Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
1.12. Отдел Бурые водоросли
Представители этого отдела в своем большинстве макроскопические организмы, которые имеют окраску от оливковозелёной до коричневой, почти чёрной окраски (рис. 12), что обусловлено наличием в хлоропластах пигментов хлорофиллов, каротинов, ксантофиллов (в основном фукоксантин).
В результате фотосинтеза водоросли этого отдела накапливают углеводы (ламинарин), шестиатомный спирт – маннит и
липиды, крахмала никогда не образу
ется.
Клетки имеют оболочку, состоящую из двух-трёх слоёв
и содержащую полисахариды: целлюлозу, пектиновые вещества.
Так же клеточная стенка имеет в своём составе большое количество белковых соединений альгиновой кислоты и её солей –
Рис. 12. Представители отдела Бурые водоросли
21
альгинатов. Состав клеточной стенки Бурых водорослей позволяет легко выделять слизь, что предохраняет слоевище водорослей от высыхания. В клеточной стенке расположены поры,
с помощью которых соседние клетки соединены плазмодесмами.
Количество хлоропластов в клетках может сильно варьироваться, чаще всего они имеют дисковидную форму, также
в клетках находятся одна крупная или нескольк
о мелких вакуолей и физоды – мелкие вакуоли, заполненные фукозаном –
соединением, имеющим сходство с дубильными веществами.
В клетках имеется одно ядро с ядрышком.
Размножение вегетативное, бесполое и половое. Вегетативное размножение осуществляется посредством особых почек
вегетативного размножения и столонов. Бесполое размножение
происходит путём формирования зооспор или, реже, неподвижных апланоспор. Перед образованием спор клетка делит
ся мейозом, затем споры прорастают в гаплоидное поколение (гаметофиты), на которых образуются половые органы. У более просто
организованных бурых водорослей половой процесс – изо- или
гетерогамия, у высокоорганизованных – оогамия.
Большое промышленное значение биомасса Бурых водорослей имеет в качестве источника сырья для производства альгинатов – сол
ей альгиновой кислоты, применяемых в качестве
пищевых добавок в производстве консервов, мороженого, фруктовых соков. Так же альгинаты используются при производстве
смазочных масел, в фармацевтической и парфюмерной промышленности.
Представители этого отдела водорослей служат сырьём
для производства маннита. Биомасса Бурых водорослей содержит большое количество йода и других микроэлементов,
используются в медицин
е, с давних пор употребляются в пищу
[1 – 7].
22
1.13. Отдел Chlorophyta – Зелёные водоросли
Chlorophyta самый большой отдел водорослей, включающий до 20 тысяч видов, которые имеют зелёную окраску,
что обусловлено наличием в хлоропластах большого количества
хлорофилла (рис. 13).
Зелёные водоросли могут быть одноклеточными, колониальными или многоклеточными, форма клеток разнообразная,
но никогда не встречается амебоидной формы.
Пигментная система представлена хлорофиллом, каротиноидами и ксантофиллами: лютеином, неоксантином, виолаксантином, зе
аксантином, антераксантином.
Запасной углевод Зелёных водорослей – это крахмал, который накапливается внутри хлоропласта: вокруг пиреноида и
в строме. Клеточная стенка представителей отдела Chlorophyta
чаще всего цельная, но в оболочке имеются поры, через которые
внутренняя система клетки взаимодействует с внешней средой,
также через поры наружу выделяется слизь, которая позволяет
клетке передвигаться в п
ространстве.
Рис. 13. Представители отдела Зелёные водоросли
23
Зелёные водорослей размножаются вегетативным, бесполым и половым способами:
1) вегетативное размножение у одноклеточных форм про-
исходит делением клетки пополам;
2) бесполое размножение представителей отдела Chlorophyta
осуществляется подвижными зооспорами, реже неподвижными
апланоспорами и гипноспорами;
3) половое размножение осуществляется гаметами, возни-
кающими в неизмененных, слегка изменённых или значительно
преобразованных клетках – гаметангиях.
Единой системы классификации п
редставителей отдела
Chlorophyta не существует, деление на классы в разных системах сильно различается, и их общее количество доходит до 8–9
[3 – 5].
1.14. Отдел Хлорарахниофиты
Этот отдел представлен небольшим количеством представителей водорослей. Представители Хлорарахниофитов имеют
пластиды, содержащие четыре мембраны, как у Криптофитовых,
и содержат нуклеоморфу, которая представляет собой редуцированное ядро фотоавтотрофного эукариотного эндосимбионта.
