Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры
Определен характер изменения содержания пигментов Porphyridium purpureum в квазинепрерывной культуре и показана возможность регулирования содержания пигментов в клетках микроводоросли с помощью варьирования удельной скорости протока среды. Содержание пигментов в биомассе Р. purpureum в диапазоне ско...
Saved in:
| Published in: | Альгология |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81070 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры / И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков // Альгология. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 34-46. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859624295231127552 |
|---|---|
| author | Гудвилович, И.Н. Боровков, А.Б. |
| author_facet | Гудвилович, И.Н. Боровков, А.Б. |
| citation_txt | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры / И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков // Альгология. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 34-46. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Альгология |
| description | Определен характер изменения содержания пигментов Porphyridium purpureum в квазинепрерывной культуре и показана возможность регулирования содержания пигментов в клетках микроводоросли с помощью варьирования удельной скорости протока среды. Содержание пигментов в биомассе Р. purpureum в диапазоне скоростей обновления среды от 0,1 до 0,4 сут⁻¹ увеличивается на 50 %. Продуктивность культуры Р. purpureum увеличивается с ростом удельной скорости протока среды. Максимальная продуктивность по биомассе и фотосинтетическим пигментам реализуется в диапазоне скоростей протока среды 0,3 - 0,4 сут⁻¹ и достигает: по биомассе 0,5 г орг. вещ-ва л⁻¹-сут⁻¹, а по B-фикоэритрину - 40 мг л⁻¹-сут⁻¹. Установлено, что продуктивность квазинепрерывной культуры Р. purpureum по биомассе и пигментам в 1,5 - 3 раза выше, чем ее продуктивность при накопительном выращивании.
Визначено характер зміни вмісту пігментів Porphyridium purpureum в квазибезперервній культурі і показана можливість регулювання вмісту пігментів у клітинах микроводорості за допомогою варіювання питомої швидкості поновлення середовища. Вміст пігментів в біомасі P. purpureum в діапазоні швидкостей поновлення середовища від 0,1 до 0,4 доб⁻¹ зростає на 50 %. Продуктивність культури P. purpureum збільшується з ростом питомої швидкості протоку середовища. Максимальна продуктивність по біомасі і фотосинтетичним пігментам реалізується в діапазоні швидкостей поновлення середовища 0,3–0,4 доб⁻¹ і досягає: по біомасі 0,5 г орг. речовини•л⁻¹•доб⁻¹, а по В-фікоеритрину – 40 мг•л⁻¹•доб⁻¹. Встановлено, що продуктивність квазібезперервної культури P. purpureum по біомасі та пігментам в 1,5–3 рази вища, ніж її продуктивність при накопичувальному вирощуванні.
It is shown that cultivation of Porphyridium purpureum using semicontinuous method for optimal selection of key parameters allows to obtain stably high productivity of this species both by biomass, and by its a valuable components in comparison with other modes. Production characteristics of semicontinuous culture P. purpureum has been defined. Productivity of P. purpureum increases with the growth of specific flow rate of the medium. The highest productivity of biomass and pigments is realized in the range of flow rate of the medium 0.3–0.4 day⁻¹, and reaches: of biomass – 0.5 g AFDW•l⁻¹•day⁻¹ and of B-phycoerythrin – 40 mg•l⁻¹•day⁻¹. The type of change of the pigments content P. purpureum has been determined under semicontinuous cultivation; the possibility of regulation of pigments content with the help of varying the specific flow rate has been shown. The relative content of pigments in the biomass of P. purpureum in the range of specific flow rate of the medium 0.1–0.4 day⁻¹ increases by 50 %. The maximum pigment content in the biomass of P. purpureum is noted at the specific flow rate 0.3–0.4 day⁻¹. Productivity of semicontinuous culture P. purpureum by biomass and pigments is 1.5–3 times higher than its productivity by batch cultivation, which is confirmed by experimental data.
