Біотехнологічні перспективи використання мікроводоростей: основні напрями (огляд)

Виконав:

О.І. Боднар

Розглянуто основні сучасні напрями практичного використання мікроводоростей. Найбільш перспективним й актуальним є створення та оптимізація технології виробництва з одноклітинних водоростей біодизелю як поновлюваного та більш безпечного для довкілля джерела енергії. Культивування мікроводоростей здійснюється за відповідних фізико-хімічних, технічних та кліматичних умов з використанням різноманітних методик, що регулюють та модифікують процеси приросту біомаси та синтезу органічних речовин, зокрема ліпідів. Також проаналізовані дані щодо біохімічного складу водоростей (переважно ліпідного та білкового походження, пігментів, тощо) та їх активних компонентів, які використовуються для отримання біологічно активних речовин з лікувальною чи профілактичною метою у фармацевтичній, косметичній та ветеринарній практиці.

Ключові слова: водорості, культивування, альгокультура, біодизель, біологічно активні добавки

Рассмотрены основные современные направления практического использования микроводорослей. Наиболее перспективным и актуальным является создание и оптимизация технологии производства из одноклеточных водорослей биодизеля как возобновляемого и безопасного для окружающей среды источники энергии.

Культивирования микроводорослей осуществляется при соответствующих физико-химических, технических и климатических условиях с использованием различных методик, регулирующих и модифицирующих процессы прироста биомассы и синтеза органических веществ, в частности липидов.

Также проанализированы данные по биохимическому составу водорослей и их активных компонентов, которые используются для получения биологически активных веществ с лечебной или профилактической целью в фармацевтической, косметической и ветеринарной практике.

Ключевые слова: водоросли, культивирование, аквакультура, биодизель, биологически активные вещества

Unicellular algae are photosynthetic microorganisms are capable of growth and reproduction in different aquatic environments, namely in fresh and marine waters, hot springs, wastewater in of the industrial, agricultural and municipal origin. For many types of microalgae habitat is the soil, rocks, glaciers and other representatives of the living world. Therefore, algae are among the most common species on the planet. This indicates an extremely wide margin of adaptive processes and metabolic lability of them, which are easily tunable, adapting to environmental conditions and continue their life cycle.

Modern scientific research shows promise of algae as one of the most efficient producers of basic organic substances - proteins, lipids, carbohydrates, pigments, vitamins, and more. They are a source for the production of a variety of organic and inorganic substances, from hydrogen to complex polymers.

The article deals with basic modern directions of practical use of microalgae. The most promising and important is the creation and optimization of the production technology of unicellular algae biodiesel. Recently, due to the demand for renewable energy - biofuels and biodiesel microalgae attracted unprecedented interest. This is a renewable and environmentally friendly source of energy. The cultivation of microalgae carried out by appropriate physical, chemical, technical and climatic conditions using various methods. They regulate and modify the processes of growth and biomass synthesis of organic compounds, including lipids.

Also analyzed data on the biochemical composition of algae (mainly lipid and protein origin, pigments, etc.) and their active ingredients are used to produce biologically active substances for therapeutic or prophylactic purpose in the pharmaceutical, cosmetic and veterinary practice. Microalgae have long been used as a health food and dietary supplements and as animal feed in aquaculture and agriculture.

Beneficial effects of algae dietary supplements are in positive physiological effects on the metabolism of various substrates (energy intermediates, glucose, insulin, cholesterol, glutathione, triacylglycerol, etc.), protection from pro-oxidant, positive effect on the physiology of the digestive tract and intestinal microflora, activating effect on the immune system.

As well, these microorganisms can be useful for ecological gas cleaning and waste water. In addition, microalgae have become reliable targets for the expression of recombinant proteins.

