Ученые показали на новом штамме зеленой водоросли Chlorella, что, меняя чередование света и темноты в течение нескольких дней, можно создать почти замкнутую систему, имитирующую природные условия, для получения ценных веществ и улавливания CO2. Такая система работает благодаря способности водоросли переключать свои механизмы питания в зависимости от того, есть ли свет или его нет. Исследованный микроорганизм может стать ценным ресурсом для биотехнологий, производства биотоплива, получения пищевых и кормовых добавок, а также для экологически ориентированных решений, связанных с улавливанием и хранением CO2. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Phycology.
Микроводоросли рассматриваются как ценный биотехнологический объект и находят широкое применение в различных производствах. Кроме того, многие исследователи обсуждают их использование для поглощения углекислого газа, что способствует совершенствованию технологий их выращивания. До сих пор остается открытым вопрос о том, как микроорганизмы перерабатывают углерод: через фотосинтез, из готовых органических веществ (так называемый гетеротрофный рост) или сочетая оба пути одновременно (миксотрофный режим). Известно, что штамм Chlorella способен одновременно использовать свет для фотосинтеза и питательные органические вещества, а при полной темноте — питаться только готовыми соединениями. Эти свойства позволяют предположить, что управление светом — чередование светлых и темных периодов — может стать инструментом для снижения стоимости производства биомассы и целевых продуктов.
Ученые из Мелитопольского государственного университета (Мелитополь) и Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева (Москва) определили, как длительное отсутствие света влияет на рост и состав биомассы штамма Chlorella, включая содержание липидов, пигментов, белка, витаминов, активность антиоксидантов и эффективность поглощения CO₂.
В эксперименте, изначально при освещении, была выращена биомасса Chlorella, часть которой далее поместили в темноту, остальную культивировали при освещении. Через среду с постоянной скоростью пропускали воздух для поддержания постоянной концентрации углекислого газа. Спустя 96 часов в полученной биомассе измерили содержание пигментов, липидов, белка, витаминов, продуктов пероксидного окисления липидов, активность антиоксидантных ферментов и рассчитали продуктивность биомассы и биофиксацию углекислого газа.
Как оказалось, продуктивность хлореллы по биомассе демонстрировала одинаковое поведение при обычном выращивании на свету и в культуре, где водоросли сначала росли при освещении, а затем перешли в темноту. На минеральных средах такое не наблюдалось, обычно в темноте рост останавливается и клетки погибают. Однако исследуемый штамм почвенной Chlorella sp. при освещении обеспечивал питательные и энергетические потребности клетки за счет поглощения углекислого газа. При этом значительное количество органических соединений, синтезированных клетками Chlorella при фотосинтезе, попадали в среду культивирования. Ученые заметили, что, если после роста на свету поместить культуру Chlorella в темноту на 96 часов, биомасса продолжит увеличиваться. Иными словами, водоросли сначала использовали свет для фотосинтеза, а затем переключились на питание готовыми веществами из среды, что позволило им продолжать рост даже без света.
«Условно говоря, Chlorella сама запасает для себя питательные органические компоненты при благоприятных световых условиях, для того чтобы пережить периоды продолжительного отсутствия света. Выделение клеткой органических соединений в окружающую среду может выступать защитным механизмом поддержания жизнедеятельности при наступлении полного затемнения и невозможности фотосинтеза», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анжелика Кочубей, инженер-исследователь Мелитопольского государственного университета.
Также в ходе такого рода культивирования отмечено, что рост в темноте привел к увеличению содержания липидов у Chlorella на 68,7% и повышению общей антиоксидантной устойчивости ее клеток, что обусловлено повышенной активностью ферментов антиоксидантной защиты. Это делает данный подход и сам штамм Chlorella перспективным объектом для его применения в биотехнологии.
«Технология культивирования с использованием 96-часового затемнения сохраняет высокие показатели продукции биомассы Chlorella, улучшает биотехнологическую ценность полученной биомассы за счет повышение концентрации липидов, антиоксидантной устойчивости, а также обеспечивает максимальную эффективность поглощения и хранения CO2. В дальнейшем мы планируем изучить воздействие интенсивности и спектрального состава света на биотехнологические параметры микроводорослей. А также планируем масштабировать наши исследования до полупромышленных. Внедрение данной технологии в промышленное производство биомассы может обеспечить значительное удешевление конечного продукта за счет экономии электричества и отсутствия потребности в дополнительных органических субстратах», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Яковийчук, доцент Мелитопольского государственного университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