|
| first_indexed | 2025-11-29T08:42:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
34 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
УДК 579:582.26/.27:639.64
И.Н. ГУДВИЛОВИЧ, А.Б. БОРОВКОВ
Ин-т биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины,
пр. Нахимова, 2, 99011 Севастополь, Украина
e-mail: gudirina2008@yandex.ru, spirit2000@ua.fm
ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
PORPHYRIDIUM PURPUREUM (BORY) ROSS В УСЛОВИЯХ
НАКОПИТЕЛЬНОЙ И КВАЗИНЕПРЕРЫВНОЙ КУЛЬТУРЫ
Определён характер изменения содержания пигментов Porphyridium purpureum в ква-
зинепрерывной культуре и показана возможность регулирования содержания пиг-
ментов в клетках микроводоросли с помощью варьирования удельной скорости про-
тока среды. Содержание пигментов в биомассе P. purpureum в диапазоне скоростей
обновления среды от 0,1 до 0,4 сут-1 увеличивается на 50 %. Продуктивность культу-
ры P. purpureum увеличивается с ростом удельной скорости протока среды. Макси-
мальная продуктивность по биомассе и фотосинтетическим пигментам реализуется в
диапазоне скоростей протока среды 0,3—0,4 сут-1 и достигает: по биомассе 0,5 г орг.
вещ-ва · л-1 · сут-1, а по В-фикоэритрину — 40 мг · л-1 · сут-1. Установлено, что про-
дуктивность квазинепрерывной культуры P. purpureum по биомассе и пигментам в
1,5—3 раза выше, чем её продуктивность при накопительном выращивании.
К л ю ч е в ы е с л о в а : Porphyridium purpureum, накопительная культура, квазине-
прерывная культура, фикобилипротеины, продуктивность.
Введение
В последние десятилетия интерес к пигментам микроводорослей, в ча-
стности к фикобилипротеинам, существенно возрос в результате уста-
новления их высокой антиоксидантной активности (Hirata et al., 2000;
Abd El-Baky, 2003; Ефремова, 2009). Увеличилось количество произ-
водств по выращиванию микроводорослей для последующего выделения
из них биологически ценных веществ (Минюк, 2008; Borowitzka, 1995).
Количество таких веществ, получаемых из водорослей, с каждым годом
увеличивается, а спектр биологически ценных веществ и водорослей-
продуцентов неуклонно расширяется.
Одноклеточная красная микроводоросль Porphyridium purpureum
представляет значительный интерес благодаря уникальному составу
пигментов. В составе P. purpureum выявлены В-фикоэритрин, b-фико-
эритрин, R-фикоцианин, аллофикоцианин, аллофикоцианин В, отно-
сящиеся к группе фикобилипротеинов (Стадничук, 1990; Судьїна та ін.,
2007; Glazer, 1977), а также хлорофилл а и каротиноиды (β-каротин, зе-
аксантин и β-криптоксантин) (Kopecky et al., 2002). Изучению влияния
условий культивирования на рост данной микроводоросли, а также
особенностям накопления в клетках фикобилипротеинов посвящено
© И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков, 2014
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 35
довольно много исследований (Тренкеншу, 1984; Упитис и др., 1989;
Судьїна та ін., 2007; Гудвилович, 2010; Jahn et al., 1984; Fabregas et al.,
1998; Xiao et al., 2001; Kathiresan et al., 2006). Подавляющее большинст-
во подобных работ выполнено в лабораторных условиях в малых объе-
мах периодических культур. Экстраполяция полученных закономерно-
стей на другие системы и условия культивирования может привести к
ошибочным заключениям при прогнозировании как продуктивности
культуры, так и динамики содержания биологически ценных веществ в
клетках микроводоросли. Известные технологии выращивания микро-
водорослей основаны, как правило, на методе периодических культур,
который является наиболее изученным и разработанным на сегодняш-
ний день. Возможности квазинепрерывного культивирования, как спо-
соба управления процессами биосинтеза ценных веществ, изучены не-
достаточно (Fabregas et al., 1998; Fernandez et al., 1998), что вызывает
трудности в разработке промышленных технологий культивирования
микроводорослей на основе данного способа для последующего получе-
ния БАВ.
В связи с этим нам предстояло выявить особенности изменения
продуктивности культуры P. purpureum, а также режимы, позволяющие
получать максимальную продукцию как по биомассе, так и по биологи-
чески ценным веществам.
