істотно впливають не лише на функціонування гідробіоценозів, а і на формування якості природних вод.