особенности микроскопических водорослей как объектов массового культивирования

Микроскопические водоросли давно стали объектом разносторонних исследований. Благодаря малым размерам, относительной простоте морфологической организации и способов размножения эти водоросли сравнительно легко поддерживать в лаборатории обычными микробиологическими методами в виде культур на искусственных минеральных или органических, жидких или твердых (агаризованных) питательных средах, на свету или в темноте. Твердые среды используют преимущественно для сохранения водорослей (коллекции), а изучение их физиологических и биохимических свойств проводят главным образом на жидких питательных средах.

Из микроскопических водорослей в первую очередь стали применять при массовом культивировании одноклеточные протококковые водоросли (отдел Chlorophyta), в частности хлореллу и сценедесмус. Размножение этих форм упрощено до предела. У них полностью отсутствует половое размножение и рост культуры идет за счет формирования в материнской клетке дочерних автоспор, которых может быть в норме 2, 4, 8, 16, 32 (известно образование до 64 автоспор) в зависимости от штамма и условий культивирования. После окончания деления автоспоры выходят из клетки путем разрыва оболочки; молодые клетки, интенсивно фотосинтезируя, растут до стадии созревания, и весь цикл повторяется сначала (рис. 278, 1). В определенные периоды развития по циклу клетки нуждаются в свете, а в другие развитие может проходить в темноте. Эта особенность облегчает получение синхронных культур водорослей, т. е. культур, у которых все клетки находятся на одной и той же стадии развития (рис. 278, 2, 3).

Синхронные культуры представляют интерес для исследования онтогенеза фотосинтезирующих клеток. Такие культуры могут быть перспективны, по мнению ряда исследователей, при массовом выращивании водорослей.

Как видно из характера деления клеток, при отсутствии ограничивающих факторов рост числа клеток идет в геометрической прогрессии, в соответствии с уравнением

где к — удельный коэффициент размножения, N — исходное число клеток, dN — прирост числа клеток за время dt.

Однако в обычной накопительной культуре по мере увеличения числа клеток и изменения условий (истощение питательной среды, самозатенение клеток, накопление прижизненных выделений) происходит замедление темпа деления и накопления биомассы. В таких культурах рост описывается, как и у бактериальных культур, S-образной кривой и может быть разделен на несколько стадий:

1) лаг-фазу,

2) фазу логарифмического, или экспоненциального, роста,

3) фазу линейного роста,

4) плато.

Длительность лаг-фазы зависит от предыстории культуры, период экспоненциального роста у культур водорослей короткий, и чем быстрее происходит нарастание числа клеток, тем быстрее наступает самозатенение культуры, тем короче период экспоненциального роста. Линейная стадия роста культуры у водорослей наиболее длительная.

Поскольку фотосинтезирующие организмы, в отличие от гетеротрофных, нуждаются в лучистой энергии света, проникновение и распределение его в суспензии является существенным фактором обеспечения интенсивного фотосинтеза. В связи с этим немаловажным свойством культур микроскопических водорослей является гомогенность суспензии. Разница в величине дочерних и материнских клеток благодаря микроскопическим размерам не оказывает существенного влияния на светораспределение в суспензии, и с некоторым приближением суспензии микроскопических водорослей можно рассматривать как окрашенный раствор, поглощение и распределение света в котором подчиняются известному закону Бугера — Ламберта—Бера, т. е. находятся в логарифмической зависимости от концентрации клеток. Последнее облегчает расчеты световых полей внутри популяций микроводорослей, исходя из оптических свойств суспензий и особенностей световых кривых фотосинтеза клеток различных культур водорослей.

Как все зеленые растения, водоросли синтезируют из С02 и воды в процессе фотосинтеза ценные органические вещества, такие, как белки, жиры, углеводы, витамины и другие физиологически активные соединения.

Протококковые водоросли первоначально привлекли к себе внимание благодаря высокому содержанию белка — 50—60% от сухой биомассы. В белке хлореллы имеются все незаменимые аминокислоты, по качеству его можно сравнить с белком пивных дрожжей, соевой и арахисовой муки. Его признают равноценным белку сухого молока.

В среднем в сухой биомассе хлореллы содержится 10—20% углеводов. Значительную часть их составляет крахмал, хотя у некоторых представителей, даже в пределах рода Chlorella, углеводы могут быть представлены преимущественно гемицеллюлозами. Липиды составляют 20—30% и отличаются значительным содержанием ненасыщенных жирных кислот. Соотношение жирных кислот у хлореллы сходно с соотношением, которое характерно для большинства растительных масел.

Биомасса протококковых водорослей (хлореллы, сценедесмуса) содержит богатый набор витаминов, количество которых здесь выше, чем у большинства растительных культур. Привлекает внимание также высокое содержание каротина в культурах хлореллы и сценедесмуса, однако его особенно много у дюналиеллы, относящейся к вольвоксовым.

Химический состав интенсивно размножающихся культур хлореллы достаточно стабилен. Вместе с тем обращает на себя внимание чрезвычайно высокая пластичность метаболизма хлореллы и ее способность радикально менять направленность биосинтеза в зависимости от условий культивирования и при различных воздействиях. Давно было показано для некоторых культур хлореллы, что в условиях азотного голодания в клетках может накапливаться до 85% липидов. На этом основании считали, что хлорелла имеет белково-липидную направленность метаболизма. Однако за последнее десятилетие при обследовании различных штаммов хлореллы было показано, что многие культуры обладают в тех же условиях, напротив, белковоуглеводной направленностью метаболизма и могут синтезировать до 60% углеводов. У одних культур синтезируется преимущественно крахмал (до 45% от суммы углеводов), у других — гемицеллюлозы.

Таким образом, клетки хлореллы в зависимости от их генетических свойств и применяемых воздействий могут быть превращены в системы, направленно синтезирующие белки, углеводы или жиры, что открывает принципиальные возможности управления не только интенсивностью, но и качественной стороной биосинтеза у микроводорослей.

Первые попытки массового культивирования одноклеточных водорослей относятся к 40-м годам. Первоначально проводили исследования по использованию клеток культивируемых водорослей в качестве корма для молоди рыб; затем очень быстро эти водоросли стали рассматривать как возможный источник различных веществ, в том числе и пищевых.

В настоящее время одноклеточные и некоторые другие микроскопические фотоавтотрофные водоросли широко изучаются не только в СССР, но и в США, Японии, ФРГ, Франции, Италии, Швеции, Бельгии, Чехословакии, Болгарии и других странах в связи со следующими аспектами их применения:

1) сельское хозяйство — дополнительный источник белка, витаминов;

2) очистка сточных вод и биосферы;

3) проблема освоения космоса — как звено в замкнутых экологических системах, способное обеспечить биологическую регенерацию воздуха и воспроизводство пищи;

4) получение ценных метаболитов и веществ для медиципской и микробиологической промышленности, а также для получения меченых препаратов;

5) биологическая фиксация атмосферного азота;

6) использование в научно-исследовательских работах в связи с изучением фундаментальных вопросов биологического саморегулирования и биосинтеза фотосинтезирующих организмов.

Для решения этих проблем разрабатываются способы культивирования водорослей двух типов — массовая культура под открытым небом и интенсивное культивирование в замкнутых аппаратах в полностью контролируемых условиях по типу современных микробиологических производств. В обоих случаях задача заключается в получении максимальных выходов биомассы, что требует изучения путей оптимизации роста и фотосинтетической продуктивности культур микроводорослей.