Материалы и методы
Исследования проводили с культурой красной микроводоросли Porphy-
ridium purpureum (синоним P. cruentum Näg.) (штамм IBSS-70 из коллек-
ции ИнБЮМ НАН Украины). Экспериментальные работы выполняли
на базе отдела биотехнологий и фиторесурсов ИнБЮМ НАНУ. В работе
использовали питательную среду по Р.П. Тренкеншу (1984) (табл. 1).
Таблица 1
Среда по Р.П. Тренкеншу (1984), используемая для
культивирования Porphyridium purpureum
Компонент Навеска, г·л-1
NaNO3 1,2
NaH2PO4 × 2H2O 0,45
Na2EDTA 0,037
FeC6H5O7 × 7H2O 0,0265
MnCl2 × 4H2O 0,0040
CoCl2 × 6H2O 0,0031
(NH4)6Mo7O24 × 4H2O 0,0009
K2Cr2(SO4)4 × 24H2O 0,0017
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
36 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
Культуру Porphyridium purpureum выращивали в установке, которая
состояла из четырех фотобиореакторов, системы подачи газовоздушной
смеси, термостабилизирующей системы и системы освещения. Фото-
биореактор представлял собой ёмкость из стекла размером 5×25×50 см
(плоскопараллельный тип) с рабочей толщиной 5 см, т.е. выполнялось
условие перпендикулярности вектора светового пути к поверхности
25×50 см. Нижняя грань культиватора сделана под углом 25 о для улуч-
шения перемешивания суспензии. Газораспределительная система пред-
ставляла собой замкнутую систему ПВХ трубок диаметром 5 мм, подве-
денных к нижней части каждого реактора с боковых сторон. На входе в
газораспределительную систему с помощью компрессора УК-40 под
давлением подавался атмосферный воздух со скоростью 5 л · мин-1, с
помощью системы дозирования (ротаметр) подавался из баллона угле-
кислый газ. Процентное содержание углекислоты в смеси колебалось в
пределах 2—3 %. Полученная газовоздушная смесь поступала в фоторе-
актор, таким образом осуществлялось перемешивание суспензии. Сред-
няя скорость продувки газовоздушной смеси была 0,5 л · мин-1 · л-1
культуры. Во избежание образования воздушных пробок и пузырей во-
дяной поток внутри охлаждающей рубашки направляли снизу вверх.
Увеличение либо уменьшение скорости протока воды через водяную
рубашку позволяло поддерживать температуру в фотореакторе на задан-
ном уровне (26—28 оС). В качестве источника света использовали лампу
ДРЛ-750, освещённость составляла около 80 Вт/м2. В процессе выращи-
вания рН культуральной среды составляла 6—7 единиц, температура —
26—28 °С.
Квазинепрерывную культуру со скоростью обновления среды (ω),
например 0,1 сут-1, получали путем периодической (с интервалом в 24 ч)
замены 1/10 части суспензии микроводоросли равноценным объемом
свежеприготовленной среды. Инокулят вносили в культиваторы с таким
расчетом, чтобы начальная плотность во всех вариантах опыта была
одинаковой.
На начальном этапе эксперимента P. purpureum культивировали в
накопительном режиме. В четырёх опытных культиваторах (варианты А,
В, С и D), находящихся в одинаковых условиях по температуре, по-
верхностной освещенности и барботажу, были заданы различные на-
чальные концентрации минерального азота и фосфора. Для вариантов А
(контроль) и D начальная концентрация азота составляла 119 мг · л-1,
для В — 238 мг · л-1, для С — 59,5 мг · л-1. Кроме того, для варианта D
концентрация фосфора была уменьшена в 2 раза (25 мг · л-1) по сравне-
нию с остальными вариантами (50 мг · л-1). После 6 суток накопитель-
ного культивирования эксперимент продолжили в квазинепрерывном
режиме (удельные скорости обновления среды 0,2; 0,3; 0,1; 0,4 сут-1 для
культиваторов А—D соответственно). Обмен осуществляли средой по
Р.П. Тренкеншу (см. табл. 1) с удвоенной концентрацией неорганиче-
ского азота и фосфора. Данный режим поддерживали до достижения
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 37
культурой стационарного динамического равновесия в течение 3—4 су-
ток.
