Железнова С.Н., Геворгиз Р.Г.

Svetlana N. Zheleznova,  Ruslan G. Gevorgiz

Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского

УДК 579:582.26/.27:581.57

Исследованы ростовые характеристики диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium, культивируемой на питательных средах, полученных при разных концентрациях биогенных элементов. Показано, что продуктивность культуры возрастает при пропорциональном увеличении биогенных элементов в питательной среде. Максимальная продуктивность микроводоросли получена при культивировании на питательной среде 20 F и составила 1,54 г_сух∙л^-1∙сут^-1.

Ключевые слова: диатомовая водоросль Cylindrotheca closterium; продуктивность; культивирование

Введение

Диатомовая водоросль Cylindrotheca closterium имеет уникальный состав полиненасыщенных жирных кислот и каротиноидов. Содержание фукоксантина в клетках C. closterium достигает 1-1,5 % сухого вещества, а жирных кислот – 22 % (из них 40 % полиненасыщенные жирные кислоты) (Dunstan et al., 1994). В связи с богатством полиненасыщенных жирных кислот и каротиноидов C. closterium можно рассматривать как перспективный объект биотехнологии (Burkhardt et al., 1999; Rijstenbil, 2003; Suman et al., 2012). При изучении ростовых и биохимических характеристик C. closterium авторы ведут расчеты на клетку, и плотность культуры выражают в млн. клеток на мл (Burkhardt et al., 1999; Rijstenbil, 2003; Affan et al., 2009; Kingston, 2009). Следует отметить, что клетки микроводоросли C. closterium Черного моря и других регионов в значительной степени отличаются по размерам. Все это затрудняет проводить сравнительный анализ ростовых характеристик микроводоросли и часто приводит к противоречивым результатам. В литературе практически отсутствуют сведения о продукционных характеристиках C. closterium в интенсивной культуре. Поэтому цель данной работы – экспериментально определить зависимость максимальной продуктивности C. closterium в накопительной культуре от концентрации биогенных элементов в питательной среде.

Материалы и методы

Объектом исследования была выбрана диатомовая водоросль Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin из коллекции культур микроводорослей отдела экологической физиологии водорослей Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского. Микроводоросль C. closterium выращивали методом накопительных культур на люминостате в колбах объемом 1 л при температуре 20-22° С и освещённости 13 Клк. На первом этапе исследования культуру микроводоросли адаптировали к экспериментальным условиям на стандартной питательной среде F (Guillard, Ryther, 1963). Адаптированную культуру использовали в качестве инокулята для дальнейших экспериментов. Затем C. closterium выращивали в 7 колбах с различной концентрацией биогенных элементов в питательной среде. Накопительные культуры микроводорослей, полученные при пропорциональном увеличении концентрации нитрата натрия, дигидрофосфата натрия и метасиликата натрия  в среде относительно F, обозначили как: 2 F – двукратное увеличение, 3F – трехкратное и т.д. Накопительная культура, выращенная на питательной среде  F, служила в качестве контроля. Питательные среды 2 F – 30 F готовили без витаминов на стерильной морской воде (Сиренко и др., 1975). В процессе выращивания культуру непрерывно барботировали воздухом с помощью микрокомпрессора со средней скоростью подачи воздуха 0,5 л на 1 л культуры в 1 мин.

Измерение оптической плотности культуры проводили ежедневно на длине волны 750 нм с помощью фотоэлектроколориметра ФЭК-2 (длина кюветы 0,5 см). Одновременно подсчитывали число клеток в камере Горяева. Для перехода от оптической плотности (D) к сухой биомассе микроводорослей (W_сух.) использовали линейную зависимость D = k ∙ W_сух. (R² = 0,91), где k = 0,4. Коэффициент k определили посредством параллельных измерений оптической плотности и сухой массы в 30 пробах.

