Биотехнология и практическое использование водорослей Миксотрофный рост Tetraselmis viridis в аксенической накопительной культуре
Жондарева Я.Д., Тренкеншу Р.П. Yana D. Zhondareva, Rudolf P. Trenkenshu
ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН»
УДК 581.131
На примере лабораторной культуры Tetraselmis viridis (Rouchijajnen) R.E.Norris, Hori & Chihara, 1980 экспериментально показана возможность аксенического миксотрофного роста микроводоросли в накопительном режиме выращивания. Реализация миксотрофии состояла в подаче в начальную питательную среду дополнительного источника энергии и углерода – глицерина (5,575 г/л). Аксеничность обеспечивали путем однократного добавления в питательную среду в начале опыта 2,5 г/л химического антибактериального средства – ампициллина (C16H19N3O5S). Для приближенной оценки степени бактериального заражения культур в контроле и опыте использовали данные измерений оптической плотности супернатанта (в красной области спектра, D750), получаемого после центрифугирования контрольных и опытных образцов. Эти измерения показали, что в течение вторых суток культивирования в контроле происходит бурный рост сопутствующих микроорганизмов и начинается угнетение роста микроводорослей. В опыте с амоксициллином рост бактерий практически не наблюдался. По разности оптических плотностей в красной области спектра (D750) культуры и супернатанта определяли плотность культуры T. viridis с помощью найденного ранее коэффициента – 0,8 г(АСВ)/(л∙ед.опт.пл.). В контроле культура достигла максимальной плотности 1,5 г/л на 5 сутки выращивания, а в опыте максимальная плотность за это же время увеличилась до 4 г∙л-1. Анализ кривых плотностей позволил выделить участки линейного роста и определить максимальную продуктивность культур в контроле (0,38 г∙л-1∙сут-1) и в опыте с амоксициллином (1,11 г∙л-1сут-1). По сравнению с аналогичными, но фотолитотрофными условиями выращивания T. viridis (скорость роста на линейном участке 0,42 г∙л-1сут-1), в контроле наблюдается незначительное снижение скорости. В опыте скорость роста аксенической миксотрофной культуры в 2,6 раза выше, чем при фотолитотрофном выращивании.. Ключевые слова: микроводоросли; Tetraselmis viridis; миксотрофная культура; аксеничность; амоксициллин; максимальная продуктивность
В настоящее время для массового производства микроводорослей широко применяется фотолитотрофное культивирование. При таком способе выращивания рост микроводорослей чаще всего лимитирован световым или углеродным питанием, что не позволяет реализовать максимальный продукционный потенциал культуры. Одним из самых дорогостоящих минеральных источников питания микроводорослей является углеродное обеспечение культур (Vázquez-Romero et al., 2022). Многочисленными исследованиями разных авторов экспериментально показано, что многие виды водорослей растут за счет метаболизма органического углерода (Abreu et al., 2022). В зависимости от вида и внешних условий водоросли способны к миксотрофному питанию (Penhaul Smith et al., 2020; Sutherland, Ralph, 2021), причем источники энергии и минеральных веществ могут быть комбинированными, а их пропорции зависят от того, какой из источников ограничивает рост и развитие водорослей в конкретных условиях выращивания (Жондарева, Тренкеншу, 2016; Жондарева, Тренкеншу, 2022). Использование недорогого органического источника энергии и углерода не только снижает себестоимость получаемой биомассы, но и значительно повышает продуктивность культуры. Недостатком такого миксотрофного или гетеротрофного (хемоорганотрофного) типа питания водорослей является частое заражение культур бактериями и простейшими, что приводит к низкой и нестабильной продуктивности. Возникает проблема аксеничности микроводорослевых культур (Chau Hai Thai Vu et al., 2018; Molina et al., 2019; Жондарева, Тренкеншу, 2022). В практике для решения этой проблемы используют несколько физических и химических приёмов, включающих центрифугирование, выбор среды для выращивания, фильтрацию, обработку ультразвуком, разбавление, очистку микропипеткой, вортексирование, которые позволяют контролировать или снижать бактериальную нагрузку в культурах микроводорослей. В некоторых случаях для очистки культур от бактерий и других микроорганизмов проводят облучение культур микроводорослей ультрафиолетовым светом (Квитко, 1961). Иногда для получения бактериологически чистых культур морских синезеленых микроводорослей применяют химическую стерилизацию культур микроводорослей путем обработки их в растворе стерильной морской воды, содержащей фенол и этиловый спирт (Афанасьев и др., 2015). Вместе с тем проводится проверка возможной токсичности доз применяемых фунгицидных препаратов на ростовые характеристики протококковых микроводорослей (Зинчук и др., 2023). Наиболее эффективным способом достижения аксеничности считается применение антибиотиков, а также их смесей в различных дозах (Joo-Yeon Youn, Sung Bum Hur, 2007; Azma et al., 2010; Афанасьев и др., 2015; Cardenas et al., 2016; Ricky et al., 2022). При этом использование в качестве антибиотиков левомицетина и ампициллина, а в качестве фунгицида нистатина позволяет добиться, с одной стороны, практически полного отсутствия бактерий в культуре морских синезеленых микроводорослей, а с другой стороны, избежать снижения скорости роста и ингибирования деления клеток (Афанасьев и др., 2015). В предлагаемом сообщении приведены экспериментальные результаты апробации метода оценки степени бактериального заражения миксотрофной культуры и химического способа получения аксенической миксотрофной культуры T. viridis.
