МИКРОВОДОРАСЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАСИФИКАЦИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

На микроводораслите са еукариотни организми, photoautotrophs, т.е. получаване на енергия от светлина и синтезират собствена храна. Те съдържат хлорофил и други допълнителни пигменти, които им придават голяма фотосинтетична ефективност.

Те са едноклетъчни, колониални, когато са установени като агрегати и нишковидни (самотни или колониални). Те са част от фитопланктона, заедно с цианобактерии (прокариоти). Фитопланктонът е набор от фотосинтетични, водни микроорганизми, които плават пасивно или имат намалена подвижност.

Фигура 1. Volvox (сферичен) Източник: Frank Fox, чрез Wikimedia Commons

Микроводораслите са открити от земния Еквадор до полярните райони и са признати за източник на биомолекули и метаболити с голямо икономическо значение. Те са пряк източник на храна, лекарства, фуражи, торове и гориво и дори са индикатори за замърсяване.

характеристики

Производители, които използват слънчевата светлина като източник на енергия

Повечето микроводорасли са със зелен цвят, защото съдържат хлорофил (тетрапиролен растителен пигмент), фоторецептор на светлинна енергия, който позволява да се извърши фотосинтеза.

Някои микроводорасли обаче са с червен или кафяв цвят, тъй като съдържат ксантофили (жълти каротеноидни пигменти), които маскират зеления цвят.

местообитанията

Те обитават различни сладки и солени, естествени и изкуствени водни среди (като басейни и резервоари за риба). Някои са способни да растат в почвата, в кисели местообитания и в порести (ендолитични) скали, на много сухи и много студени места.

класификация

Микроводораслите представляват силно разнородна група, тъй като са полифилетични, тоест групират видове потомци на различни предци.

За класифицирането на тези микроорганизми са използвани различни характеристики, сред които са: естеството на техните хлорофили и техните запаси от енергийни запаси, структурата на клетъчната стена и вида мобилност, която те представят.

Характер на неговите хлорофили

Повечето от водораслите представят хлорофил тип А, а няколко представляват друг вид хлорофил, получен от него.

Мнозина са задължителни фототрофи и не растат на тъмно. Някои обаче растат на тъмно и катаболизират прости захари и органични киселини при липса на светлина.

Например, някои флагелати и хлорофити могат да използват ацетат като източник на въглерод и енергия. Други усвояват прости съединения в присъствието на светлина (фотохетеротрофия), без да ги използват като източник на енергия.

Въглеродни полимери като енергиен резерв

Като продукт на фотосинтетичния процес микроводораслите произвеждат голямо разнообразие от въглеродни полимери, които служат като енергиен резерв.

Например, микроводораслите от раздела Chlorophyta генерират резервно нишесте (α-1,4-D-глюкоза), много подобно на нишестетата на висшите растения.

Структура на клетъчната стена

Стените на микроводораслите имат значително разнообразие от структури и химичен състав. Стената може да бъде изградена от целулозни влакна, обикновено с добавяне на ксилан, пектин, манан, алгинови киселини или фуцинова киселина.

В някои варовити или коралови водорасли клетъчната стена показва отлагане на калциев карбонат, а други имат хитин.

От друга страна, диатомите имат силиций в клетъчната си стена, към който се добавят полизахариди и протеини, образуващи черупки с двустранна или радиална симетрия (плодове). Тези черупки остават непокътнати за дълго време, образувайки вкаменелости.

В микроводораслите Euglenoid, за разлика от предишните, липсва клетъчна стена.

Вид мобилност

Микроводораслите могат да имат жгутици (като Euglena и динофлагелати), но никога не са реснички. От друга страна, някои микроводорасли показват неподвижност във вегетативната си фаза, но техните гамети могат да бъдат мобилни.

Биотехнологични приложения

Хранене на хора и животни

През 50-те години немските учени започват масово отглеждане на микроводорасли за получаване на липиди и протеини, които ще заменят конвенционалните животински и растителни протеини, с цел покриване на консумацията на добитък и хора.