Плотность культуры, а также содержание сухой биомассы определя-
ли объемно-весовым (Тренкеншу, 1979), а также фотометрическим ме-
тодами (Методы …, 1975; Лелеков, 2009). Переход от единиц оптической
плотности (D750) к величине сухой биомассы (СВ), осуществляли посред-
ством эмпирического коэффициента: k = 0,68 г·л-1·ед.опт.пл-1, CB = k ×
D750 (Лелеков, 2009). Содержание нитратного азота в среде определяли по-
тенциометрическим методом с помощью иономера И-160М (Уильямс,
1982). Определяемые показатели химического состава выражали в пере-
счете на органическое вещество (ОВ). Массовую долю зольного остатка
в сырой биомассе микроводорослей устанавливали путем предваритель-
ного высушивания навесок (около 1 г) исследуемой биомассы при 105 оС
в течение 24 ч и последующего сжигания в муфельной печи при t = 500 оС
до постоянной биомассы (Методы …, 1975).
Для количественного определения В-фикоэритрина в биомассе
P. purpureum проводили её экстракцию фосфатным буфером (0,05 М; рН
7—7,5). Регистрировали оптическую плотность полученных экстрактов в
области характеристических максимумов поглощения В-фико-эритрина
(545 нм), R-фикоцианина (615 нм) и аллофикоцианина (650 нм), а так-
же при 750 нм (для учета неспецифического поглощения раствора).
Концентрацию пигментов в водном экстракте определяли по И.Н. Стад-
ничук, 1990, используя значения оптической плотности для соответст-
вующих длин волн.
Рассчитывали средние арифметические ( x ), стандартные отклоне-
ния (S), основные ошибки средних, доверительные интервалы для сред-
них (Δ x ). Значимость различий выборок определяли, проверяя разли-
чия дисперсий выборок (по критерию Фишера), а также средних c по-
мощью t-критерия Стьюдента (в случае, если дисперсии выборок зна-
чимо не отличаются) или по приближённому t-критерию (в случае, если
дисперсии выборок значимо отличаются). Все расчёты проводили для
уровня значимости α = 0,05. В таблицах и на графиках представлены
средние значения и рассчитанные доверительные интервалы ( x ±Δ x ).
Результаты и обсуждение
Начальная плотность культуры P. purpureum составляла 0,48 г ОВ · л-1.
На 6-е сутки, когда она была переведена на квазинепрерывный режим,
плотность её составляла 2,6 г ОВ · л-1 для варианта с минимальной на-
чальной концентрацией азота и 3,1 г ОВ · л-1 — для остальных вариан-
тов, таким образом увеличившись за 6 суток накопительного культиви-
рования в 5,5—6,5 раз по сравнению с первоначальной (рис. 1). Для ва-
рианта опыта В концентрация нитратного азота в среде достигла грани-
цы чувствительности электрода (< 1 мг · л-1) на четвёртые сутки, С — на
вторые, а для А и D — на третьи сутки после начала культивирования.
Продолжение активного роста порфиридиума при резком снижении со-
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
38 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
держания нитратного азота в среде (в данном эксперименте удельная
скорость роста составила в среднем 0,4 сут-1) отмечается разными ис-
следователями (Тренкеншу, 1984; Упитис и др., 1989).
Рис. 1. Динамика плотности накопительной и квазинепрерывной культуры
Porphyridium purpureum: ■ — вариант А, 0,2 сут-1; ♦ — вариант В, 0,3 сут-1; ● — вариант
С, 0,1 сут-1; ○ — вариант D, 0,4 сут-1. Пунктирная линия — граница между накопи-
тельным и квазинепрерывным культивированием
Этот процесс, как правило, объясняется использованием для роста
культуры внутриклеточных запасов азота, в т.ч. входящих в состав пиг-
мент-белковых комплексов (хлорофиллов и фикобилипротеинов). Кро-
ме того, известна способность данной микроводоросли достаточно эф-
фективно использовать помимо нитратов и другие источники мине-
рального азота (Xiao и др., 2001), которые могут быть образованы в
процессе бактериальной деструкции отмерших клеток.