Материалы и методы Объект. В опытах использовали альгологически чистую культуру Tetraselmis (Platymonas) viridis (Rouchijajnen) R.E.Norris, Hori & Chihara, 1980 (Guiry, Guiry, 2023) – штамм IBSS-25 из ЦКП «Коллекция гидробионтов Мирового океана» ФИЦ ИнБЮМ. Аппаратура, техника и условия культивирования полностью идентичны описанным в работе (Тренкеншу и др., 2022), с дополнительным одноразовым внесением в начальную питательную среду глицерина (5,575 г/л) и амоксициллина (2,5 г/л) в опытную среду. Математическую обработку и моделирование экспериментальных данных осуществляли с помощью компьютерных программ Grapher3 и Excel.
Результаты и обсуждение Аксенический рост микроводоросли T. viridis изучали в накопительной миксотрофной культуре. Аксеничность обеспечивали путем однократного добавления в питательную среду в начале опыта 2,5 г/л химического антибактериального средства – амоксициллина (C16H19N3O5S). В качестве контроля использовали данные миксотрофного роста в полностью идентичных условиях культивирования без использования антибактериальной добавки. Наиболее удобным вариантом для сравнительных оценок является оптический метод. Это связано с тем, что водоросли, в отличие от других микроорганизмов, содержат фотосинтетические пигменты и сильно окрашены в видимой области спектра. Кроме того, для большинства видов микроводорослей характерно оседание клеток при центрифугировании на небольших скоростях оборота с образованием плотного осадка. Графическая иллюстрация изменения оптических характеристик культур показана на рис. 1. Сравнительная оценка миксотрофного роста культур в контроле и опыте убедительно доказывает существенное влияние амоксициллина на ростовые характеристики T. viridis, особенно после вторых суток выращивания. Рис. 1. Динамика оптической плотности D750 накопительного миксотрофного роста T. viridis Fig. 1. Dynamics of optical density D750 of cumulative mixotrophic growth of T. viridis in the control (K)
Причиной различий может служить бактериальное заражение культуры в контроле, которого не происходит в опыте из-за присутствия антибиотика. Степень бактериального заражения можно оценивать по оптической плотности надосадочной жидкости после центрифугирования культуры. Результаты измерений оптической плотности D750 супернатанта приведены на рис. 2.
Рис. 2. Динамика оптической плотности надосадочной (после центрифугирования) жидкости миксотрофной культуры T. viridis в контроле (К) и опыте (О). Fig. 2. Dynamics of the optical density of the supernatant (after centrifugation) fluid of the mixotrophic culture of T. viridis in the control (K) and experiment (O).
Как видим, в контроле происходит резкое увеличение оптической плотности супернатанта, что свидетельствует о бурном развитии бактерий, особенно за вторые сутки, когда оптическая плотность увеличилась более чем в десять раз. Разность оптических плотностей культуры и супернатанта позволяет количественно оценить накопительный рост биомассы микроводорослей в культуре с помощью ранее определенного коэффициента пересчета – 0,8 г (абсолютно сухой массы) /л (ед. опт. плотности). Результаты приведены на рис. 3.
Рис. 3. Динамика роста концентрации биомассы миксотрофной культуры T. viridis в контроле (К) и опыте с добавкой амоксициллина (О). Fig. 3. Dynamics of biomass concentration growth of mixotrophic culture of T. viridis in the control (K) and experiment with the addition of amoxicillin (O).
Рост накопительной культуры Tetraselmis viridis, происходящий линейно на протяжении 1–4 суток, можно описать следующими уравнениями: где BK – максимальная плотность культуры Tetraselmis viridis в контрольном варианте эксперимента, г∙л-1; BО – максимальная плотность культуры Tetraselmis viridis в опытном варианте эксперимента, г∙л-1; PmК – продуктивность (линейная скорость роста) культуры Tetraselmis viridis в контрольном варианте эксперимента, г∙л-1∙сут-1; PmO – продуктивность (линейная скорость роста) культуры Tetraselmis viridis в опытном варианте эксперимента, г∙л-1∙сут-1.
