ГЛАВНАЯ » РЕЦЕНЗИИ » Рецензия на книгу Цоглина Л.Н. и Прониной Н.А.
«Биотехнология микроводорослей»
(М., Научный мир, 2012. - 184 с.)

Рецензия на книгу Цоглина Л.Н. и Прониной Н.А.
«Биотехнология микроводорослей»
(М., Научный мир, 2012. - 184 с.)

Review of the book Tsogin L.N., Pronina N.F. «Biotechnology of microalgae» (M.: Scientific World, 2012. – 184 p.)

 

Силкин В.А.

Vladimir A. Silkin

 

Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Геленджик);
Институт космических исследований РАН, Москва

 

УДК 582

 

В рецензируемой книге обощены многолетние достижения и уникальный опыт Института физиологии растетений им. К.А.Тимирязева РАН в области выращивания микроводорослей и цианобактерий. Последовательно рассмотрены пути оптимизации продуктивности культур, закономерности роста и особенности развития популяций. Приводятся расчеты потенциальной и реально достижимой продуктивности. Показаны методы управления биосинтезом культур, изложены биотехнологические приемы, обеспечивающие высокие скорости роста и получение целевых продуктов. Описан ряд фотореакторов для интенсивного культивирования микроводорослей с высоким КПД использования световой энергии.

Ключевые слова: биотехнология; микроводоросли.

 

В 2012 году в издательстве «Научный мир» вышла книга Цоглина Льва Наумовича и Прониной Наталии Александровны «Биотехнология микроводорослей».

Чтобы понять, чем обусловлено как конкретное содержание данной книги, так и истоки данной книги, мне бы хотелось обратиться к золотому веку советской науки – шестидесятым годам прошлого века. Именно тогда возрос интерес к биотехнологии одноклеточных фотоавтотрофов. Все это связано с успехами советской науки в космосе. После полетов первого спутника, а затем первого советского космонавта стало понятным, что освоение космоса человеком стало реальным, и необходимо разрабатывать технологии для длительного пребывания человека в космосе. Родилась концепция замкнутых экологических систем, в них заложена идея организации круговорота веществ. Стали конструировать и использовать простейшие экологические системы, в которых утилизация продуктов жизнедеятельности человека и производство кислорода и биомассы возложена на культуру фотоавтотрофов. В это время возрос интерес к изучению микроводорослей, в которых ставилась задача организации хорошо управляемой культуры. Проблема управляемого биосинтеза или фотосинтеза стала доминирующей, в лабораториях как Академии наук СССР, так в вузовской науке появилась эта тема исследований. По этому направлению ежегодно организовывались конференции, издавались сборники, появились первые учебные пособия. Именно в этот период по данному направлению советская наука заняла лидирующее положение, многие исследования опережали время, а некоторые разработки остаются таковыми в настоящее время.

Одним из таких мест «кристалиизации» стал Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева, где под руководством чл-корр. АН СССР Анатолия Александровича Ничипоровича стали проводиться работы по управляемому фотосинтезу микроводорослей. Затем исследования возглавил его ученик Виктор Ефимович Семененко.

Организация хорошо управляемой культуры микроводорослей многопланова, в ней необходимо соединить усилия как специалистов биологической составляющей – физиологов, биохимиков и биофизиков, так представителей инженерных наук – конструкторов систем культивирования. Такой синтез специалистов разных направлений приносил хорошие плоды. Автор рецензируемой книги Лев Наумович Цоглин начинал работу как инженер, ему принадлежит много уникальных конструкторских идей, реализованных в «железе». И как часто бывает с талантливыми людьми, он быстро стал ученым с широким спектром интересов — ему принадлежат оригинальные теоретические и экспериментальные исследования. Достаточно сказать, что он стал кандидатом-физико-математических наук по специальности «биофизика», а доктором биологических наук по специальности «физиология растений».

Другой автор книги, ученица профессора В.Е.Семененко доктор биологических наук Пронина Наталия Александровна, провела много исследований, имеющих биотехнологический «тренд». Ей принадлежат уникальные пионерские работы по изучению одного из участников углерод концентрирующих механизмов у фотоавтотрофов – фермента карбоангидразы.

Рецензируемая книга представляет собой в основном исследования по биотехнологии микроводорослей, проведенные в Институте физиологии растений. Но учитывая, что спектр этих работ очень широк, эту книгу можно рассматривать и как хорошее пособие по данному направлению.

Такое пространное вступление к рецензии – мое желание отдать дань тем выдающимся ученым, которые стояли у истоков данного направления в СССР. Кроме вышеупомянутых мне хотелось напомнить современному читателю о таких именах как академики АН СССР Терсков Иван Александрович и Гительзон Иосиф Исаевич, профессора Ковров Борис Григорьевич и Сидько Федор Яковлевич. Их исследования вошли в золотой фонд нашей науки, часто они намного опережали время.

Возвращаясь к книге, следует отметить, что условно ее можно разделить на четыре части. В первой рассматриваются общие принципы организации культуры микроводорослей (минеральное питание, обеспечение углеродом и энергией света). Во второй части решаются задачи направленного биосинтеза с решением специальных задач получения особых соединений. Третья часть посвящена теоретическому исследованию внутри популяционных процессов, определяющих продуктивность. В четвертой части описываются фотореакторы промышленного и полупромышленного типов.