После изменения режима на квазинепрерывный, через 8 суток во
всех культиваторах установилось стационарное динамическое равнове-
сие с различной плотностью культуры P. purpureum (в зависимости от
установленных удельных скоростей обновления среды) (см. рис. 1). По-
лученные экспериментальные данные позволили рассчитать продуктив-
ность культуры P. purpureum по биомассе при различных удельных ско-
ростях протока среды (табл. 2).
С повышением удельной скорости обновления среды от 0,1 до
0,2 сут-1 и, соответственно, пропорциональным увеличением подачи
биогенных элементов в культуру наблюдалось возрастание продуктивно-
сти культуры P. purpureum в 1,9 раза (t = 63,18 > t05 = 2,23). Для диапа-
зона скоростей обновления среды 0,2—0,4 сут-1 значимых изменений
продуктивности исследуемой культуры не выявлено (t = 0,96 < t05 =
2,45). Таким образом, количество биогенных элементов, поступающее в
0 4 8 12 16 20
Время культивирования, сутки
0
1
2
3
П
л
от
н
ос
ть
к
ул
ьт
ур
ы
, г
О
В
/л
0,1 сут-1
0,2 сут-1
0,3 сут-1
0,4 сут-1
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 39
культуру при 20 % обмене среды достаточно для поддержания макси-
мально высоких скоростей роста P. purpureum для этих условий. При
дальнейшем повышении доли обмениваемой среды увеличения продук-
тивности не выявлено.
Таблица 2
Плотность и продуктивность культуры Porphyridium purpureum при
квазинепрерывном культивировании
Режим
культивирования, сут-1
Плотность культуры,
г ОВ · л-1
Продуктивность по биомассе,
г ОВ · л-1 · сут-1
0,1 2,55±0,19 0,26±0,02
0,2 2,44±0,19 0,49±0,04
0,3 1,83±0,18 0,55±0,05
0,4 1,20±0,09 0,48±0,04
Содержание В-фикоэритрина (В-ФЭ), R-фикоцианина (R-ФЦ) и
аллофикоцианина (АФЦ) в клетках P. purpureum на начало эксперимен-
та составляло: 3,58±0,32, 0,45±0,13 и 0,18±0,04 % ОВ соответственно
(рис. 2).
За период накопительного культивирования при дефиците азота в
среде (варианты А, С и D) относительное содержание фикобилипротеи-
нов (ФБП) резко снизилось, при этом содержание R-ФЦ для вариантов
А, С и D составляло в среднем 0,19±0,04 % ОВ, а АФЦ — 0,12±0,03 %
ОВ. Минимальное содержание В-ФЭ регистрировали в варианте опыта
С (0,4±0,1 % ОВ). При отсутствии выраженного лимитирования по ми-
неральному азоту (вариант В) к шестым суткам эксперимента относи-
тельное содержание всех фикобилиновых пигментов восстанавливалось
практически до уровня инокулята: 3,2±0,3; 0,4±0,1; 0,3±0,1 % ОВ для
В-ФЭ, R-ФЦ и АФЦ соответственно. Максимальное снижение относи-
тельного содержания отмечено для В-ФЭ (в 4—9 раз), а минимальное —
для АФЦ (на 25 %). Динамика относительного содержания хлорофилла
а при накопительном культивировании в основном коррелировала с ди-
намикой содержания ФБП (см. рис. 2). Резкое уменьшение содержания
пигментов в клетках микроводоросли в первые два дня после начала
эксперимента, вероятно, можно рассматривать как метаболический сбой
— ответную реакцию на одновременное скачкообразное изменение сразу
нескольких факторов среды: концентрации биогенов, освещённости,
рН, солёности и др. (Дробецкая, 2005). Известно, что причиной сниже-
ния клеточного уровня пигментов может быть не только деградация по-
следних, но и угнетение пигментного синтеза на фоне ускоренного кле-
точного деления (Grossman, 1994), что и отмечалось в первые два дня куль-
тивирования.