Keywords: algae cultivation, aquaculture, biodiesel, biologically active supplements

Одноклітинні водорості є фотосинтезуючими мікроорганізмами, які здатні до росту та розмноження у різних водних середовищах, а саме, у прісних та морських водоймах, термальних джерелах, стічних водах промислового, сільськогосподарського та муніципального походження. Для багатьох видів місцем існування є ґрунт, гірські породи, льодовики, інші представники живого світу, позаяк водорості є одними з найбільш розповсюджених видів на Землі. Це свідчить про надзвичайно широкі межі їх адаптивності і лабільності метаболізму [11, 19, 26].

Сучасні наукові дослідження показують перспективність мікроводоростей як одних з найбільш ефективних продуцентів основних органічних речовин - протеїнів, ліпідів, вуглеводів, пігменти, вітамінів, тощо [19, 36]. Вони є джерелом для виробництва найрізноманітніших органічних та неорганічних речовин - від водню до складних полімерів. Мікроводорості вже давно використовуються як здорова їжа і біологічно активні добавки та корми для тварин в аквакультурі і сільському господарстві [2, 6, 8, 19, 26]. Також ці організми виявилися корисними для екологічного очищення газів і стічних вод [34]. Останнім часом через попит на поновлювані джерела енергії - біопаливо та біодизель, мікроводорості привернули безпрецедентний інтерес [14, 15, 17, 25]. Окрім цього, мікроводорості стали надійними об'єктами для експресії рекомбінантних протеїнів [9].

Використання водоростей в альтернативній енергетиці

Сучасна енергетика ґрунтується на спалюванні нафтопродуктів, вугілля та природного газу, що забруднює атмосферу величезною кількістю СО₂, метану, кислотоутворювальними оксидами азоту і сірки, завдаючи безпосередньої шкоди природі внаслідок посилення парникового ефекту [14]. Тому подальше використання цих горючих речовин як джерела енергії та палива є нестійким через виснаження запасів та вплив на стан довкілля. Нові та перспективні процеси, які спрямовані на підвищення використання відновлювальних і вуглецевонейтральних видів палив, необхідні для екологічної та економічної стійкості [4, 30].

Найактуальнішим питанням є створення альтернативного безпечного палива - біодизелю. Сьогодні значну частку біодизелю отримують з олійних культур, відходів харчової промисловості та тваринних жирів, однак ці кількості не можуть реально задовільнити існуючий попит на транспортне паливо та суттєво виснажують ґрунти [4, 31].

Класичні види біопалива, які виготовляють із різної за походженням сировини для біомаси, поділяють первинні та вторинні, останні умовно ділять ще на 1-е, 2-е і 3-є покоління (рис. 1) [17, 28].

Рис. 1. Класифікація видів біопалива.

Оцінюючи витрати на виробництво біопалива 1-го покоління та частково 2-го, слід враховувати чинники, від яких залежить кінцева вартість продукту: землевпорядні роботи, агротехніка, виробництво пестицидів і добрив, зрошування, робота сільгоспмашин, подрібнювачів і транспортних засобів, а також енергетичні витрати на забезпечення технологічних та біохімічних процесів отримання етанолу [4, 30, 31].

Враховуючи останні наукові дослідження та багатообіцяючі результати експериментів, власне, мікроводорості, як представники 3-ого покоління біопалива, будуть найефективнішим поновлюваним джерелом біодизельного палива, яке здатне забезпечити потреби сучасного людства. Як і всі рослини, мікроводорості використовують сонячне світло та діоксид вуглецю для синтезу органічних речовин, але з вищим коефіцієнтом корисної дії, тому синтез та накопичення поживних речовин (насамперед, ліпідів і білків) на одиницю приросту біомаси у них є набагато ефективнішим, ніж у культурних рослин [28, 37].

Загальноприйняте інтегроване виробництво біопалива з мікроводоростей (рис. 2) включає цикл культурального вирощування (залежно від технічних умов та поставлених завдань), відбір та первинна обробка біомаси, після чого стадія руйнування клітин та екстракція ліпідів для отримання біодизельного палива шляхом пере етерифікації [11, 17, 20].

