МІКРОВОДОРОСТІ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

У мікроводорості є еукаріотичні організми, фотоавтотрофов, тобто отримувати енергію від світла і синтезувати свої власні продукти харчування. Вони містять хлорофіл та інші допоміжні пігменти, які надають їм велику фотосинтетичну ефективність.

Вони бувають одноклітинні, колоніальні, коли вони встановлюються як агрегативні і нитчасті (одиночні або колоніальні). Вони входять до складу фітопланктону разом із ціанобактеріями (прокаріоти). Фітопланктон - це сукупність фотосинтетичних водних мікроорганізмів, які плавають пасивно або мають знижену рухливість.

Рисунок 1. Volvox (сферичний) Джерело: Frank Fox, через Wikimedia Commons

Мікроводорості знаходяться від наземного Еквадору до полярних регіонів і визнані джерелом біомолекул та метаболітів, що мають велике економічне значення. Вони є прямим джерелом їжі, ліків, кормів, добрив та палива і навіть є показниками забруднення.

характеристики

Виробники, які використовують сонячне світло як джерело енергії

Більшість мікроводоростей мають зелений колір, оскільки містять хлорофіл (тетрапірольний рослинний пігмент), фоторецептор світлової енергії, що дозволяє здійснювати фотосинтез.

Однак деякі мікроводорості мають червоне або коричневе забарвлення, оскільки містять ксантофіли (жовті каротиноїдні пігменти), які маскують зелений колір.

Проживання

Вони мешкають у різних солодких та солоних, природних та штучних водних середовищах (таких як басейни та резервуари для риб). Деякі здатні рости в ґрунті, в кислих місцях проживання і в межах пористих (ендолітичних) порід, в дуже сухих і дуже холодних місцях.

Класифікація

Мікроводорості являють собою сильно неоднорідну групу, оскільки вона є поліфілетичною, тобто групує види, що походять від різних предків.

Для класифікації цих мікроорганізмів були використані різні характеристики, серед яких: характер їх хлорофілів та їх енергетичні запасні речовини, структура клітинної стінки та тип рухливості, яку вони мають.

Природа його хлорофілів

Більшість водоростей представлені хлорофілом типу А, а декілька - ще одним типом хлорофілу, що походить з нього.

Багато облігатні фототрофи і не ростуть у темряві. Однак деякі ростуть у темряві і катаболізують прості цукри та органічні кислоти за відсутності світла.

Наприклад, деякі джгутики та хлорофіти можуть використовувати ацетат як джерело вуглецю та енергії. Інші засвоюють прості сполуки у присутності світла (фотогетеротрофія), не використовуючи їх як джерело енергії.

Вуглецеві полімери як запас енергії

Як продукт фотосинтетичного процесу мікроводорості виробляють найрізноманітніші вуглецеві полімери, які служать запасом енергії.

Наприклад, мікроводорості відділу Chlorophyta генерують резервний крохмаль (α-1,4-D-глюкоза), дуже схожий на крохмалі вищих рослин.

Структура клітинної стінки

Стінки мікроводоростей мають значну різноманітність структур і хімічний склад. Стінка може складатися з целюлозних волокон, як правило, з додаванням ксилану, пектину, маннану, альгінових кислот або фуцинової кислоти.

У деяких вапняних або коралінових водоростях клітинна стінка демонструє відкладення карбонату кальцію, а в інших - хітин.

Діатоми, з іншого боку, мають у своєму клітинній стінці кремній, до якого додаються полісахариди та білки, утворюючи оболонки двосторонньої або променевої симетрії (фрустули). Ці оболонки тривалий час залишаються неушкодженими, утворюючи копалини.

Евгленоїдні мікроводорості, на відміну від попередніх, не мають клітинної стінки.

Тип мобільності

Мікроводорості можуть мати джгутики (як Евглена та динофлагеляти), але ніколи не мають війок. З іншого боку, деякі мікроводорості виявляють нерухомість у вегетативній фазі, проте їх гамети можуть бути рухливими.

Біотехнологічні застосування

Годування людей і тварин

У 50-х роках німецькі вчені почали масово вирощувати мікроводорості для отримання ліпідів та білків, які замінять звичайні тваринні та рослинні білки, з метою покриття споживання худоби та людини.