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
40 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
Последующее снижение относительного содержания всех фикоби-
линовых пигментов и хлорофилла а при дефиците нитратного азота в
среде на фоне продолжающегося активного роста культуры свидетельст-
вует об использовании данных пигментов в качестве источника азота
(Дробецкая, 2005; Лелеков, 2009; Гудвилович, 2010). В ходе эксперимен-
та наиболее интенсивно использовался В-ФЭ (снижение составило 90 %
первоначального содержания пигмента). Фаза замедления роста при на-
копительном выращивании микроводоросли P. purpureum наступала, по-
видимому, только после уменьшения относительного содержания фико-
билиновых пигментов и хлорофилла а до некоторого физиологически
критического уровня, который составляет: 0,4 % ОВ для В-ФЭ и 0,04 %
ОВ для хлорофилла а.
А Б
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Время культивирования, сутки
0
2
4
6
8
10
С
од
ер
ж
ан
и
е
В
-ф
и
к
оэ
р
и
тр
и
н
а,
%
О
В
0,4
0,3
0,2
0,1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Время культивирования, сутки
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
С
од
ер
ж
ан
и
е
R
-ф
и
к
оц
и
ан
и
н
а,
%
О
В
0,4
0,3
0,2
0,1
В Г
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Время культивирования, сутки
0
0.2
0.4
0.6
0.8
С
од
ер
ж
ан
и
е
ал
л
оф
и
к
оц
и
ан
и
н
а,
%
О
В
0,4
0,3
0,2
0,1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Время культивирования, сутки
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
С
од
ер
ж
ан
и
е
хл
ор
оф
и
л
л
а
а,
%
О
В
0,4
0,3
0,2
0,1
Рис. 2. Динамика относительного содержания В-фикоэритрина (А), R-фикоцианина
(Б), аллофикоцианина (В) и хлорофилла а (Г) в клетках Porphyridium purpureum в на-
копительной культуре при различной начальной концентрации азота и квази-
непрерывной культуре при различной скорости обновления среды: ● — вариант А,
0,2 сут-1; ○ — вариант В, 0,3 сут-1; ■ — вариант С, 0,1 сут-1; — вариант D, 0,4 сут-1;
пунктирная линия — граница между накопительным и квазинепрерывным культиви-
рованием
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 41
Рост культуры осуществлялся за счёт внутренних резервов азота в
клетках, что подтверждается результатами варианта опыта В, имеющего
повышенную концентрацию минерального азота в среде, где на фоне
продолжающегося активного роста культуры регистрировали восстанов-
ление содержания ФБП до первоначального уровня (см. рис. 2).
Недостаток азота в среде отражался не только на содержании всех
типов ФБП, но и на их индексах. При этом индекс В-ФЭ/R-ФЦ для
варианта В изменялся незначительно и к окончанию накопительного
этапа культивирования восстанавливался до первоначального уровня
(8,1) (рис. 3). Индекс В-ФЭ/АФЦ для этого же варианта к окончанию
накопительного этапа культивирования не восстанавливался до перво-
начального уровня (11,4), однако практически соответствовал индексу
при квазинепрерывном культивировании (13—14) в отсутствие лимити-
рования по основным биогенным элементам (см. рис. 3).
Рис. 3. Изменение индексов фикобилипротеинов в клетках Porphyridium purpureum
при накопительном культивировании: А — индекс В-ФЭ/R-ФЦ; Б — индекс
В-ФЭ/АФЦ
А
Б
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
42 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
Для вариантов с более низкой концентрацией азота (А и С) индек-
сы В-ФЭ/R-ФЦ и В-ФЭ/АФЦ снижались, причём их минимальные
значения в последние сутки накопительного культивирования (2,2 и 2,7
для В-ФЭ/R-ФЦ и В-ФЭ/АФЦ соответственно) зарегистрированы для
варианта с минимальной концентрацией минерального азота.
Уменьшение индексов В-ФЭ/R-ФЦ и В-ФЭ/АФЦ в 2—4 раза, на-
блюдаемое при развитии азотного дефицита у P. purpureum (варианты А,
С и D), свидетельствует о преимущественной деградации В-ФЭ по
сравнению с R-ФЦ и АФЦ, находящимися ближе к сердцевине антен-
ных структур, что согласуется с литературными данными об упорядо-
ченном характере редукции фикобилисом (Yamanaka, Glazer, 1980). Со-
держание в клетках P. purpureum фотосинтетических пигментов, особен-
но В-ФЭ ввиду его значительной концентрации, является чувствитель-
ным индикатором истощения азота в среде, позволяющим выявить не-
достаток азота в среде раньше, чем по ростовым показателям. Однона-
правленные изменения содержания пигментов характеризуются высокой
степенью корреляции (коэффициенты корреляции для всех вариантов
были близки к 0,9).