Надзвичайно привабливою є екологічна перспектива використання мікроводоростей як сировини для виробництва біодизельного палива, що має ряд переваг: не містить сульфуру, повністю розкладається мікроорганізмами і тому відносно нешкідливе для природного середовища [29, 32]. Потрапляючи у воду чи ґрунт, біодизель зазнає повної біодеградації менш, ніж за один місяць [32], а розміри частинок викидів на 30-40% менші, ніж у звичайного дизельного палива. Згідно з літературними даними [6], з одного гектара землі можна отримати 446 л соєвої олії, або 2 690 л пальмової, а з такої ж площі водної поверхні - до 90 000 л біодизелю.

ISSN 2078-2357. Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол., 2017, № 1 (68) 139

Рис. 2. Інтегрований процес виробництва біодизельного палива і біоетанолу з мікроводоростей

Окрім цього, особливістю мікроводоростей є те, що деякі види здатні синтезувати і виділяти цукри, вуглеводні або етанол назовні, у культуральне середовище, тобто енергетичні речовини можна отримати без порушення рослинних культур [4, 6].

Ще одним важливим чинником для використання мікроводоростей, як джерела поновлюваної енергетичної сировини, є їх висока урожайність та високий вміст ліпідів на одиницю сухої біомаси. Так, середній вміст ліпідів у клітинах водоростей коливається у Botryococcus brauniiдо 35%, Chlamydomonas rheinhardii - 21%, Chlorella vulgaris- 14-22%, Euglena gracilis- 14-20%, Prymnesium parvum - 22-39%, Scenedesmus dimorphus - до 40%, Spirogyra sp. - 15-21% від маси сухої речовини [37, 39]. Проте, за певних несприятливих або стресових умов вміст ліпідів може збільшуватися у деяких видів до 70% і навіть до 90% від сухої маси [19, 25].

У водоростей, як і у вищих рослин, містяться різноманітні види сполук ліпідної природи, серед них: неполярні ліпіди - триацилгліцероли, диацилгліцероли та неетерифіковані жирні кислоти, та полярні - глікозилгліцероли і фосфогліцероли. Мембранними ліпідами більшості органел водоростей є переважно фосфоліпіди, однак мембрани хлоропластів еукаріот та синьо-зелених водоростей, відповідальних за фотосинтез, представлені чотирма класами гліцероліпідів, з яких фосфоліпідом є лише один фосфатидигліцерол [1, 21]. Триацилгліцероли мікроводоростей є резервом енергії та характеризуються вмістом насичених і мононенасичених жирних кислот, проте деякі види водоростей здатні накопичувати і довголанцюгові поліненасичені жирні кислоти [10, 12, 13].

Більшість водоростей здатні запасати досить велику кількість ліпідів у формі триацилгліцеролів до 57% (сумарних ліпідів), які відкладаються в цитоплазмі у вигляді великих крапель [12]. У клітинах, що активно діляться, частка триацилгліцеролів зазвичай є низькою, однак перехід водоростей у стаціонарну фазу росту чи вплив окремих стресових чинників може стимулювати їх нагромадження [1]. Посилений біосинтез триацилгліцеролів та відкладання їх у запас вважається одним з елементів первинної відповіді на ріст в умовах, коли кількість енергії, що надходить ззовні, перевищує можливості клітини утилізувати цю енергію під час росту й поділу клітин [33]. Для прокаріотичних синьозелених водоростей не властиве запасання ліпідів у формі триацилгліцеролів [1]; практично всі їх жирні кислоти входять до складу полярних ліпідів, які утворюють велику систему фотосинтетичних мембран [12]. Залишки жирних кислот, що входять до складу гліцероліпідів мікроводоростей, є надзвичайно важливими як для виконання ліпідами їх функцій, так і для цілеспрямованого використання водоростей у біотехнологіях фармацевтичних препаратів, біодизелю та кормо виробництві [21, 26].