Заключение На примере лабораторной культуры Tetraselmis viridis (Rouchijajnen) показан способ миксотрофного выращивания микроводоросли в аксеничных условиях с максимальной скоростью роста. В контрольном варианте культура микроводоросли достигла максимальной плотности 1,5 г∙л-1 на 5-ые сутки выращивания, а в опытном варианте с добавлением антибиотика максимальная плотность за это же время увеличилась до 4 г∙л-1. Анализ кривых плотностей позволил выделить участки линейного роста и определить максимальную продуктивность культур в контроле (0,37 г∙л-1∙сут-1) и в опыте с амоксициллином (1,11 г∙л-1∙сут-1). Таким образом, в опытном варианте эксперимента скорость роста аксеничной миксотрофной культуры в 3 раза выше, чем в контрольном варианте без добавления антибиотика..
Работа выполнена в рамках государственных заданий ФИЦ ИнБЮМ по следующим темам: "Исследование механизмов управления продукционными процессами в биотехнологических комплексах с целью разработки научных основ получения биологически активных веществ и технических продуктов морского генезиса" (№ гос. регистрации 121030300149-0) и «Комплексное исследование экологических и физиолого-биохимических особенностей микроводорослей различных таксономических групп при адаптации к меняющимся условиям среды» (№ гос. регистрации 124021300070-2). Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
Список литературы
Статья поступила в редакцию 30.06.2024
Об авторах Жондарева Яна Дмитриевна – Zhondareva Yana D. младший научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей им. А.О.Ковалевского РАН» (ФИЦ ИнБЮМ РАН), г. Севастополь, Россия (Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS, Russia, Sevastopol), Отдел биотехнологий и фиторесурсов yana.zhondareva@ibss-ras.ru Тренкеншу Рудольф Павлович – Trenkenshu Rudolf P. кандидат биологических наук r.trenkenshu@rambler.ru Корреспондентский адрес: Россия, 299011, Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФИЦ ИНБЮМ РАН; тел. (8692)-55-07-95.
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Жондарева Я.Д., Тренкеншу Р.П. Миксотрофный рост Tetraselmis viridis в аксенической накопительной культуре // Вопросы современной альгологии. 2024. №1 (24). С. 21–28. URL: http://algology.ru/2097 DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2024-1(34)-21-28; END – MULCZK Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно.
При перепечатке ссылка на сайт обязательна
Mixotrophic growth of Tetraselmis viridis in axenic culture Yana D. Zhondareva, Rudolf P. Trenkenshu Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS (Sevastopol, Russia) On the example of laboratory culture of Tetraselmis viridis (Rouchijajnen) R.E.Norris, Hori & Chihara, 1980, the possibility of mixotrophic growth of microalgae in the cumulative axenic cultivation mode was experimentally demonstrated. The implementation of mixotrophy consisted in supplying an additional source of energy and carbon to the initial nutrient medium of glycerol (5.575 g/l). Axenic conditions were provided by a single addition of 2.5 g/l of a chemical antibacterial agent, amoxicillin (C16H19N3O5S) to the nutrient medium at the beginning of the experiment. For an approximate assessment of the degree of bacterial contamination of cultures in the control and experiment, data from measurements of the optical density of the supernatant (in the red region of the spectrum, D750), obtained after centrifugation of the control and experimental samples, were used. These data showed that during the second day of cultivation in the control, there was a rapid growth of concomitant microorganisms, and inhibition of microalgae growth began. In the experiment with amoxicillin, bacterial growth was almost not observed. By the difference in optical densities in the red region of the spectrum (D750) of the culture and the supernatant, the density of the culture T. viridis was determined. using the previously found coefficient. In the control, the culture reached a maximum density of 1.5 g/l on the 5th day of cultivation, and in the experiment, the maximum density during the same time increased to 4 g/l. Analysis of density curves made it possible to identify areas of linear growth and determine the maximum culture productivity both in the control (0.38 gl-1∙day-1) and the experiment with amoxicillin (1.11 gl-1∙day-1). Compared to similar but photolithotrophic growing conditions, T. viridis (growth rate in the linear area of 0.42 gl-1∙day-1), a slight rate decrease was observed in the control. In the experiment, the growth rate of axenic mixotrophic culture was 2.5 times higher than that of photolithotrophic culture. Key words: microalgae; Tetraselmis viridis; mixotrophic culture; amoxicillin; maximum productivity
References
Authors Zhondareva Yana D. ORCID ID – https://orcid.org/0000-0003-0397-8162, Scopus AuthorID: 57189468954; WoS ResearcherID: ADG-0729-2022; SPIN-code: 887597. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS, Sevastopol, Russia yana.zhondareva@ibss-ras.ru Trenkenshu Rudolf P. ORCID ID – https://orcid.org/0000-0003-3727-303X, Scopus AuthorID: 53980650100; WoS ResearcherID: D-2495-2016; SPIN-code: 4355-6692, AuthorID: 883174. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS, Sevastopol, Russia r.trenkenshu@rambler.ru
ARTICLE LINK: Zhondareva Ya.D., Trenkenshu R.P. Mixotrophic growth of Tetraselmis viridis in axenic culture. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2024. № 1 (34). P. 21–28. URL: http://algology.ru/2097 DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2024-1(34)-11-28; END – MULCZK Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free. When reprinting a link to the site is required
К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
|
|||
|
|