В первом параграфе авторы показывают, как рассчитывается потенциальная продуктивность культуры микроводорослей на основе к.п.д. использования падающего света и на основе скорости деления клетки. Далее рассматриваются вопросы обеспечения культуры всем необходимым для фотоавтотрофного роста. Для обеспечения элементами минерального питания приводятся прописи составов сред, ставших уже классическими: Тамийя, Зарукка, Артари и Броди-Эмерсона. Это удобно для начинающих специалистов по культивированию микроводорослей. Большое внимание уделено углеродному питанию микроводорослей, поскольку оно основано на применении газовоздушных смесей. Скорость фотосинтеза определяется парциальным давлением растворенной углекислоты в суспензии, а это трудно регулируемый параметр. Поэтому приводятся расчеты скорости подачи газовоздущной смеси для получения необходимой продуктивности культуры. Кроме того, авторы рассматривают работу СО2 концентрирующих механизмов за счет работы фермента карбоангидразы, которые повышают концентрацию неорганических соединений углерода на 2-3 порядка внутри клетки по сравнению с таковой вне клетки.

Большое внимание уделено обеспечению культуры энергией света. Это связано с тем, что влияние интенсивности света на продуктивность культуры имеет сложный характер с одной стороны, а с другой свет имеет непростые закономерности распределения внутри суспензии. Разные световые частоты по разному проникают внутрь суспензии, это также зависит от спектрального состава поглощающих пигментов. Содержание последних в клетках зависит от условий культивирования: температуры, минерального питания и интенсивности падающего света. Важным фактором, влияющим на продуктивность клеток является спектральный состав источника при искусственном освещении. Авторы приводят спектральный состав различных осветителей и показывают, что наиболее оптимальные должны обеспечивать основное излучение в красной области спектра с небольшим (до 10%) включением в синей.

Далее авторы рассматривают основные закономерности роста микроводорослей в накопительной и непрерывной культуре. Для одноклеточных фотоавтотрофов наиболее важным является турбидостатный способ непрерывного культивирования, когда в качестве регулируемого параметра становится плотность биомассы. Она поддерживается постоянной за счет разбавления среды новым питательным раствором. В реальности регулируемым параметром является оптическая плотность суспензии. Для организации такого способа культивирования требуется сложная система культивирования, состоящая из подсистем. Авторы подробно рассматривают схему лабораторной установки для высокоинтенсивного проточного культивирования микроводорослей.

Получение биомассы с заданными свойствами – основная цель биотехнологии. Исторически первая задача изменить структуру биомассы появилась в 60-х годах прошлого века, когда выяснилось, что одноклеточные водоросли (в основном, хлорелла) как звено системы жизнеобеспечения не обладают необходимым биохимическим составом — белка в них значительно больше, чем углеводов. Требовалось значительно снизить содержание белка и повысить содержание углеводов. Задачу управления биосинтезом микроводорослей можно решить не только с помощью подбора соответствующих видов или штаммов, но и с помощью внешнего воздействия. В книге подробно описываются способы направленного синтеза необходимых целевых продуктов. Липиды синтезируются при снижении концентрации азота или при повышенных концентрациях СО2; углеводы накапливаются при повышенных температурах; синтез β-каротина и глицерина происходит при высокой интенсивности света и низкой температуре. Задача направленного синтеза необходимых веществ требует организации двухфазного способа культивирования: на первом этапе происходит накопление биомассы, на втором — изменение ее структуры. Специфической задачей является биосинтез меченых соединений. Это высокотехнологичное производство соединений меченых стабильными изотопами углерода, азота и дейтерием требует особых усилий со стороны биотехнолога. Тоже же самое относится к получению биомассы с повышенным содержанием микроэлементов. Накопление металла в биомассе зависит от многих факторов среды, в частности от света. Показано, что на свету цинк быстро накапливается и затем постепенно выводится из клетки, в то время как в темноте он сохраняется в клетке в течение нескольких суток. Накопление марганца также оказалось светозависимой функцией.

Еще одна часть книги посвящена исследованию внутри популяционных эффектов, связанных с проявлением особенностей жизненного цикла клеток, в котором имеются две стадии — световая и светонезависимая. Без знания этих особенностей возможности оптимизации продуктивности культур ограничены. Одним из методов исследования клеточного цикла является использование синхронной культуры. Авторы рассматривают способы получения синхронной культуры микроводорослей, привлекая обширный экспериментальный материал по динамике физиологических параметров в процессе жизненного цикла. Теоретическое исследование возрастной структуры популяции с привлечением оригинальных математических моделей показывает, что относительное возрастное распределение зависит только от удельной скорости роста. Кроме того, среднестатистический размер клеток зависит от условий культивирования и повышается при интенсификации процессов роста. Показано также, что управляя возрастной структурой можно существенно изменять биохимический состав биомассы. Авторы показывают, какими аппаратными средствами можно эффективно регулировать возрастную структуру популяции одноклеточных фотоавтотрофов.