Результаты и обсуждение

Динамика накопительной культуры C. closterium при различной концентрации биогенных элементов в питательной среде представлена на рис. 1. Все накопительные кривые характеризуются отсутствием лаг- и экспоненциальной фаз роста. Следовательно, во всех вариантах опыта, начиная с первого дня эксперимента, рост культуры лимитировался либо концентрацией биогенных веществ в питательной среде, либо световым обеспечением клеток. Из рисунка видно, что при увеличении концентрации биогенных элементов угол наклона накопительной кривой повышается, т. е. продуктивность культуры в начальный момент времени зависит от концентрации биогенов в среде. Следует отметить, что в начальный момент времени продуктивность была максимальной для всех вариантов опыта, поэтому можно считать, что культура C. closterium на протяжении всего эксперимента находилась в стадии замедления роста (Геворгиз, Лелеков, 2013). Максимальные значения плотности культуры в стационарной фазе роста для всех вариантов опыта, как и продуктивность, зависели от концентрации биогенных элементов в среде.

Таким образом, экспериментально показано, что использование обедненной стандартной питательной среды F для интенсивного культивирования C. closterium с целью накопления биомассы нецелесообразно. Для увеличения скорости роста и накопления биомассы C. closterium необходимо в питательной среде увеличивать концентрацию биогенных элементов, что соответствует представлениям о субстрат зависимом росте микроорганизмов в культуре  (Тренкеншу, 2010).

Рис. 1. Динамика плотности накопительной культуры Cylindrotheca closterium при различных концентрациях питательных веществ: 1 – концентрация биогенных веществ соответствует среде F; 2 – 2 F; 3 – 3 F; 4 – 4 F; 5 – 5 F; 6 – 10 F; 7 – 20 F; 8 – 30 F.
Fig. 1. Dynamics of the density of enrichment culture Cylindrotheca closterium at different nutrients concentrations: 1 - corresponds to the concentration of nutrient medium F; 2 - 2 F; 3 - 3 F; 4 - 4 F; 5 - 5 F; 6 - 10 F; 7 - 20 F; 8 - 30 F.

Зависимость скорости роста C. closterium от концентрации биогенных элементов в питательной среде (рис. 2) хорошо описывается уравнением Михаэлиса – Ментена:

где Р – продуктивность культуры, г_сух∙л^-1∙сут^-1;
Р_m – максимальная продуктивность культуры, г_сух∙л^-1∙сут^-1;
S – начальная концентрация биогенных элементов (субстрата), мг∙л^-1;
K_m – константа полунасыщения.

Рис. 2. Зависимость скорости роста Cylindrotheca closterium от концентрации биогенных элементов в питательной среде. На оси абсцисс показано увеличение концентрации азота, фосфора и кремния в среде относительно стандартной питательной среды F (Guillard, Ryther, 1963).
Fig. 2. The dependence of the growth rate Cylindrotheca closterium the concentration of nutrients in the medium. The abscissa shows the increase in concentration of nitrogen, phosphorus and silicon in the medium relative to a standard nutrient medium F (Guillard, Ryther, 1963).

Значения максимальной продуктивности C. closterium (P_m = 1,54 г_{сух.массы}∙л^-1∙сут ^-1) и константы полунасыщения (K_m = 4,75) рассчитаны методом наименьших квадратов. Анализируя зависимость скорости роста от концентрации биогенных элементов, можно заметить, что в диапазоне F – 5 F продуктивность (Р) культуры прямопропорциональна концентрации биогенных элементов (S) в среде (P = 0,23∙S). При достижении насыщающих концентраций по основным биогенным элементам: 1,182г ·л^-1 нитратов натрия, 78,8 мг·л^-1 дигидрофосфата натрия и метасиликата натрия 472,8 мг·л^-1 происходит смена лимитирующего фактора, поэтому скорость роста становится практически независимой от содержания  биогенных элементов в среде.

Из анализа литературы известно, что максимальная плотность данной микроводоросли достигает 0,5 г сухой биомассы на 1 л при выращивании на питательной среде F/2 (Affan et al., 2009; Rijstenbil, 2003). Концентрация биогенных элементов в питательной среде F/2 очень низкая, что не дает возможность получить интенсивную культуру микроводоросли.

Выводы

Впервые получена интенсивная культура C. closterium с максимальной продуктивностью 1,54 г_{сух..массы}∙л^-1∙сут^-1. Экспериментально установлена гиперболическая зависимость продуктивности культуры C. closterium от концентрации биогенных элементов в питательной среде. Показано, что при пропорциональном увеличении концентрации биогенных элементов в среде в пять раз, в сравнении со стандартной питательной средой F, продуктивность прямопропорционально зависит от концентрации биогенных элементов в среде. 

