Описано, как микроводоросли совмещают разные источники энергии и углерода

Ученый из Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН совместно с китайскими и американскими коллегами описал метаболизм миксотрофных микроводорослей, то есть тех, что в процессе жизнедеятельности используют разные источники энергии и углерода. Представив факторы, влияющие на миксотрофию, авторы предложили использовать непрерывный способ культивирования таких микроводорослей. Обзорная статья опубликована в журнале Bioresource Technology.

В последние годы микроводоросли привлекают много внимания из-за возможности их использования в энергетике и в фармацевтике. Микроводоросли вырабатывают липиды и жирные кислоты, составляющие основу биодизеля. Они также выступают источником биологически активных соединений, востребованных в пищевой, медицинской и косметической промышленностях. Культуры микроводорослей отличаются друг от друга по разным признакам, в частности, по источникам энергии и углерода. Некоторые из них используют фотосинтез и поглощают углекислый газ из атмосферы, а другие для получения энергии используют органические формы углерода, то есть являются гетеротрофами. В последнем случае микроводоросли могут расти в темноте, так как не нуждаются в свете для жизни. И фотосинтезирующие, и гетеротрофные микроводоросли не очень подходят для широкомасштабного культивирования, поскольку в обоих случаях нарабатывается мало биомассы и липидов. В связи с этим исследователи ищут оптимальный способ культивирования микроводорослей.

В обзорной статье международный коллектив ученых исследовал миксотрофные микроводоросли, которые способны совмещать гетеротрофию и фотосинтез. Накопление биомассы микроводосрослей, синтез метаболитов и их активность при миксотрофном режиме питания выше, чем в совмещенных фотоавтотрофном и гетеротрофном режимах вместе взятых, что делает его более предпочтительным при промышленном культивировании микроорганизмов. Миксотрофы способны нарабатывать на 87% больше биомассы по сравнению с гетеротрофами и в 2,5 раза больше, чем фотосинтезирующие водоросли. Миксотрофы также накапливают на 77% и 32% больше липидов, чем фотосинтезирующие и гетеротрофные микроводоросли соответственно. К миксотрофии склонны такие виды, как Chlorella spp., Dunaliella salina, Amphidinium caterae и другие. При этом у них наблюдается так называемый синергический эффект, то есть миксотрофия лучше, чем фотосинтез и гетеротрофия по отдельности, и больше, чем просто сумма двух этих способов получения энергии. При миксотрофии фотосинтез и гетеротрофия дополняют друг друга: например, возникает «переработка» углекислого газа (CO2), вырабатываемого при дыхании и поглощаемого при фотосинтезе. В то же время ученые отметили, что чувствительность миксотрофов к свету снижена, а большая часть энергии вырабатывается за счет гетеротрофии.

В своей работе исследователи рассмотрели факторы, которые нужно учитывать при работе с миксотрофной культурой. Внутренние факторы зависят от конкретного используемого вида, для которого нужно подробно изучить особенности как гетеротрофии, так и фотосинтеза. К внешним факторам относятся содержание и концентрация неорганических и органических веществ в среде, интенсивность света, температура и так далее. Помимо этого, также можно дополнительно регулировать различные метаболические пути, используемые микроводорослями, чтобы оптимизировать их работу.

Ученые пришли к выводу, что с миксотрофными микроводорослями удобнее всего работать при непрерывном культивировании, когда питательные вещества подаются постоянно, а биомасса отбирается из реактора в непрерывном режиме. Этот метод до сих пор не был широко внедрен из-за опасности заражения культуры бактериями и риска гибели водорослей. Исследователи отметили, что эти проблемы можно решить, обеспечив стерильность. Других трудностей, связанных, например, с низким доступом к свету некоторых слоев культуры, можно избежать за счет использования миксотрофов.

«Современный ритм жизни и развития толкает исследователей к поиску точек соприкосновения между технологическим прогрессом и живой природой. Такой симбиоз представляют собой важный ресурс, способный реализовать ресурсосбережение, получить ценные метаболиты и снизить негативное воздействие на окружающую среду», – прокомментировал Артем Маняхин, кандидат биологических наук, руководитель Лаборатории лекарственных растений Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».