Вести с полей: создана лабораторная система для микроводорослей

Российские ученые из Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН (ИФР РАН) разработали лабораторную систему и экспериментальные фотобиореакторы для интенсивного культивирования микроводорослей. Об этом рассказал участник исследований на секции «Продовольственная и экологическая безопасность» Международной научной конференции «Наука будущего», прошедшей в Орле на прошлой неделе.

Микроводоросли быстро размножаются и наращивают биомассу, поэтому становятся отличным кормом для животных или удобрением. При обработке из них можно сделать пищевые добавки и продукты для людей. Их можно модифицировать и заставить производить нужные вещества, в том числе чтобы получать косметику, фармацевтические препараты, биотопливо (почти биодизель, как выразился ученый). Но для ускорения их роста нужно выделять каждый штамм и изучать его «индивидуальные предпочтения». Такой работой, которая помогает получать больше сырья в более короткие сроки, и занялись ученые из Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН.

«Благодаря культивированию мы можем получат сырье даже от растений, которые не встречаются в России и сохранять преимущества природного сырья при более высокой продуктивности. Производить сырье в лаборатории можно круглый год, и для этого не нужны земельные площади. Еще один плюс культивирования микроводорослей в лаборатории в том, что легко стандартные показателям синтеза необходимых веществ. Такое сырье не будут контаминировано, ведь водоросли растут в стерильных условиях, и не будет содержать химических загрязнителей», — рассказал автор работы Давид Габриелян, старший научный сотрудник старший научный сотрудник кандидат технических наук Лаборатории экофизиологии микроводорослей ИФР РАН, кандидат технических наук.

Лаборатория получила мегагрант на 2019-2021 годы для работы на уникальных научных установках. Коллектив использовал три из них — Всероссийскую коллекцию культур клеток высших растений ИФР РАН, содержащую 117 генетических линий (ученым удалось пополнить ее десятью новыми штаммами-продуцентами), Коллекцию микроводорослей и цианобактерий ИФР РАН (в нее тоже были внесены новые образцы) и опытный биотехнический комплекс ИФР РАН с ферментерами до 600 литров, на котором можно наработать много биомассы. Такой огромный размер важен для перехода от чисто лабораторных экспериментов к производству, поскольку одноклеточные могут отлично расти в небольших сосудах и совершенно не размножаться при масштабировании, даже если все остальные условия — концентрация веществ в растворе, уровень кислорода, углекислого газа, температура, освещенность и так далее — остаются теми же.

Ученые модернизировали линию лабораторных установок, отработали цикл производства и создали новые биореакторые системы для культивирования микроводорослей и цианобактерий. Свой выбор они остановили на плоскостных фотобиореакторах. В них изучали характеристики разных штаммов микроводорослей, в том числе их оптимальные условия для роста и синтеза различных веществ. Ученые создали лабораторную систему для интенсивного культивирования микроводорослей с регулированием температуры, освещенности и подачи газов, а также с возможностью выращивать микроводоросли в четыре цикла, отличающихся по восьми параметрам (подробнее о ее характеристиках можно прочитать в статье).

Для микроводорослей Chlorella sorokiniana штамма IPPAS C-1 лучшими условиями оказалась температура 30–32ºС при 1.5–3% содержания CO2. В фотобиореакторах от 0,25 до 100 литров, разработанных в ИФР РАН, подобрали оптимальные условия, чтобы культивировать Chlorella sorokiniana IPPAS С-1, C. vulgaris IPPAS C-2 и Parachlorella kessleri IPPAS C-9. За 10 дней при таком масштабировании биомассу удалось увеличить в 168 раз.

«По итогам этой работы мы опубликовали 54 статьи в журналах списка WoS, запустили сотрудничество с семью лабораториями и компаниями. Кроме того, на наших данных защитилось четыре кандидата наук, три магистра и пять бакалавров. Результаты разработок по другому направлению мегагранта, посвященному выращиванию клеток высших растений, уже внедрены в Химико-биологическом объединении "Фирма ВИТА" и компании BioPharmos Group», — отмечает Давид Габриелян.

Культивирование водорослей удалось масштабировать от небольших лабораторных сосудов до уровня пилотного производства. В дальнейшем оно позволит оценить, будет ли экономически выгодной выработка сырья в полу-промышленных объемах.

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