МИКРОВОДОРОСЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКА, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В микроводоросли являются эукариотические организмы, фотоавтотрофов, т.е. получать энергию от света и синтезировать свои собственные продукты питания. Они содержат хлорофилл и другие вспомогательные пигменты, которые придают им большую эффективность фотосинтеза.

Они одноклеточные, колониальные, когда они укореняются в виде агрегатов, и нитевидные (одиночные или колониальные). Они входят в состав фитопланктона вместе с цианобактериями (прокариотами). Фитопланктон - это набор фотосинтезирующих водных микроорганизмов, которые пассивно плавают или имеют ограниченную подвижность.

Рисунок 1. Вольвокс (сферический) Источник: Фрэнк Фокс, через Wikimedia Commons.

Микроводоросли встречаются от суши Эквадора до полярных регионов и признаны источником биомолекул и метаболитов, имеющих большое экономическое значение. Они являются прямым источником пищи, лекарств, кормов, удобрений и топлива и даже являются индикаторами загрязнения.

характеристики

Производители, использующие солнечный свет как источник энергии

Большинство микроводорослей имеют зеленый цвет, потому что они содержат хлорофилл (тетрапирроловый пигмент растений), фоторецептор световой энергии, который позволяет осуществлять фотосинтез.

Однако некоторые микроводоросли имеют красную или коричневую окраску, потому что они содержат ксантофиллы (желтые каротиноидные пигменты), которые маскируют зеленый цвет.

Местообитания

Они населяют разнообразную сладкую и соленую, естественную и искусственную водную среду (например, бассейны и аквариумы). Некоторые из них способны расти в почве, в кислых средах обитания и в пористых (эндолитических) породах, в очень сухих и очень холодных местах.

классификация

Микроводоросли представляют собой весьма разнородную группу, поскольку они полифилетичны, то есть объединяют в себе потомков видов от разных предков.

Для классификации этих микроорганизмов использовались различные характеристики, в том числе: природа их хлорофиллов и их запаса энергии веществ, структура клеточной стенки и тип подвижности, которую они представляют.

Природа его хлорофиллов

Большинство водорослей представляют собой хлорофилл типа А, а некоторые - другой тип хлорофилла, производный от него.

Многие из них являются облигатными фототрофами и не растут в темноте. Однако некоторые из них растут в темноте и катаболизируют простые сахара и органические кислоты в отсутствие света.

Например, некоторые жгутиконосцы и хлорофиты могут использовать ацетат в качестве источника углерода и энергии. Другие усваивают простые соединения в присутствии света (фотогетеротрофия), не используя их в качестве источника энергии.

Углеродные полимеры как резерв энергии

Как продукт фотосинтетического процесса, микроводоросли производят большое количество углеродных полимеров, которые служат в качестве запаса энергии.

Например, микроводоросли подразделения Chlorophyta производят запасной крахмал (α-1,4-D-глюкоза), очень похожий на крахмалы высших растений.

Структура клеточной стенки

Стенки микроводорослей имеют большое разнообразие структур и химического состава. Стенка может состоять из целлюлозных волокон, обычно с добавлением ксилана, пектина, маннана, альгиновой кислоты или фуциновой кислоты.

У некоторых известковых или коралловых водорослей на клеточной стенке наблюдается отложение карбоната кальция, в то время как у других есть хитин.

С другой стороны, у диатомовых водорослей в клеточной стенке есть кремний, к которому добавлены полисахариды и белки, образуя оболочки двусторонней или радиальной симметрии (панцири). Эти раковины долгое время остаются нетронутыми, образуя окаменелости.

Эвгленоидные микроводоросли, в отличие от предыдущих, не имеют клеточной стенки.

Тип мобильности

У микроводорослей могут быть жгутики (например, эвглена и динофлагелляты), но никогда не быть ресничек. С другой стороны, некоторые микроводоросли в вегетативной фазе проявляют неподвижность, однако их гаметы могут быть подвижными.

Биотехнологические приложения

Кормление людей и животных

В 1950-х годах немецкие ученые начали массовое выращивание микроводорослей для получения липидов и белков, которые заменят обычные животные и растительные белки, с целью покрыть потребление скота и людей.

