Освещая альтернативу: одноклеточные водоросли и цветные светодиоды
Каждый организм нуждается в питательных веществах, поддерживающих его жизнедеятельность. А каждый вид нуждается в определенных условиях окружающей среды, чтобы избежать вымирания и продолжить род. Если эти требования не выполняются, организм или вид в целом может погибнуть. К людям это также относится, однако мы научились перекраивать окружающую среду под себя так, как это не умеет ни один другой вид на планете. Одной из самых очевидных черт нашего вида является потребление планетарных ресурсов. Технологический прогресс привел к геометрическому росту спроса на топливо, которого, как неудивительно, катастрофически не хватает. Если же учесть, что все рано или поздно заканчивается, то выход из сложившейся ситуации в виде поиска альтернативных источников топлива становится чуть ли не единственным. Одной из таких альтернатив могут быть одноклеточные водоросли. Ученые из Американского института физики (США) провели опыты, в ходе которых воздействовали на водоросли Dunaliella salina (дуналиелла солоноводная) монохроматическим красным и синим светом. Зачем было «освещать» водоросли, что это дало в результате, и как это связано с альтернативным топливом? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Многие любители творчества профессора Толкиена, читая его произведения, сопоставляют себя с разными героями. Кто-то видит себя в образе мудрого старца, знающего ответы на все вопросы, кто-то предпочитает воображать себя эльфом с +100 к меткости, кто-то видит себя героем, спасающим весь мир. Но в реальности, если применить существ Средиземья в качестве аналогии, наш вид скорее похож на гномов Мории, которые »копали слишком жадно и слишком глубоко». Пусть это сравнение покажется кому-то слишком утрированным либо слишком гиперболизированным, но факт остается фактом — людей много, а ресурсов становится очень и очень мало.
Поскольку нефть, газ, уголь и прочие ископаемые сложно назвать возобновляемыми, ученые по всему миру начали мозговой штурм в области топливных альтернатив. Одним из возможных вариантов решения энергетического кризиса может оказаться микроскопическая водоросль вида дуналиелла солоноводная (D. salina).
Dunaliella salina
D. salina известна людям уже довольно давно и даже нашла свое применение в пищевой промышленности в виде биологически активных добавок и в косметологии, так как способна вырабатывать внушительное количество каротина.
Другие микро-водоросли также интересны ученым, однако у D. salina имеется ряд преимуществ над своими собратьями. Этот вид водорослей крайне быстро размножается, обладает высокой устойчивостью к условиям окружающей среде (особенно к уровню солености), а также не имеет клеточных стенок, что облегчает процесс разрушение клетки (важный аспект производства биотоплива).
Озеро в Турции, поменявшее свой цвет из-за водорослей D. salina.
Учитывая все плюсы, почему мы до сих пор не заправляем свои авто водорослями? Проблема в стоимости производства такого биотоплива. Это еще одна причина использовать для этого именно D. salina, так как она одна из немногих микроводорослей, используемых коммерчески из-за ее способности накапливать большое количество каротиноидов и других побочных продуктов. Другими словами, в процессе производства биотоплива наличие используемых где-либо побочных продуктов помогает снизить стоимость этого процесса.
Помимо липидов и каротиноидов, из культивирования D. salina можно также получить белки и углеводы, которые в последствии также можно использовать в корме для сельскохозяйственных животных.
Однако, чтобы получить эту заманчивую выходу, необходимо разработать методику ускорения роста D. salina. А одним из самых важных факторов роста (следовательно, и синтеза биокомпонентов) для водорослей этого вида является освещение. Любопытно, что для D. salina необходима определенная доза света, т.е. рост будет медленный, если света мало, но при его избытке синтез веществ будет подавляться. Поэтому, как отмечают ученые, оптимизация условий освещения очень важна для производства биоматериалов водорослями.
Отличным источником света для выращивания водорослей считается LED, т.е. светодиод, из-за его точности и стабильности в излучении света с определенной длиной волны и высокой энергоэффективности в течение длительного времени по сравнению с люминесцентными лампами. В некоторых исследованиях светодиоды применялись в качестве осветителей в фотобиореакторах, излучающих монохроматический свет для культивирования микроводорослей.
К примеру, в ходе одних исследований фотобиореактор с красной и синей светодиодной подсветкой использовался для увеличения производства бета-каротина D. salina. Также известно, что клетки одноклеточных зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii и Chlorella variabilis регулируют свои светопоглощающие функции в ответ на разное качество монохроматического света (синий — 477 нм, зеленый — 514 нм, и красный — 666 нм). Согласно некоторым данным, система со смещением длины волны (использование синего и красного светодиодов по очереди по 5 дней) увеличивала плотность клеток и продуктивность бета-каротина D. salina по сравнению с культивированием в условиях освещения без смещения длины волны. Проблема в том, что эти исследования были сосредоточены либо на самом росте водорослей, либо на синтезе ими бета-каротина. Но мало кто уделял внимание влиянию света на синтез липидов.
Авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили проверить, какие условия освещения должны быть, чтобы положительно повлиять на рост и производство биокомпонентов, особенно на биомассу и липидную продуктивность D. salina. Дополнительно были исследованы изменения содержания каротиноидов, углеводов и белков.
Результаты исследования
В качестве источников света использовались девять различных светодиодных ламп, излучающих белый свет, монохроматический красный свет (пиковая длина волны 660 нм), монохроматический синий свет (пиковая длина волны 455 нм) и несколько комбинаций синего и красного. Каждый осветитель состоял из семи единиц (т.е. отдельных светодиодов), излучающих свет с определенной длиной волны. Чтобы избежать возможного светового насыщения, освещение было спроектировано с низкой плотностью фотонов. Рабочая мощность каждого светодиода составляла 1 Вт, следовательно, общая мощность для каждой лампы была 7 Вт (1b).
Изображение №1
Лампы, в которых использовались комбинации синих и красных светодиодов обозначены nRmB, где n — число красных, а m — число синих светодиодов в комбинации (пример на 1b: 3R4B — 3 красных и 4 синих). В ходе опытов использовались следующие варианты: 0R7B (синий без красного), 1R6B, 2R5B, 3R4B, 4R3B, 5R2B, 6R1B и 7R0B (красный без синего).
Белый свет использовался в качестве контрольной группы. Спектральные характеристики каждой лампы были проанализированы с помощью анализатора освещения для растений (PLA-30; 1a). Плотность фотонов всех осветителей была измерена с помощью PLA-30 и составила 81.64 ± 4.58 мкмоль/м2/с.
Емкости с культурой водорослей были расположены в картонных контейнерах (25×25 х 35 см) с отверстиями (φ = 8 см) для освещения, покрытых фольгой во избежание утечки света и для защиты образов от любого внешнего освещения (1b).
Изображение №2
Влияние того или иного освещения на D. salina оценивалось спустя 22 дня. В течение этого времени плотность клеток D. salina постепенно возрастала (2a).
Было обнаружено, что монохроматический красный свет оказывает негативное влияние на рост D. salina. Показатель плотности клеток при красном свете в любой промежуток времени всегда был ниже, чем у других вариантов освещения, даже у контрольной группы (белый свет). Синий свет показал плотность клеток лучше, чем красный, но все еще хуже, чем контрольный белый.
Ситуация радикально менялась, когда использовались различные комбинации красного и синего. К примеру, комбинации 4R3B, 5R2B и 6R1B всегда показывали большую плотность клеток, чем белый свет.
Скорость роста и скорость деления клеток, рассчитанные на основе изменений плотности клеток, также оказались зависимыми от условий освещения (2b). Скорость роста (l) и скорость удвоения (K) при красном освещении была по-прежнему ниже, чем при белом, но комбинированные варианты были лучше контрольного белого света.
Эти два показателя (I и K) в результате повлияли на время генерации (T) D. salina, т.е. на показатель времени, необходимого для завершения роста водорослей. T D. salina при красном свете было самым продолжительным (5.956 ± 0.088 дней), затем следовал синий свет, самое же малое T наблюдалось при белом освещении (5.510 ± 0.065 дней).
Как и предыдущие показатели, T было значительно лучше в случае комбинированного освещения: самое малое T было при 4R3B (5.173 ± 0.022 дня).
Промежуточный вывод заключается в том, что использование чисто красного или чисто синего освещения не имело никаких преимуществ по сравнению с контрольным белым освещением. Однако использование комбинаций красного и синего позволяло достичь улучшенных значений различных показателей (скорость роста, скорость удвоения, время генерации и плотность клеток).
Изображение №3
По завершению периода культивирования плотность клеток при комбинированных вариантах освещения была значительно выше, чем при красном, синем или белом по отдельности (3a).
Максимальная плотность клеток была достигнута в условиях 4R3B и составила 0.873 ± 0.011×106 мл-1, что на 19.60% больше, чем при белом свете, на 35.02% — при синем и на 47.07% — при красном.
Сравнение плотности высушенной биомассы D. salina (3b) разных вариантов освещения не показало существенных отличий. Единственным исключением был вариант 6R1B, при котором была достигнута максимальная плотность в 0.407 ± 0.004 г/л.
Любопытно, что каждая клетка при обработке чисто синим светом была намного тяжелее, чем клетки при других условиях освещения. Подобное наблюдалось в ранее проведенных исследованиях Chaetoceros muelleri. Следовательно, комбинации монохроматического красного и синего света были полезны для роста D. salina, а синий свет имел тенденцию ингибировать деление клеток, но способствовал накоплению клеточного содержимого, что и приводит к увеличению высушенной биомассы.
Далее ученые сравнивали показатели липидов, каротиноидов, углеводов и белков D. salina в условиях разного освещения.