Напоследък масовото отглеждане на микроводорасли се проектира като една от възможностите за борба с глада и недохранването в световен мащаб.

Микроводораслите имат необичайни концентрации на хранителни вещества, които са по-високи от тези, наблюдавани при всеки по-висок растителен вид. Ежедневен грам микроводорасли е алтернатива за допълване на дефицитна диета.

Предимства от използването му като храна

Сред предимствата на използването на микроводорасли като храна имаме следните:

• Висока скорост на растеж на микроводораслите (те дават добив 20 пъти по-висок от соята на единица площ).
• Той генерира ползи, измерени в "хематологичния профил" и в "интелектуалния статус" на потребителя, когато консумира малки дневни дози като хранителна добавка.
• Високо съдържание на протеини в сравнение с други естествени храни.
• Висока концентрация на витамини и минерали: поглъщането на 1 до 3 грама микро-водорасли на ден, осигурява значително количество бета-каротин (провитамин А), витамин Е и В комплекс, желязо и микроелементи.
• Силно енергизиращ хранителен източник (в сравнение с женшен и цветен прашец, събран от пчелите).
• Те се препоръчват за тренировки с висока интензивност.
• Поради концентрацията си, ниското тегло и лекотата на транспортиране, сухият екстракт от микроводорасли е подходящ като нетрайна храна за съхранение в очакване на спешни ситуации.

Фигура 2. Arthrospira е широко използвана и масово култивирана цианобактерия. Източник: Джоан Саймън, отрязана от Пердита (английски потребител на Wikipedia), чрез Wikimedia Commons

аквакултури

Микроводораслите се използват като храна в аквакултурите поради високото им съдържание на протеини (от 40 до 65% в сухо тегло) и способността им да увеличават цвета на салмонидите и ракообразните с пигментите си.

Например, той се използва като храна за двучерупчести животни във всичките им етапи на растеж; за ларвни стадии на някои видове ракообразни и за ранен стадий на някои видове риби.

Пигменти в хранителната промишленост

Някои пигменти от микроводорасли се използват като добавки към фуражи за увеличаване на пигментацията на пилешко месо и яйчни жълтъци, както и за увеличаване на плодовитостта на говеда.

Тези пигменти се използват и като оцветители в продукти като маргарин, майонеза, портокалов сок, сладолед, сирене и хлебни изделия.

Фигура 3. Тръбни фотобиореактори, използвани за получаване на високо стойностни съединения от микроводорасли. Източник: IGV Biotech, от Wikimedia Commons

Човешка и ветеринарна медицина

В областта на хуманната и ветеринарната медицина потенциалът на микроводораслите се признава, защото:

• Те намаляват риска от различни видове рак, сърдечни и офталмологични заболявания (благодарение на съдържанието на лутеин).
• Те спомагат за предотвратяване и лечение на коронарна болест на сърцето, агрегация на тромбоцитите, анормални нива на холестерол, а също така са много обещаващи за лечение на определени психични заболявания (поради съдържанието им на омега-3).
• Те имат антимутагенно действие, стимулират имунната система, намаляват хипертонията и детоксикират.
• Те имат антикоагулантно и бактерицидно действие.
• Те повишават бионаличността на желязото.
• Лекарства, базирани на терапевтични и превантивни микроводорасли, са създадени за улцерозен колит, гастрит и анемия, наред с други състояния.

Фигура 4. Плосък фотобиореактор: използва се за получаване на микроводорасли с висока добавена стойност и при експерименти. Източник: IGV Biotech, от Wikimedia Commons

Торове

Микроводораслите се използват като биологични торове и почвени балсами. Тези фотоавтотрофни микроорганизми бързо покриват нарушените или изгорени почви, намалявайки риска от ерозия.

Някои видове предпочитат фиксирането на азот и дават възможност например да се отглежда ориз върху наводнена земя от векове, без добавяне на торове. Други видове се използват за заместване на вар в компост.

Козметични продукти

В състава на обогатени пасти за зъби са използвани микроводорасли, които елиминират бактериите, причиняващи зъбен кариес.