Останнім часом масове вирощування мікроводоростей проектується як одна з можливостей боротьби з голодом у світі та недоїданням.

Мікроводорості мають незвичайні концентрації поживних речовин, які вище, ніж у будь-яких вищих рослинних видів. Щоденний грам мікроводоростей є альтернативою для доповнення дефіцитної дієти.

Переваги його використання в якості їжі

Серед переваг використання мікроводоростей в якості їжі ми маємо наступні:

• Висока швидкість росту мікроводоростей (вони дають урожай в 20 разів вищий, ніж соя на одиницю площі).
• Він приносить користь, виміряну в "гематологічному профілі" та в "інтелектуальному статусі" споживача, вживаючи невеликі добові дози як харчову добавку.
• Високий вміст білка в порівнянні з іншими натуральними продуктами.
• Висока концентрація вітамінів і мінералів: прийом в їжу від 1 до 3 г мікро-водоростей на день, забезпечує помітну кількість бета-каротину (провітамін А), комплексу вітамінів Е та групи В, заліза та мікроелементів.
• Поживне джерело з високою енергією (порівняно з женьшенем та пилком, зібраними бджолами).
• Вони рекомендуються для тренувань високої інтенсивності.
• Через свою концентрацію, малу вагу та легкість транспортування, сухий екстракт мікроводоростей придатний як їжа, що не швидко псується, для зберігання в очікуванні надзвичайних ситуацій.

Малюнок 2. Артроспіра - це широко застосовувана та масово культивована цианобактерія. Джерело: Джоан Саймон, обрізана Пердітою (англ. Wikipedia User), через Wikimedia Commons

Аквакультура

Мікроводорості використовуються як їжа у аквакультурі завдяки високому вмісту білка (від 40 до 65% у сухій вазі) та їх здатності збільшувати забарвлення сальмонідів та ракоподібних за допомогою своїх пігментів.

Наприклад, його використовують як їжу для двостулкових тварин на всіх стадіях їх росту; для личинкових стадій деяких видів ракоподібних та для ранніх стадій деяких видів риб.

Пігменти в харчовій промисловості

Деякі пігменти мікроводорості використовуються як добавки до кормів для посилення пігментації курячого м’яса та яєчних жовтків, а також для підвищення родючості великої рогатої худоби.

Ці пігменти також використовуються як барвники в таких продуктах, як маргарин, майонез, апельсиновий сік, морозиво, сир та хлібобулочні вироби.

Малюнок 3. Трубчасті фотобіореактори, використовувані для отримання високоцінних сполук з мікроводоростей. Джерело: IGV Biotech, від Wikimedia Commons

Людська та ветеринарна медицина

У галузі людської та ветеринарної медицини визнається потенціал мікроводоростей, оскільки:

• Вони знижують ризик виникнення різних видів раку, серцевих та офтальмологічних захворювань (завдяки вмісту лютеїну).
• Вони допомагають запобігти і лікувати ішемічну хворобу серця, агрегацію тромбоцитів, аномальний рівень холестерину, а також є дуже перспективним для лікування певних психічних захворювань (завдяки вмісту їх омега-3).
• Вони мають антимутагенну дію, стимулюючи імунну систему, знижуючи гіпертонічну хворобу та детоксикацію.
• Вони мають антикоагулянтну та бактерицидну дію.
• Вони підвищують біодоступність заліза.
• Лікарські засоби на основі терапевтичних та профілактичних мікроводоростей були створені, зокрема, для виразкового коліту, гастриту та анемії.

Малюнок 4. Плоский фотобіореактор: використовується для отримання побічних продуктів мікроводоростей з високою доданою вартістю та в експериментах. Джерело: IGV Biotech, від Wikimedia Commons

Добрива

Мікроводорості використовуються як біодобрива та кондиціонери ґрунту. Ці фотоавтотрофні мікроорганізми швидко покривають порушені або спалені ґрунти, знижуючи ризик ерозії.

Деякі види сприяють фіксації азоту і дали можливість, наприклад, вирощувати рис на затопленій землі протягом століть, не додаючи добрив. Інші види використовуються для заміни вапна в компості.