При промышленном культивировании микроводорослей велика вероятность контаминации, и популяция может оказаться многовидовой. В проточной культуре происходят автоселекционные процессы, когда выделяется обычно самый продуктивный в настоящих условиях вид или штамм. Анализ таких автоселекционных процессов в многокомпонентной популяции микроводорослей с применением математического аппарата проводится авторами в одной из глав книги. Показано, что при усилении роли нового вида, повышается интенсивность фотосинтеза. Сезонные изменения интенсивности света и температуры могут приводить к тому, что в культуре выделится другой вид или штамм. Авторы предлагают метод выделения продуктивных видов.

Заключительная часть книги посвящена промышленным культиваторам. Они делятся на фотореакторы закрытого и открытого типов. Авторы рассматривают конкретные примеры фотореакторов (трубчатые, плоскопараллельные и т. д.), указывая на их достоинства и недостатки, и описывают ряд собственных разработок биореакторов, уделяя особое внимание вопросу эффективности преобразования энергии света.

В заключении читателям предлагается список публикаций и патентов сотрудников Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева по биотехнологии микроводорослей, начиная с 1962 г. Это особенно важно по двум причинам. Первая и главная – тем самым авторы отдают дань уважения тем ученым, которые внесли вклад в развитие отечественной биотехнологии микроводорослей. Вторая – современный исследователь обычно не приводит (или не знает) литературных источников старше 20 лет, что связано с отсутствием литературных источников в электронном виде.

Книга написана хорошим языком, в ней опущены сложные математические уравнения. Она особенно полезна для молодых специалистов, кто начал осваивать азы биотехнологии микроводорослей.

 

Список литературы

1. Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей.  – М.: Научный мир, 2012. – 184 с.

Статья поступила в редакцию 7.10.2015

 

Review of the book Tsogin L.N., Pronina N.F. «Biotechnology of microalgae»
(M.: Scientific World, 2012. – 184 p.)

Vladimir A. Silkin

The peer-reviewed book summarizes long-term achievements and unique experience of the Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS in the cultivation of unicellular microalgae and cyanobacteria. The unterplay the pathways for optimization of culture productivity, the regularities of microalgal population growth and development are considered. Calcukations of potential and actually achievable productivity algae are given. The methods for controlling the biosyntheses in cultures, the main principle of algal cultivation and biotechnological approaches providing for the high growth rates and accumulation of desired products are stated. Some photoreactors for intense cultivation of microalgae and cyanobacteria with the high efficiency of light energy usage are described.

Key words biotechnology; microalgae.

 

Об авторе

Силкин Владимир Арсентьевич - Silkin Vladimir Arsentyevitch

доктор биологических наук
заведующий лабораторией Экологии Южного отделения ФГБУН «Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia); Институт космических исследований РАН, Москва (Space Research Institute RAS, Moscow, Russia)

 

Корреспондентский адрес: Россия, 353470, Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Просторная 1-г. Телефон/факс 8-861-41-280-89.

 

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Силкин В.А. Рецензия на книгу Цоглина Л.Н. и Прониной Н.А. «Биотехнология микроводорослей» // Вопросы современной альгологии. 2015. № 2 (9). URL: http://algology.ru/751

 

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

К разделу СТАТЬИ

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта











ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

12 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ


АКВАРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
И  ИХ  СОДЕРЖАНИЕ


КОНФЕРЕНЦИИ

АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЙ СЕМИНАР

СТУДЕНЧЕСКИЕ РАБОТЫ

АВТОРЕФЕРАТЫ

РЕЦЕНЗИИ


ПРИЛОЖЕНИЕ к журналу:


ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И МОНОГРАФИИ

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ АЛЬГОЛОГИЯ
СЕГОДНЯ


ИСТОРИЯ АЛЬГОЛОГИИ

КЛАССИКА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АЛЬГОЛОГИИ


ПУБЛИКАЦИИ ПРОШЛЫХ ЛЕТ

ВЕДУЩИЕ АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЕ
ЦЕНТРЫ


СЕКЦИЯ  АЛЬГОЛОГИИ  МОИП

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ РАЗДЕЛ

СЛОВАРИ И ТЕРМИНЫ



НАШИ ПАРТНЕРЫ


ПРЕМИИ

КОНТАКТЫ

Новые публикации



Карта сайта






Рассылки Subscribe.Ru
Журнал "Вопросы современной альгологии"
Подписаться письмом


Облако тегов:
микроводоросли    макроводоросли    пресноводные    морские    симбиотические_водоросли    почвенные    Desmidiales(отд.Сharophyta)    Chlorophyta    Rhodophyta    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Characeae    бентос    планктон    перифитон    кокколитофориды    Экология    Систематика    Флора_и_География    Культивирование    Химический_состав    Минеральное_питание    Ультраструктура    Загрязнение    Биоиндикация    Размножение    Морфогенез    Морфология_и_Морфометрия    Физиология    Морские_травы    Использование    ОПРЕДЕЛИТЕЛИ    Фотосинтез    Фитоценология    Черное_море    Белое_море    Баренцево_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147