В последнее время массовое выращивание микроводорослей рассматривается как одна из возможностей борьбы с голодом и недоеданием в мире.

Микроводоросли имеют необычные концентрации питательных веществ, которые выше, чем у любых высших растений. Ежедневный грамм микроводорослей - это альтернатива дефицитному рациону.

Преимущества использования в пищу

Среди преимуществ использования микроводорослей в пищу можно выделить следующие:

• Высокая скорость роста микроводорослей (урожайность у них в 20 раз выше, чем у сои с единицы площади).
• Он дает преимущества, измеряемые «гематологическим профилем» и «интеллектуальным статусом» потребителя при потреблении небольших суточных доз в качестве пищевой добавки.
• Высокое содержание белка по сравнению с другими натуральными продуктами.
• Высокая концентрация витаминов и минералов: прием от 1 до 3 граммов в день побочных продуктов микроводорослей обеспечивает значительное количество бета-каротина (провитамина А), комплекса витаминов Е и В, железа и микроэлементов.
• Высокоэнергетический источник питания (по сравнению с женьшенем и пыльцой, собранными пчелами).
• Они рекомендованы для тренировок с высокой интенсивностью.
• Благодаря своей концентрации, небольшому весу и простоте транспортировки сухой экстракт микроводорослей подходит в качестве нескоропортящихся продуктов питания для хранения на случай чрезвычайных ситуаций.

Рисунок 2. Arthrospira - широко используемая и массово культивируемая цианобактерия. Источник: Джоан Саймон, вырезано Perdita (английский пользователь Википедии), через Wikimedia Commons.

аквакультура

Микроводоросли используются в качестве корма в аквакультуре из-за их высокого содержания белка (от 40 до 65% в сухом весе) и их способности усиливать окраску лососевых и ракообразных с помощью своих пигментов.

Например, его используют в пищу двустворчатым моллюскам на всех стадиях их роста; для личиночных стадий некоторых видов ракообразных и для ранних стадий развития некоторых видов рыб.

Пигменты в пищевой промышленности

Некоторые пигменты микроводорослей используются в качестве добавок в корма для увеличения пигментации куриного мяса и яичных желтков, а также для повышения плодовитости крупного рогатого скота.

Эти пигменты также используются в качестве красителей в таких продуктах, как маргарин, майонез, апельсиновый сок, мороженое, сыр и хлебобулочные изделия.

Рисунок 3. Трубчатые фотобиореакторы, используемые для получения ценных соединений из микроводорослей. Источник: IGV Biotech, из Wikimedia Commons.

Человек и ветеринария

В области медицины и ветеринарии потенциал микроводорослей признан, потому что:

• Они снижают риск различных видов рака, сердечных и офтальмологических заболеваний (благодаря содержанию лютеина).
• Они помогают предотвращать и лечить ишемическую болезнь сердца, агрегацию тромбоцитов, аномальный уровень холестерина, а также очень перспективны для лечения некоторых психических заболеваний (из-за содержания в них омега-3).
• Они обладают антимутагенным действием, стимулируют иммунную систему, снижают гипертонию и выводят токсины.
• Они обладают антикоагулянтным и бактерицидным действием.
• Они увеличивают биодоступность железа.
• Лекарства на основе лечебных и профилактических микроводорослей были созданы для лечения язвенного колита, гастрита и анемии, а также других состояний.

Рисунок 4. Плоский фотобиореактор: используется для получения побочных продуктов микроводорослей с высокой добавленной стоимостью и в экспериментах. Источник: IGV Biotech, из Wikimedia Commons.

удобрения

Микроводоросли используются как биоудобрения и кондиционеры почвы. Эти фотоавтотрофные микроорганизмы быстро покрывают нарушенные или сгоревшие почвы, снижая риск эрозии.

Некоторые виды предпочитают азотфиксацию и позволяют, например, выращивать рис на затопленных землях на протяжении веков без добавления удобрений. Другие виды используются для замены извести в компосте.

Косметика

Производные микроводорослей используются в составах обогащенных зубных паст, которые уничтожают бактерии, вызывающие кариес.

