Главная Обратная связь

Дисциплины:






Потенциальные возможности практического использования иммобилизованных клеток водорослей



ВВЕДЕНИЕ

 

Микроводоросли находят применение в научных исследованиях, производстве органических веществ и экологии. Многие полезные свойства водорослей связаны с их таксономической принадлежностью, а также с условиями роста и развития. Интерес к методам увеличения скорости роста микроводорослей возрос в связи с недавно открытой возможностью получения из них биотоплива и других видов биопродукции (Tate et al., 2013). Водоросли играют важную роль в биогеохимических оборотах биогенных элементов в экосистемах (Pérez-Martínez, et al., 2010), а также в балансе тяжелых металлов (Pradhan, Rai, 2001).

В природе встречаются свободноживущие и прикрепленные к субстрату микроводоросли. Оба способа существования находят применение и в лабораторных способах их выращивания. В последние годы внимание исследователей привлекают иммобилизованыые культуры водорослей (Mallik, 2006; Pérez-Martínez, et al., 2010), так как иммобилизация способна повысить интенсивность биохимических процессов.

В качестве материала для иммобилизации часто используют альгинат кальция (альгинат натрия), благодаря их высокой способности удерживать воду и клетки водорослей. Вместе с тем, разрабатываются и другие материалы для иммобилизации (силикаты, агар-агар, хитозан) (Mallik, 2006).

Появление на рынке вспененного полиэтилена и предварительный анализ его свойств (нейтральность по отношению к среде, отсутствие окраски, способность пропускать свет, большая адсорбирующая поверхность, пористость) позволил высказать предположение о возможности его использования для иммобилизации клеток водорослей.

Целью настоящей работы явилась оценка возможности использования вспененного полиэтилена для иммобилизации клеток водорослей.

Задачи работы следующие:

1. Изучить физико-химические свойства вспененного полиэтилена.

2. Исследовать возможность иммобилизации водорослей на поверхности вспененного полиэтилена.

3. Исследовать устойчивость иммобилизованных клеток водорослей к модельному токсиканту (сульфату меди).

Работа выполнена на кафедре водных и наземных экосистем Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета.


 

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

Потенциальные возможности практического использования иммобилизованных клеток водорослей

 

Коммерческое использование водорослей имеет длительную историю. Многие виды водорослей используются в качестве пищи и как источники различных химических соединений. Некоторые метаболиты, синтезируемые водорослями, имеют большую коммерческую ценность. При этом встает проблема получения достаточной биомассы водорослевых культур. Процесс культивирования водорослей весьма сложен, требует больших вложений и часто не приносит больших прибылей. В качестве решения этой проблемы предложены методы иммобилизации водорослевых клеток.



В ранних работах Spoehr and Milner (1949, цит. по Mallik, 2006) предполагалось, что массовые культуры микроводорослей позволят решить проблему пищевого белка в глобальном масштабе. В последние годы были разработаны различные инновационные подходы к иммобилизации и микроинкапсуляции, которые доказали преимущество иммобилизированных клеток перед свободными. Кроме того, иммобилизация клеток может использоваться для мониторинга загрязнения естественной водной среды (Mallik, 2006;).

В одном из обзоров (Hameed, Ebrahim, 2007) дана оценка различным подходам к получению и использованию иммобилизованных культур водорослей, детально рассмотрены методы иммобилизации и их воздействие на функционирование клеток. Особое внимание уделено использованию иммобилизации в очистке и удалении тяжелых металлов из сточных вод. Другие важные сферы применения иммобилизованных водорослей, такие как биореакторы и токсикологические тесты, также рассмотрены в данном обзоре.

Эксперименты, в которых изоляты цианобактерий были отобраны из загрязненной водной среды и определены по морфологическим и культурологическим характеристикам, приведены в работе (Sri Kumaran N. et.al., 2011). Каждый изолят был определен методом дилюции при различных концентрациях (от 10 до 1000 мкг/л-1) никеля, кадмия, железа, свинца и цинка. Каждые три дня отбирались пробы культур для оценки роста, рН и количества изъятых из среды тяжелых металлов. Из следующих видов: Anabaena sp., Trichodesmium sp.,Oscillatoria sp., Cylindrospermopsis sp. и Nostoc sp.последний показал наибольшую устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами и наибольшую способность к их удалению: в течение эксперимента им были удалены 95,4% кадмия, 97,7% железа, 99,6% свинца, 88,23% никеля и 75,% цинка.

Важным направлением исследований является сравнение чувствительности свободных и иммобидизованных клеток. На примере Chlorella vulgaris показаны реакции организма на присутствие в воде токсичных микроэлементов, таких как цинк, никель и кадмий. Общее снижение интенсивности роста, фотосинтетической активности, активности нитратредуктазы и алкалинфосфатазы рассматривалось как функция концентраций металлов. В иммобилизованных клетках наблюдалось значительное увеличение активности нитрат-редуктазы по сравнению со свободными клетками. Два различных состояние клеток показали весьма существенное различие фиксации диоксида углерода и выделения кислорода: иммобилизованные клетки фиксируют вдвое больше углерода, чем свободные, что стимулируется низкими концентрациями никеля и цинка (Mamta Awasthi et al., 2005).