Косметика

Похідні мікроводоростей використовувались у складі збагачених зубних паст, які усувають бактерії, що викликають карієс зубів.

Креми, що включають такі похідні, також були розроблені для їх антиоксидантних та ультрафіолетово-захисних властивостей.

Малюнок 5. Утримання мікроводоростей у банках або штамах. Джерело: CSIRO

Обробка стічних вод

Мікроводорості застосовуються в процесах перетворення органічної речовини з стічних вод, генеруючи біомасу та очищену воду для зрошення. У цьому процесі мікроводорості забезпечують необхідний кисень аеробним бактеріям, руйнуючи органічні забруднювачі.

Показники забруднення

Враховуючи екологічне значення мікроводоростей як первинних виробників водних середовищ, вони є індикаторами забруднення навколишнього середовища.

Крім того, вони мають велику толерантність до важких металів, таких як мідь, кадмій та свинець, а також до хлорованих вуглеводнів, саме тому вони можуть бути показниками наявності цих металів.

Біогаз

Деякі види (наприклад, хлорела та спіруліна) були використані для очищення біогазу, оскільки вони споживають вуглекислий газ як джерело неорганічного вуглецю, крім одночасного контролю рН середовища.

Біопаливо

Мікроводорості біосинтезують широкий спектр комерційно цікавих біоенергетичних побічних продуктів, таких як жири, олія, цукру та функціональні біоактивні сполуки.

Рисунок 6. Культиватори мікроводоростей карусельного типу, що застосовуються при масовому вирощуванні мікроводоростей для косметичної та харчової промисловості. Джерело: JanB46, з Wikimedia Commons

Багато видів багаті на ліпіди та вуглеводні, придатні для прямого використання як високоенергетичного рідкого біопалива, на рівнях вищих, ніж у наземних рослин, а також мають потенціал як замінники продуктів переробки нафти з викопного палива. Це не дивно, враховуючи, що більшість олії, як вважають, походить з мікроводоростей.

Один вид, зокрема, Botryococcus braunii, був широко вивчений. Очікується, що врожай олії з мікроводоростей буде в 100 разів більшим, ніж у наземних культур, із 7500-24 000 літрів олії на акр на рік, порівняно з ріпаком та пальмою - 738 та 3690 літрів відповідно .

Список літератури

1. Боровіцка, М. (1998). Комерційне виробництво мікроводоростей: ставків, цистерн, бульб та ферментерів. J. of Biotech, 70, 313-321.
2. Циферрі, О. (1983). Спіруліна, Їстівний мікроорганізм. Мікробіол. Вип., 47, 551-578.
3. Ciferri, O., & Tiboni, O. (1985). Біохімія та промисловий потенціал Спіруліни. Енн. Преподобний Мікробіол., 39, 503-526.
4. Conde, JL, Moro, LE, Travieso, L., Sánchez, EP, Leiva, A., & Dupeirón, R., et al. (1993). Процес очищення біогазу з використанням інтенсивних культур мікроводоростей. Біотехнологія. Листи, 15 (3), 317-320.
5. Contreras-Flores, C., Peña-Castro, JM, Flores-Cotera, LB, & Cañizares, RO (2003). Успіхи в концептуальному дизайні фотобіореакторів для вирощування мікроводоростей. Інтерсіенсія, 28 (8), 450-456.
6. Duerr, EO, Molnar, A., & Sato, V. (1998). Культурні мікроводорості як корм для аквакультури. J Mar Biotechnol, 7, 65-70.
7. Лі, Ю.-К. (2001). Мікроалгальні системи масової культури та методи їх обмеження та потенціал. Журнал прикладної фікології, 13, 307-315.
8. Мартінес Паласіос, Каліфорнія, Чавес Санчес, Массачусетс, Ольвера Новоа, Массачусетс, та Абдо де ла Парра, Мічиган (1996). Альтернативні джерела рослинних білків як замінник рибного борошна для кормів для аквакультури. Доповідь представлена ​​в матеріалах Третього міжнародного симпозіуму з питань харчування аквакультури, Монтеррей, Нуево-Леон, Мексика.
9. Олайзола, М. (2003). Комерційний розвиток мікроводородної біотехнології: від пробірки до ринку. Біомолекулярна інженерія, 20, 459-466.