Важливо відмітити, що якість біодизелю значно залежить від жирнокислотного складу вихідного матеріалу. З насичених жирних кислот у складі водоростей переважає пальмітинова, з ненасичених - пальмітоолеїнова (16:1) і ліноленова (18:3). Показово те, що загальна ненасиченість жирних кислот ліпідів мікроводоростей значно вища, ніж у пальмової олії, яка, однак, поступається соєвій. Слід зазначити, що жирнокислотний склад ліпідів мікроводоростей можна суттєво модифікувати фізико-хімічними умовами їх культивування [4, 5]. Зниження температури культивування, як і підвищення рівня освітленості, призводить до зростання частки ненасичених жирних кислот у хімічному складі водоростей. Разом з тим, змінюючи склад мінерального середовища культивування водоростей, або використовуючи інші фізико-хімічні впливи, можна регулювати інтенсивність та спрямованість біосинтезу ліпідів, співвідношення їх окремих класів та жирно кислотного складу, що є важливо для використання у біотехнології керованого отримання корисних продуктів [3, 5]. Так, дія більшості іонів металів призводить до накопичення ліпідів і посилення біосинтезу окремих їх класів, особливо триацилгліцеролів і зростання вмісту жирних кислот. Зростання вмісту ліпідів, як загального так і окремих класів, виявлено за дії Cd²+, Fe²+, Си²+та Zn²+ на різні види мікроводоростей [3, 18, 27]. Також виявлено, що вміст ліпідів у Chlorella minutissima за дії Сd²⁺ та Си²+зростає відповідно на 21,07% і 93,90% порівняно з контрольними показниками [40]. В іншому дослідженні [27] показано, що загальний вміст ліпідів збільшується до 56,6% біомаси сухої маси у клітинах Chlorella vulgaris у фазі пізнього експоненціального росту після дводенного культивування в середовищі з відсутніми іонами феруму і повторного інокулювання в середовище з додаванням FeCl^ концентрації 1,2*10"⁵моль/дм³ . Отже, встановлено, що йони металів викликають різноспрямовані зміни ліпідного складу клітин, що може бути пов'язане з різними механізмами їх дії на клітинний метаболізм та його адаптивні перебудови, що, скоріш за все, спрямовані на зменшення їх токсичного впливу.

Одноклітинні водорості як сировина для виготовлення БАД

Біологічно активними добавками є фізіологічно активні, безпечні речовини або сполуки, які повинні мати точні фізико-хімічні характеристики та науково обґрунтовані властивості, корисні для поліпшення та збереження здоров'я, установлені й схвалені норми щоденного вживання. Сприятливі ефекти, які БАДи можуть виявляти на організм, пов'язують із їх певними позитивними фізіологічними впливами на метаболізм різних субстратів (енергетичних інтермедіатів, глюкози, інсуліну, холестерину, глутатіону, тріацилгліцеролів, тощо); захист проти прооксидантів; позитивний вплив на фізіологію шлунково-кишкового тракту та кишкової мікрофлори; активуючий вплив на імунну систему [2, 7, 22, 38].

Водорості є найбільш важливим та ефективним потенційним природним джерелом великої кількості біологічно активних речовин (табл.) широкого спектру дії (поліненасичені жирні кислоти, похідні хлорофілу, полісахариди, фукоїди, глюкани, пектини, галактани, альгінова кислота, вітаміни, амінокислоти, протеїни, ферменти, рослинні стерини, каротиноїди, мікроелементи, тощо) з високою можливістю для біотехнологічних процесів [16, 35].

Застосування сполук водоростевого походження у медицині й медичній промисловості сформувалося в три основні напрями[11, 16]:

1 - допоміжні хіміко-фармацевтичні речовини для виробництва різних лікарських форм медичних препаратів,

2 - медичні вироби у вигляді марлі, вати, серветок, губок, тощо для місцевого гемостазу при зовнішніх і внутрішньопорожнинних кровотечах,

3 - лікарські засоби та БАДи до їжі різноспрямованої дії.

Серед багатьох видів водоростей, як прісноводних, так і морських, найбільшої популярності досягли - Spirulina, Chlorella, Nostoc, Laminaria, Dunaliella та інші.

Таблиця Деякі органічні речовини, які отримують з мікроводоростей для практичного використання