Список литературы

1. Геворгиз Р.Г., Лелеков А.С., Король О.Н. Моделирование динамики роста популяции микроорганизмов в накопительной культуре. Закрытая система // Рыбное хозяйство Украины. 2013. Т. 5. C. 6–15.

2. Сиренко Л.А., Сакевич А.И., Осипов Л.Ф., Лукина Л.Ф., Кузьменко М.И., Козицкая В.Н., Величко И.М., Мыслович В.О., Гавриленко М.Я., Арендарчук В.В., Кирпенко Ю.А. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей / Сиренко Л.А., Сакевич А.И., Осипов Л.Ф., Лукина Л.Ф., Кузьменко М.И., Козицкая В.Н., Величко И.М., Мыслович В.О., Гавриленко М.Я., Арендарчук В.В., Кирпенко Ю.А., Топачевский А.В.  Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике / Отв. ред. А.В. Топачевский. – Киев: Наукова думка, 1975. – С. 75–212. 

3. Тренкеншу Р.П. Простейшие модели роста микроводорослей. 6. Предельные скорости роста // Экология моря. 2010. Спец. вып. 80: Биотехнология водорослей. С. 85–91. 

4. Affan A., Heo S-.J., Jeon Y-.J., Lee J.-B. Optimal growth conditions and antioxidative activities of Cylindrotheca closterium // J. Phycol. 2009. 45. P. 1405–1415.  DOI: https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2009.00763.x

5. Burkhardt S., Zondervan I., Riebesell U. Effect of CO₂ concentration on C : N : P ratio in marine phytoplankton: A species comparison // Limnol. Oceanogr . 1999. 44. P. 683–690.

6. Dunstan G.A., Volkman J.K., Barrett S.M.,  Leroi J.-M., Jeffrey S.W. Essential polyunsaturated fatty acids from 14 species of diatom (Bacillariophyceae) //  Phytochemistry. 1994. 35. Р. 155–161.DOI: https://doi.org/10.1016/S0031-9422(00)90525-9

7. Gulllard R., Ryther J. Studies of marine planktonic diatoms. I. Cyclotella nana Husted and Detonula confervacea Cleve // Can. J. Microbiol. 1963. 8. Р. 229–239. DOI: https://doi.org/10.1139/m62-029

8. Kingston M.B. Growth and motility of the diatom Cylindrotheca closterium: implications for commercial applications // J. North Carolina Academy Sci. 2009. 125. P. 138–142. 

9. Rijstenbil J.W. Effects of UVB radiation and salt stress on growth, pigments and antioxidative defence of the marine diatom Cylindrotheca closterium // Mar. Ecol. Prog. Ser. 2003. 254. Р. 37–48.

10. Suman K., Kiran T., Devi U.K., Sarma N.S. Culture medium optimization and lipid of Cylindrotheca, a lipid – and polyunsaturated fatty acid – rich pennate diatom and potential source of eicosapentaenoic acid // Botanica Marina. 2012. 55. P. 289–299.

Статья поступила в редакцию - 7.10.2014

Об авторах

Железнова Светлана Николаевна – Zheleznova Svetlana Nikolaevna

аспирант
Отдел аквакультуры и морской фармакологии Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского (A.O. Kovalevsky Institute of Biology of Southern Seas)

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-1800-5902

zheleznovasveta@yandex.ru

Геворгиз Руслан Георгиевич – Gevorgiz Ruslan Georgievich

кандидат биологических наук
Руководитель группы управления биосинтезом микроводорослей, старший научный сотрудник Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского (A.O. Kovalevsky Institute of Biology of Southern Seas)

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-8017-5593

r.gevorgiz@yandex.ru

Корреспондентский адрес: 299011 г. Севастополь, пр. Нахимова, 2, Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Железнова С.Н., Геворгиз Р.Г. Интенсивная культура диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin // Вопросы современной альгологии. 2014. № 1 (5). С. 1–5. URL: http://algology.ru/474