Кремы, содержащие такие производные, также были разработаны благодаря их антиоксидантным и защитным свойствам от ультрафиолета.

Рис. 5. Содержание микроводорослей в банках или штаммах. Источник: CSIRO

Очистка сточных вод

Микроводоросли применяются в процессах преобразования органических веществ из сточных вод, получения биомассы и очищенной воды для орошения. В этом процессе микроводоросли поставляют кислород аэробным бактериям, разлагая органические загрязнители.

Индикаторы загрязнения

Учитывая экологическую важность микроводорослей как основных продуцентов водной среды, они являются организмами-индикаторами загрязнения окружающей среды.

Кроме того, они обладают большой толерантностью к тяжелым металлам, таким как медь, кадмий и свинец, а также к хлорированным углеводородам, поэтому они могут быть индикаторами присутствия этих металлов.

биогаз

Некоторые виды (например, хлорелла и спирулина) использовались для очистки биогаза, поскольку они потребляют углекислый газ как источник неорганического углерода в дополнение к одновременному контролю pH среды.

Биотопливо

Микроводоросли биосинтезируют широкий спектр коммерчески интересных побочных биоэнергетических продуктов, таких как жиры, масла, сахара и функциональные биоактивные соединения.

Рис. 6. Культиваторы микроводорослей карусельного типа, используемые при массовом выращивании микроводорослей в косметической и пищевой промышленности. Источник: JanB46, Wikimedia Commons.

Многие виды богаты липидами и углеводородами, подходящими для непосредственного использования в качестве высокоэнергетического жидкого биотоплива, в количествах, превышающих уровни, присутствующие в наземных растениях, а также имеют потенциал в качестве заменителей продуктов переработки ископаемого топлива. Это неудивительно, учитывая, что большая часть масла, как полагают, была получена из микроводорослей.

В частности, один вид, Botryococcus braunii, широко изучен. Ожидается, что урожайность масла из микроводорослей будет в 100 раз больше, чем у наземных культур, от 7 500 до 24 000 литров масла с акра в год, по сравнению с рапсом и пальмой на уровне 738 и 3690 литров соответственно. ,

Ссылки

1. Боровицка, М. (1998). Промышленное производство микроводорослей: пруды, резервуары, клубни и ферментеры. J. of Biotech, 70, 313-321.
2. Циферри, О. (1983). Спирулина, съедобный микроорганизм. Microbiol. Rev., 47, 551-578.
3. Циферри, О., и Тибони, О. (1985). Биохимия и промышленный потенциал спирулины. Энн. Rev. Microbiol., 39, 503-526.
4. Конде, Дж. Л., Моро, Л. Е., Травьесо, Л., Санчес, Е. П., Лейва, А., и Дупейрон, Р. и др. (1993). Процесс очистки биогаза с использованием интенсивных культур микроводорослей. Biotech. Письма, 15 (3), 317-320.
5. Контрерас-Флорес, К., Пенья-Кастро, Дж. М., Флорес-Котера, Л. Б., и Каньисарес, Р. О. (2003). Успехи в концептуальном дизайне фотобиореакторов для выращивания микроводорослей. Interciencia, 28 (8), 450-456.
6. Дуэрр, Е.О., Молнар, А., и Сато, В. (1998). Культивированные микроводоросли как корм для аквакультуры. J Mar Biotechnol, 7, 65-70.
7. Ли, Ю.-К. (2001). Системы и методы массового культивирования микроводорослей: их ограничения и возможности. Журнал прикладной психологии, 13, 307-315.
8. Мартинес Паласиос, Калифорния, Чавес Санчес, MC, Ольвера Новоа, Массачусетс, и Абдо де ла Парра, Мичиган (1996). Альтернативные источники растительных белков в качестве замены рыбной муки для кормов для аквакультуры. Документ, представленный в материалах Третьего международного симпозиума по питанию аквакультуры, Монтеррей, Нуэво-Леон, Мексика.
9. Олайзола, М. (2003). Коммерческое развитие биотехнологии микроводорослей: от пробирки до рынка. Биомолекулярная инженерия, 20, 459-466.