Культивирование микроскопических зеленых водорослей

Массовое культивирование одноклеточных водорослей хлореллы, сценодесмуса и других получило распространение начиная с 1940-х годов. Культуры микроскопических водорослей широко изучаются в связи с применением: в сельском хозяйстве как дополнительного источника белка и витаминов; для очистки сточных вод; для создания замкнутых биологических систем (в космосе) для регенерации воздуха и воспроизводства пищи; для получения ценных биологически активных веществ (в медицине); при проведении научно-исследовательских работ по изучению фундаментальных основ биосинтеза фотосинтезирующих организмов. Хлорелллу (вместе с хламидомонадой) культивируют в качестве живого корма при разведении мелких беспозвоночных – моины, дафний, коловраток, которые затем используют для кормления мальков рыб.

В лаборатории микроскопические водоросли содержат в сосудах с водой. При массовом культивировании применяется два основных способа: интенсивное культивирование в замкнутых аппаратах с контролируемыми условиями (фотобиореакторы) и массовая культура под открытым небом. Для сохранения коллекции чистых культур водорослей с определенными свойствами их содержат на твердых (агаризованных) питательных средах.

Водорослям как фотосинтезирующим организмам нужен свет, углекислый газ, минеральные вещества, кислород; водоросли культивируют при определенной температуре, также необходимо движение воды в сосудах. Для получения максимального урожая (биомассы) разработаны методы оптимизации роста и продуктивности культур микроскопических водорослей ().

Основные элементы питательной среды для выращивания водорослей – азот, фосфор, сера, магний и железо. При длительном культивировании водорослей в лаборатории используются специальные питательные среды, но универсальной среды, пригодной для всех, не существует (Вассер и др., 1989).

Среда Кнопа применяется для зеленых водорослей в разведениях 1/2, 1/4, 1/10: Ca(NO₃)₂ – 0,25 г, MgSO₄ – 0,06 г, KH₂РO₄ – 0,06 г, KCl – 0,08 г, Fe₂Cl₆ – 1 капля 1 %-ного раствора, дистиллированная вода – 1 л.

Среда Прата используется для хранения культур: KNO₂ – 0,1 г, KH₂РO₄ – 0,01 г, MgSO₄ – 0,01 г, FeCl₃ – 0,001 г (или феррум цитрат– 0,05 г), агар – 1,2 %, водопроводная вода – 1 л. Для культивирования водорослей раствор разбавляют в 10-20 раз.

Фотобиореакторы. Закрытые культиваторы для выращивания микроводорослей (Chlorella и другие) представляют собой системы труб из стекла или поликарбоната. Для хлореллы необходимо: солнечный свет, тепло, вода, углекислый газ (СО₂), питательные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы). При промышленном производстве биомассы микроводорослей уделяется важное внимание чистоте воды и качеству используемых культур. В настоящее время предлагается спектр промышленных фотобиореакторов. Внутри труб (емкостей) циркулирует питательная среда с микроводорослями. При промышленном производстве свет обеспечивается естественным солнечным освещением. Или используются лампы. Сбор урожая биомассы производится ежедневно: при достижении определенной концентрации биомассы хлореллы, часть идет на сбор урожая, часть – снова поступает в биореактр, при этом добавляется свежая питательная среда, и цикл повторяется. В закрытых фотобиореакторах регулируются условия производства биомассы микроводорослей, что позволяет выращивать чистые культуры и получать стандартную продукцию. Производительность фотореакторов в некоторых случаях в 10 раз выше, чем в бассейнах.

С 1 м² предприятие производит стандартной суспензии хлореллы от 2,5 до 18,4 л (около 10 г/м²) в сутки. Химический состав хлореллы: протеин - 35-43 %; каротин -111-480 мг/кг; жир - 0,37-7,49 %; зола - 3,34-10,50 %; кальций - 1,52 2-2,41 г/кг; фосфор - 4,79-14,60 г/кг.

При выращивании микроводорослей в качестве живого корма используются бассейны, применяется метод раздельного выращивания планктонных животных и водорослей. В бассейнах глубиной около 1 м создается необходимый режим (свет, тепло, питательные вещества) для культивирования хлореллы или других водорослей. В рядом находящихся бассейнах выращивают рачков. Суспензия водорослей по трубам стекает в бассейн с рачками, создавая для них необходимую кормовую базу. При оптимальных условиях можно получать за 2 месяца 80 г/м² дафний.

Лабораторные культуры. Водоросли выращивают в стерильных закрытых (ватными пробками) пробирках или колбах. При выращивании чистых культур следует соблюдать условия стерильности, принятые в микробиологических исследованиях. После посева культуры выставляют на свет (окно или люминесцентные лампы). Используют молодые интенсивно растущие культуры, в хорошем физиологическом состоянии, без уродливых форм.

Для выделения форм используют разные методы. Благодаря положительному фототаксису подвижные клетки скапливаются на освещенной стороне сосуда, затем их собирают пипеткой. Нейстонные водоросли с газовыми вакуолями отделяют центрифугированием, они скапливаются в верхних слоях жидкости. Чистую культуру получают из покоящихся стадий путем высушивания, замораживания и т. д, разрушая сопутствующие организмы, а покоящиеся стадии при этом сохраняются. Для выделения отдельных организмов используют пипетку с длинным концом, работая под микроскопом или бинокуляром. Удобным является метод агаризированных пластинок для изоляции жгутиковых организмов: отдельные колонии снимают и переносят в пробирки с жидкой средой (Вассер и др., 1989). Для получения малых доз водорослей можно применять лабораторный культиватор микроводорослей с погруженной лампой ДРЛ-500 или ДРЛ-1000.