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2014-1(5)-1-5; EDN – YLHPLP

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Intensive culture of diatoms Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin

Svetlana N. Zheleznova, Ruslan G. Gevorgiz

Kovalevsky Institute of Biology of Southern Seas (Sevastopol, Russia)

Growth characteristics of a diatom microalgе Cylindrotheca closterium are investigated. Cylindrotheca closterium cultivated on nutrient mediums which were received by proportional increase all biogenous elements concentration of the environment F. It is shown that culture efficiency increases due to proportional increase of the biogenous elements up to 20 F in a nutrient medium. The maximum efficiency of this microalga is received at cultivation on a nutrient medium 20 F and made 1.74 g/l.

Keywords: diatom alga Cylindrotheca closterium, efficiency, cultivation.

References

1. Affan A., Heo S.-J., Jeon Y.-J., Lee J.-B. Optimal growth conditions and antioxidative activities of Cylindrotheca closterium. J. Phycol. 2009. 45. P.1405–1415. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2009.00763.x
2. Burkhardt S., Zondervan I., Riebesell U. Effect of CO₂ concentration on C : N : P ratio in marine phytoplankton: A species comparison. Limnol. Oceanogr. 1999. 44. P.683–690.
3. Dunstan G.A., Volkman J.K., Barrett S.M., Leroi J.-M., Jeffrey S.W. Essential polyunsaturated fatty acids from 14 species of diatom (Bacillariophyceae). Phytochemistry. 1993. V.35, Is.1. Р. 155–161. DOI: https://doi.org/10.1016/S0031-9422(00)90525-9
4. Gevorgiz R.G., Lelekov A.S., Korol' O.N. Modelirovanie dinamiki rosta populyacii mikroorganizmov v nakopitel'noj kul'ture. Zakrytaya sistema [Modeling the growth dynamics of a population of microorganisms in an enrichment culture. closed system]. Rybnoe hozyajstvo Ukrainy. 2013. Т.5. P.6–15. (In Russ.)
5. Gulllard R., Ryther J. Studies of marine planktonic diatoms. I. Cyclotella nana Husted and Detonula confervacea Cleve. Can. J. Microbiol. 1963. 8. Р. 229–239. DOI: https://doi.org/10.1139/m62-029.
6. Kingston M.B. Growth and motility of the diatom Cylindrotheca closterium: implications for commercial applications. J. North Carolina Academy Sci. 2009. 125. P.138–142.
7. Rijstenbil J.W. Effects of UVB radiation and salt stress on growth, pigments and antioxidative defence of the marine diatom Cylindrotheca closterium. Mar. Ecol. Prog. Ser. 2003. 254. Р.37–48.
8. Sirenko L.A., Sakevich A.I., Osipov L.F., Lukina L.F., Kuz'menko M.I., Kozickaya V.N., Velichko I.M., Myslovich V.O., Gavrilenko M.Ya., Arendarchuk V.V., Kirpenko Yu.A.; Topachevskij A.V. Metody fiziologo-biohimicheskogo issledovaniya vodoroslej v gidrobiologicheskoj praktike [Methods of physiological and biochemical study of algae in hydrobiological practice]. Naukova dumka, Kyiv, 1975. P. 75–212. (In Russ.)
9. Suman K., Kiran T., Devi U.K., Sarma N.S. Culture medium optimization and lipid of Cylindrotheca, a lipid – and polyunsaturated fatty acid – rich pennate diatom and potential source of eicosapentaenoic acid. Botanica Marina. 2012. 55. P. 289–299.
10. Trenkenshu R.P. Prostejshie modeli rosta mikrovodoroslej. 6. Predel'nye skorosti rosta [The simplest models of microalgae growth. 6. Limiting growth rates]. Ekologiya morya. 2010. Spec. is.80: Algae Biotechnology. P. 85–91. (In Russ.)

ARTICLE LINK:

Zheleznova S.N., Gevorgiz R.G. Intensive culture of diatoms Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2014. № 1 (5). P. 1–5. URL: http://algology.ru/474

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2014-1(5)-1-5; EDN – YLHPLP

When reprinting a link to the site is required

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. 
Address - info@algology.ru

К разделу СТАТЬИ

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147