Относительное содержание пигментов в клетках P. purpureum при
переходе к квазинепрерывному культивированию повышалось для всех
вариантов опыта, что связано с изменением условий освещённости и
минерального обеспечения (см. рис. 2, табл. 3).
Таблица 3
Относительное содержание пигментов в клетках Porphyridium purpureum при
квазинепрерывном культивировании
В-ФЭ R-ФЦ АФЦ хл. а
Кароти-
ноиды
Удельная
скорость
протока, сут-1
% ОВ
0,1 5,25±0,37 0,70±0,08 0,40±0,06 0,57±0,05 0,24±0,04
0,2 6,42±0,27 0,81±0,07 0,48±0,08 0,76±0,05 0,29±0,03
0,3 7,27±0,45 0,98±0,11 0,52±0,07 0,95±0,10 0,36±0,04
0,4 7,63±0,75 0,98±0,09 0,51±0,07 1,02±0,07 0,37±0,04
Установлено, что с увеличением удельной скорости обновления
среды от 0,1 до 0,4 сут-1 относительное содержание пигментов в клетках
P. purpureum возрастает (ФБП на 30—50 %) (см. рис. 2, табл. 3). Допол-
нительный статистический анализ (сравнение дисперсий выборок по
критерию Фишера и средних по t-критерию Стьюдента для уровня зна-
чимости α = 0,05) показал, что увеличения относительного содержания
хлорофилла а и В-фикоэритрина при возрастании доли обмениваемой
среды от 30 до 40 % являются значимыми (t = 6,48 > t05 = 2,09 (В-ФЭ),
t = 3,27 > t05 = 2,23 (хл. а). Рост относительного содержания хлорофилла
а и ФБП P. purpureum с увеличением протока питательной среды может
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 43
объясняться, согласно литературным данным (Fabregas et al., 1998),
улучшением условий минерального обеспечения, а также удалением ме-
таболитов культуры в процессе проведения ежесуточного обмена. Отсут-
ствие значимых изменений содержания R-фикоцианина и аллофико-
цианина при возрастании скорости обновления среды от 0,3 до 0,4 сут-1
(t = 0,16 < t05 = 2,09 (R-ФЦ), t = 0,24 < t05 = 2,09 (АФЦ) свидетельствует
о более низкой лабильности данных пигментов, что, по-видимому, объ-
ясняется особенностями их нахождения в антенных структурах фикоби-
лисом и выполняемыми функциями (Yamanaka, Glezer, 1980; Algarra,
Ruediger, 1993).
В эксперименте при увеличении скорости обновления среды от 0,1
до 0,4 сут-1 плотность культуры снижается в 2 раза. Следовательно,
удельная освещённость клеток должна увеличиться, вызывая уменьше-
ние относительного содержания пигментов, что, как правило, объясня-
ют протекающими адаптационными процессами (Боровков, 2008; Фи-
ненко и др., 2008; Fabregas et al., 1998; Fernandez et al., 1998), однако в
эксперименте наблюдается противоположная тенденция. Известно, что
к особенностям биосинтеза P. purpureum относится продуцирование зна-
чительных количеств полисахаридов (Fabregas et al., 1998; Singh et al.,
2000), что могло нивелировать действие фактора освещённости за счёт
изменения оптических свойств культуры микроводоросли.
Поскольку P. purpureum используют для получения фикобилиновых
пигментов, рассчитана средняя продуктивность культуры микроводо-
росли для 6 суток накопительного культивирования и для последних 5
суток квазинепрерывного (табл. 4).