Хлорарахниофиты обитают в тёплых водоёмах и представляют собой амебоидные клетки, соединённые нитевидными филоподиями в сетевидные плазмодии (рис. 14).
Пластиды содержат хлор
офилл, каротиноиды.
У жгутиковых представителей Хлорарахниофитов имеется
жгутик, который заворачивается вокруг клетки при плавании.
Размножаются представители этого отдела делением клетки
надвое, бесполым путём с помощью зооспор, у небольшого количества видов известно половое размножение.
Представители отдела Chlorarachniophyta, как предполагают, произошли от амёб приобретением пластид [1 – 7].
24
Рис. 14. Представители отдела Хлорарахниофиты
1.15. Отдел Эвгленовые водоросли
Представители этого отдела чаще всего микроскопические
одноклеточные организмы с одним или несколькими жгутиками, лишь небольшое количество видов Эвгленовых водорослей
не имеет жгутиковых и имеет колониальную форму (рис. 15).
К началу нашего столетия этот отдел насчитывает чуть более 900 видов, которые имеют различный тип питания (фототрофы, сапрофиты, галофиты, миксотрофы; паразиты животных).
Окрашенны
хлорофилл, β-каротин, антераксантин, лютеин, виолаксантин.
Организмы, не способные к фотосинтезу, бесцветные. Гетеротрофы и некоторые фотосинтетические виды имеют клеточный
рот или цитостом.
Основные продукты метаболизма, накапливаемые внутри
клеток, – парамилон и липиды.
е Эвгленовые водоросли содержат в клетках
25
Рис. 15. Представители отдела Эвгленовые водоросли
Морфология представителей отдела Эвгленовых водорослей клеток многообразна, но самой распространённой является
эвгленообразная. Под фосфолипидным бислоем находится пелликула, которая представляет собой плотный эластичный белковый слой протопласта, под которой расположены слизистые
тельца – выделительные органеллы, заполненные водорастворимыми мукополисахаридами. Эти вещества имеют слизеобразную консистенцию и выделяются в большом количестве у колониальных форм.
Фотосинтетики содержат хлоропласты, число которых
варьиру
ется от одного-двух до нескольких сотен, чаще всего
хлоропласты имеют дисковидную, звёздчатую или лентовидную
форму. Самые крупные хлоропласты содержат пиреноиды,
на поверхности которых откладывается особый запасной углевод Эвгленовых – парамилон (полимер глюкозы).
Бесцветные Эвгленовые водоросли в качестве запасного
питательного вещества могут накапли
вать гликоген, липиды.
26
Эвгленовые водоросли содержат большое количество митохондрии, сократительную вакуоль, одно ядро. Для представителей этого отдела характерен митоз с сохранением ядерной оболочки с внутриядерным веретеном – эвгленомитоз, при этом
ядрышко сохраняется и делится перешнуровкой, хромосомы
постоянно находятся в конденсированном виде.
Эвгленовые водоросли чаще всего содержат 1–2, если жгутиков два, то они не равны по длине, лиш
ь у нескольких видов
оба жгутика одинаковые.
Размножение Эвгленовых водорослей происходит путём
продольного деления клетки надвое, причём деление у большинства видов осуществляется от переднего края клетки к заднему.
Половой процесс у представителей этого отдела мало изучен считается, что он не является характерной чертой цикла ра
з-
вития.
Эвгленофитовые водоросли распространены: в небольших
водоёмах с различной степенью загрязнения и в крупных –
водохранилищах, озёрах и реках.
Большая часть видов окрашивает воду в зелёный, жёлтозелёный, бурый и кирпично-красный цвет.
Паразитические бесцветные формы Эвгленовых водорослей
могут обитать в почве, живут в кишечниках нематод, амфибий,
на жабрах рыб [3 – 6].
Кон
трольные вопросы по разделу
1. Дайте определение микроводорослей.
2. Перечислите отделы микроводорослей.
3. Выберите и опишите любой отдел микроводорослей.
4. Перечислите представителей выбранного вами отдела
ранее.
5. Расскажите о способах размножения микроводорослей.
27
2. СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Величина научных исследований и разработка технологий
по культивированию и обработке клеток микроводорослей постоянно растёт. Наиболее крупные проекты по культивированию микроводорослей:
1. Проект «Aquatic Species», в котором проводилось изуче-
ние условий культивирования микроводорослей в открытых фотобиореакторах. Было определено, что организация такой технологии возможна в Калифорнии, на Гавайях и в Нью-Мексико
из-за вы
вероятность контаминанции таких фотобиореакторов патогенной и условно патогенной микрофлорой. Учёные также определили, что необходимо усовершенствовать процесс концентрации клеток для дальнейшего извлечения из них целевого продукта [8].