Изображение №4
При синем и комбинированном освещении содержание липидов были значительно выше, чем при белом и красном свете (4a). Наибольшее содержание липидов было именно при синем освещении и достигло значения 70.128 ± 7.499 пг/клетку (1 пг (пикограмм) = 10−12 грамма). При этом влияние хорошо показавшего себя в предыдущих сравнительных анализах комбинированного освещения на содержание липидов было не столь существенным.
Показатели каротиноидов D. salina также отличались в зависимости от освещения (4b). После 22 дней культивирования D. salina под воздействием белого света был получен самый высокий выход каротиноидов (2.335 ± 0.033 пг/клетку) по сравнению с другими источниками света. К примеру, при красном освещении этот показатель был вдвое ниже.
Белый свет обогнал конкурентов и по содержанию углеводов (4c), показав максимальное значение в 44.818 ± 2.636 пг/клетку. А вот при комбинированном свете 5R2B было достигнуто минимальное содержание углеводов в 31.678 ± 7.985 пг/клетку.
Содержание белка в клетках D. salina увеличивалось с разной скоростью в разных условиях освещения (4d). Существенную разницу показал лишь синий свет, в случае которого содержание белка увеличилось до 122.988 ± 9.201 пг/клетку.
Из этих результатов следует, что в аспекте накопления биокомпонентов самым продуктивным был синий и белый свет. Но в аспекте роста D. salina первенство все же за комбинированным освещением.
В заключении была выполнена оценка влияния разного освещения на общую выработку сухой биомассы, липидов, каротиноидов, углеводов и белков D. salina.
Таблица сравнения выработки сухой биомассы, липидов, каротиноидов, углеводов и белков D. salina при разном освещении спустя 22 дня культивирования.
При красном свете наблюдалась минимальная выработка. Белый свет оказался лучше всех в аспекте выработки углеводов (0.106 ± 0.002 мг/л в день) и каротиноидов (1.486 ± 0.075 мг/л в день). По сухой биомассе и липидам лучшими оказались комбинированное и синее освещение. В случае выработки белков превзойти белый свет удалось лишь одной комбинации красного и синего, а именно 6R1B. Максимальные значения выработки биомассы и белков для 6R1B составили 18.506 ± 0.175 и 3.800 ± 0.172 мг/л в день, что на 14.61% и 9.07% выше значений для белого света.
При этом выработка липидов всех комбинированных вариантов была выше, чем у контрольной группы. Максимальная липидная выработка была достигнута в условиях 4R3B и составила 2.325 ± 0.130 мг/л в день, что на 35.33% выше, чем при белом свете. Другими словами, именно 4R3B была идеальной комбинацией, если совокупно оценивать все показатели, от скорости роста до значений выработки липидов.
Для более дентального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
Для развития того или иного организма, одноклеточного или многоклеточного, требуются определенные условия. Во многом нам они известны, но порой не до конца изучены. В случае D. salina нам было известно, что для роста этих одноклеточных водорослей нужен свет, но никто особо не задавался вопросом, что будет, если свет будет разноцветный.
В данном труде ученые провели опыты, в ходе которых на культивируемые клетки водорослей D. salina воздействовал белый, синий, красный и красно-синий свет. На первый взгляд самым эффективным освещением казался классический белый. Скорость роста, скорость удвоения, время генерации и плотность клеток при синем или красном освещении были существенно ниже, чем при белом. Однако комбинация первых двух показала совершенно иную картину.
Что касается биокомпонентов клеток D. salina (липидов, каротиноидов, углеводов и белков), то их содержание также варьировалось в зависимости от освещения. Какой-то свет был лучше для липидов, но негативно влиял на белки, и наоборот: липидов было больше всего при синем и комбинированном свете, белков при синем свете, а каротиноидов и углеводов при белом.
Учитывая, что одни показатели хороши в одних условиях, а другие в других, ученым необходимо было установить, какая комбинация каких цветов освещения позволит получить лучший результат. Для выработки биомассы и белков такой комбинацией стала 6R1B (т.е. 6 красных и 1 синий), а для выработки липидов — 4R3B (4 красных и 3 синих).
По словам ученых, эти результаты многообещающее, но требуют дополнительного анализа, так как идеальная комбинация, удовлетворяющая всем параметрам, пока еще не была найдена. В будущем они намерены провести еще немало тестов, чтобы найти ее, а также уделить внимание анализу состава жирных кислот, синтезируемых в водорослях при благоприятном комбинированном освещении для увеличения производства липидов.
И то, и другое напрямую связано с перспективой использования водорослей вида D. salina в качестве сырья для биодизеля, характеристики которого зависят от состава жирных кислот, меняющегося при разном освещении.
Говорить о скором появлении биодизеля на водорослях пока не приходится, так как процесс его производства пока еще слишком сложен и дорог, чтобы это было выгодно. Однако это направление остается очень заманчивым и многообещающим, остается лишь отшлифовать процесс производства для максимизации качества и объемов выработки. Как бы то ни было, остается надеяться, что подобного рода исследования в области альтернативного топлива дадут плоды раньше, чем иссякнут запасы ископаемых ресурсов.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