Устойчивость Chlorella vulgaris к меди изучали методом сравнения физиологических характеристик и поглощения меди штаммов «дикого типа» и устойчивых к меди. Уменьшение скорости роста, сухой массы, содержания хлорофилла а, протеинов, аминокислот и сахаров наблюдалось в обоих штаммах при концентрациях меди 1,0 и 400 мкг/л-1. Снижение всех параметров было сильнее выражено в штаммах «дикого типа», чем в «устойчивых». Устойчивые штаммы имели сравнительно незначительные потери калия и натрия. В обоих видах штаммов была выявлена положительная связь аккумуляции пролинов с уровнем токсичности меди. Поглощение меди сильно зависело от ее концентрации в среде: чем меньше концентрация этого элемента, тем больше активность его поглощения и аккумулирующая способность клеток (Fathi et al., 2005).

Другим немаловажным направлением использования иммобилизованных клеток водорослей является создание оптических биосенсоров на основе клеток Chlorella vulgaris для определения токсичных веществ (Naessens et al., 2000)

Иммобилизацию клеток микроводорослей многие исследователи проводят на альгинате. Альгинаты – это соли альгиновой кислоты, которая является полисахаридом, извлекаемым из бурых водорослей. Это вязкое резиноподобное вещество. Её соли - альгинат натрия, альгинат калия и альгинат кальция используются в пищевой промышленности.

Удаление азота и фосфора из среды изучалось при помощи нового метода иммобилизации клеток, системы двух слоев: клетки микроводорослей фиксируются на первом слое, влажном, микропористом и ультратонком, а второй слой, противолежащий первому, имеет макропористую структуру и является питательным субстратом для клеток. Были взяты два вида зеленых микроводорослей: Chlorella vulgaris и Scenedesmus rubescens; обе водоросли эффективно удаляли нитраты из городских сточных вод. В экспериментах с использованием искусственных растворов водоросли уменьшали концентрацию фосфатов, солей аммония и нитратов до менее чем 10% от первоначальной в течение девяти дней. (Shi, Podola, Melkonian, 2007)

 

Иммобилизованные клетки зачастую обладают рядом преимуществ перед свободными клетками. Фиксация клеток Chlamydomonas reinhardtii на альгинате увеличивает их фотодыхательную активность. В фиксированных (иммобилизованных) клетках секреция фотодыхательного фермента фосфоглюколатфосфотазы на 75% выше, чем в свободно взвешенных клетках. Скорость продукции гликолата в фиксированных клетках вдвое выше, чем в свободных, при добавлении в среду аминооксиацетата (ингбитора трансаминазы) (Garbayo I. et al., 2005). Но данная тенденция не всегда себя проявляет. Исследование эффективности применения водорослей, иммобилизованных с помощью альгината в in situ фитотоксических тестах для оценки качества воды небольших загрязненных пригородных водоемов показало, что такие показатели токсичности воды, как рост и чувствительность клеток, приблизительно одинаковы для иммобилизованных и свободных водорослей. (Tamanaha M.S. et al., 2009)

Ряд работ проводилось для установления наилучших параметров для высокой скорости роста, высокой биохимической активности и других признаков иммобилизованных микроводорослей. Например, проводились исследования по влиянию света, величины рН и источников органического углерода на продукцию водорода водорослью Chlorella. Источником света, обеспечивающим наибольшее время продукции водорода, является оптическое волокно; оптимальный уровень продукции водорода достигался при рН=8,0. В качестве источников органического углерода были взяты глюкоза, фруктоза, сахароза и солодовый экстракт. Наибольший объем произведенного водорода (1,315 мл/л) наблюдался при добавлении сахарозы, а наибольшая скорость его продукции (24 мл/л/ч) – в присутствии фруктозы. (Rashid N. et al., 2012)

 

Основные требования к эффективной системе иммобилизации водорослей и свойствам идеальной матрицы для иммобилизации представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Требования к эффективной системе иммобилизации водорослей и свойствам идеальной матрицы для иммобилизации.

Требования к системе иммобилизации водорослей Свойства идеальной матрицы для иммобилизации водорослей
1. Сохранение жизнеспособности 2. Возможность фотосинтеза 3. Высокая плотность клеток 4. Непрерывная производительность 5. Слабое отлипание клеток от матрицы 1. Нетоксичность 2. Светопрозрачность 3. Стабильность среды роста 4. Сохранение биомассы 5. Устойчивость клеток к нарушениям (сбоям)

 

 





sdamzavas.net - 2018 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...