спектив использования клеток микроводорослей для производства биотоплива. Предложенные технологии позволили получить реактивное топливо из микроводорослей и рыжика [9].
исследование по разработке экологически чистого производства
биотоплива из микроводорослей.
(Япония) проводил изучение возможности улавливания атмосферного углекислого газа с помощью процесса фотосинтеза
путём выращивания клеток микроводорослей, с последующей
переработкой её в ценные продукты (пищевые добавки, пигменты) [10].
следование по культивированию биомассы микроводорослей
сокой среднесуточной температуры воздуха, но велика
2. Корпорация Honeywell UOP спонсировала изучение пер-
3. Компания Green Star Products, Inc. (GSPI) спонсировала
4. Research Institute of Innovative Technology for the Earth
5. На Гавайях [11] (1997 – 2001) проводилось крупное ис-
28
Haematococcus pluvialis – сырья для производства липидов и
пигмента астаксантина. Культивирование осуществлялось в две
стадии: первая стадия накопительное культивирование (максимальное накопление биомассы); вторая стадия – стрессовое
культивирование в открытых фотобиореакторах – ускоренный
синтез целевых продуктов – масла и астаксантина. Анализ результатов этих исследований позволил сделать вывод, что наиболее перспективно создание комплексных производств нескольких видов продуктов для решения проблем, связанных
с высокой энергоёмкостью концентирования клеток микроводорослей, дезинтеграцией стенок у клеток и экстракцией целевых
метаболитов.
2.1. Технология производства биодизельного топлива
Создание экономически выгодных технологий по производству биодизеля – это важное направление исследований в области биоэнергетики, так как огромное количество транспортных
средств используют дизельное топливо. В конце двадцатого
столетия биодизельная промышленность переживала значительный подъём – увеличение производства более чем в 2 раза каждые 2 года. Биодизель производился из масла зерновых культур
(рапс, соя, п
этерификации с метанолом или этанолом. Получаемые таким
образом эфиры жирных кислот могут использоваться в качестве
замены или в смеси с дизельным топливом, так как их физические и химические свойства схожи и совместимы.
Недостатком этого вида биодизеля является потребность
в площадях пахотных земель, которые могу
для выращивания пищевых продуктов. В настоящее время приблизительно 8% произведённого растительного масла используется для производства биодизеля, и это способствовало увеличению цен на продукты из масличных культур за последние не-
одсолнечник и пальма) с помощью реакции пере-
т быть использованы
29
сколько лет, при этом мировая биодизельная промышленность
в настоящее время работает далеко не в полную мощность из-за
нехватки сырья.
Биотопливо третьего поколения получают из клеток микроводорослей. Это сырьё является перспективным для решения
экологических проблем, продовольственной и энергетической
безопасности.
Для производства биотоплива микроводоросли содержат
внутри себя большое количество нейтральных жиров, что возможно при подборе спец
иальных условий культивирования.
Проведённые исследования [12] позволяют сделать вывод,
что выход жиров с единицы биомассы микроводорослей существенно выше, чем из биомассы масличных наземных культур,
но при этом, выход липидов существенно зависит от штамма
микроводорослей.
В работе [13] определено, что возможно получение 30 т
биотоплива в год c 1 га открытых ф
отобиореакторов, при культивировании Диатомовых водорослей, имеющих среднюю производительность 50 г/(м
2
⋅сут), а клетки микроводорослей будут
содержать 50% (масс./масс.) жиров.
В ряде исследований [14] были осуществлены попытки вычислить стоимость экстракции липидов из клеток микроводорослей. Несмотря на то, что эта область использования микроводрослей находится в зачаточном состоянии и необходимо
проведение дальнейших исследований, системы производства
биотоплива из клеток микроводорослей могут быть экономически выгодны
ми, даже при использовании существующих низко-
технологичных подходов.
Штаммы микроводорослей: Chlorella vulgaris, Spirulina
maxima, Chlamydomonas reinhardtii, Nannochloropsis sp.,
Neochloris oleoabundans, Scenedesmus obliquus, Nitzchia sp.,
Schizochytrium sp., Chlorella protothecoides, Dunaliella tertiolecta
могут быть использованы в качестве продуцентов жиров.
30