Кремовете, които включват такива производни, също са разработени за техните антиоксидантни и ултравиолетово-защитни свойства.

Фигура 5. Поддържане на микроводорасли в банки или щамове. Източник: CSIRO

Пречистване на отпадъчни води

Микроводораслите се прилагат в процеси на трансформация на органични вещества от отпадни води, генериране на биомаса и пречистена вода за напояване. В този процес микроводораслите осигуряват необходимия кислород на аеробните бактерии, разграждащи органичните замърсители.

Индикатори за замърсяване

Предвид екологичното значение на микроводораслите като основни производители на водни среди, те са индикаторни организми за замърсяване на околната среда.

В допълнение, те имат голяма толерантност към тежки метали като мед, кадмий и олово, както и към хлорирани въглеводороди, поради което те могат да бъдат показатели за наличието на тези метали.

биогаз

Някои видове (например хлорела и спирулина) са били използвани за пречистване на биогаз, тъй като те консумират въглероден диоксид като източник на неорганичен въглерод, в допълнение към едновременно контролиране на pH на средата.

биогоривата

Микроводораслите биосинтезират широк спектър от търговски интересни биоенергетични странични продукти, като мазнини, масла, захари и функционални биоактивни съединения.

Фигура 6. Култиватори от микроводорасли тип карусел, използвани при масово отглеждане на микроводорасли за козметичната и хранително-вкусовата промишленост. Източник: JanB46, от Wikimedia Commons

Много видове са богати на липиди и въглеводороди, подходящи за директна употреба като високоенергийни течни биогорива, на нива, по-високи от присъстващите в наземните инсталации, а също така имат потенциал като заместители на рафинеричните продукти на изкопаеми горива. Това не е изненадващо, като се има предвид, че по-голямата част от маслото се смята, че произхожда от микроводорасли.

Един вид, по-специално Botryococcus braunii, е широко проучен. Прогнозата за добив на масло от микроводорасли е до 100 пъти по-висока от сухоземните култури, от 7 500-24 000 литра масло на декар на година, в сравнение с рапица и палма, при 738 и 3690 литра, съответно,

Препратки

1. Borowitzka, M. (1998). Търговско производство на микроводорасли: водоеми, резервоари, грудки и ферментатори. J. от Biotech, 70, 313-321.
2. Циферри, О. (1983). Спирулина, Ядливият микроорганизъм. Microbiol. Откр., 47, 551-578.
3. Ciferri, O., & Tiboni, O. (1985). Биохимията и индустриалният потенциал на Спирулина. Ан. Преподобна Микробиол., 39, 503-526.
4. Conde, JL, Moro, LE, Travieso, L., Sánchez, EP, Leiva, A., & Dupeirón, R., et al. (1993). Процес за пречистване на биогаз с използване на интензивни култури от микроводорасли. Biotech. Писма, 15 (3), 317-320.
5. Contreras-Flores, C., Peña-Castro, JM, Flores-Cotera, LB, & Cañizares, RO (2003). Напредък в концептуалния дизайн на фотобиореакторите за отглеждане на микроводорасли. Interciencia, 28 (8), 450-456.
6. Duerr, EO, Molnar, A., & Sato, V. (1998). Култивирани микроводорасли като храна за аквакултури. J Mar Biotechnol, 7, 65-70.
7. Лий, Й.-К. (2001 г.). Системи и методи на микроалгални масови култури: тяхното ограничение и потенциал. Journal of Applied Phycology, 13, 307-315.
8. Мартинес Паласиос, Калифорния, Чавес Санчес, МС, Олвера Новоа, МА, и Абдо де ла Парара, Мичиган (1996). Алтернативни източници на растителни протеини като заместител на рибеното брашно за фураж от аквакултури. Доклад, представен в сборника на Третия международен симпозиум по хранене на аквакултурите, Монтерей, Нуево Леон, Мексико.
9. Olaizola, М. (2003). Търговско развитие на микроводородната биотехнология: от епруветката до пазара. Биомолекулярно инженерство, 20, 459-466.