Таблица 4
Продуктивность накопительной и квазинепрерывной культуры
Porphyridium purpureum по фикобилипротеинам
Средняя продуктивность, мг · л-1 · сут-1
Режим культивирования, сут-1
В-ФЭ R-ФЦ АФЦ
Накопительный, (вариант опыта В) 11,7±0,6 2,3±0,2 1,3±0,2
Квазинепрерывный, 0,1 13,2±1,1 1,7±0,1 1,0±0,2
« 0,2 30,1±2,1 4,1±0,4 2,3±0,3
« 0,3 38,8±1,7 5,2±0,5 3,2±0,3
Квазинепрерывный, 0,4 37,7±2,9 4,5±0,4 3,3±0,5
Продуктивность квазинепрерывной культуры P. purpureum по ФБП с
возрастанием скорости обновления среды от 0,1 до 0,3 сут-1 увеличива-
лась в 3 раза, что объясняется улучшением минерального питания и
удалением метаболитов в процессе обмена среды. Таким образом, ин-
тенсивное культивирование микроводоросли P. purpureum для получения
максимальной продукции наиболее важного компонента — В-
фикоэритрина необходимо осуществлять в квазинепрерывном режиме,
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
44 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
поскольку при накопительном выращивании после исчерпания элемен-
тов минерального питания в среде относительное содержания фикоби-
липротеинов резко уменьшается (практически до нулевых значений),
что вызывает снижение продуктивности культуры по пигментам (см.
табл. 4).
Заключение
Культивирование P. purpureum в квазинепрерывном режиме имеет ряд
преимуществ (по накоплению и выходу В-фикоэритрина) по сравнению
с накопительным методом.
Продуктивность культуры P. purpureum возрастает с увеличением
удельной скорости обновления среды. Наибольшая продуктивность по
биомассе и фотосинтетическим пигментам реализуется в режиме 30—
40 % обновления среды в сутки и достигает 0,5 г ОВ · л-1 ·сут-1 по био-
массе и 40 мг · л-1 ·сут-1 по В-фикоэритрину.
Для исследованного вида относительное содержание пигментов при
увеличении удельной скорости обновления среды возрастает на 50 % в
диапазоне от 0,1 до 0,4 сут-1. Максимальное содержание фотосинтетиче-
ских пигментов в биомассе P. purpureum отмечено при скорости обнов-
ления среды 0,4 сут-1.
Продуктивность квазинепрерывной культуры P. purpureum по био-
массе и пигментам в 1,5—3 раза выше, чем её продуктивность при нако-
пительном выращивании, что подтверждается полученными экспери-
ментальными данными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Боровков А.Б. Динамика пигментов и роста микроводорослей в хемостате на примере
Dunaliella salina Teod.: Автореф. дис. … канд. биол. наук. — Севастополь, 2008. —
28 с.
Гудвилович И.Н. Влияние условий культивирования на рост и содержание фикобили-
протеинов красной микроводоросли Porphyridium purpureum (обзор) // Экол. мо-
ря. — 2010. — Спец. вып. 81: Биотехнол. водорослей. — С. 28—36.
Дробецкая И.В. Влияние условий минерального питания на рост и химический состав
Spirulina platensis (Nordst.) Geitler: Автореф. дис. … канд. биол. наук. —
Севастополь, 2005. — 26 с.
Ефремова Н. Разработка способов получения антиоксидантных препаратов на основе
биоактивных веществ цианобактерий и микроводорослей: Автореф. дис. … д-ра
биол. наук. — Кишинёв, 2009. — 29 с.
Лелеков А.С. Моделирование роста и биосинтеза морских микроводорослей в квазине-
прерывной культуре: Автореф. дис. … канд. биол. наук. — Севастополь, 2009. — 26 с.
Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической
практике. — Киев: Наук. думка, 1975. — 247 с.
Продукционные характеристики Porphyridium purpureum
ISSN 0868-8540 Альгология. 2014, 24(1) 45
Минюк Г.С., Дробецкая И.В., Чубчикова И.Н., Терентьева Н.В. Одноклеточные водо-
росли как возобновляемый биологический ресурс: обзор // Мор. экол. журн. —
2008. — 7(2). — С. 5—23.
Стадничук И.Н. Фикобилипротеины. Биологическая химия. — М.: Мир, 1990. — 196 c.
Судьїна О.Г., Шнюкова Э.І., Мушак П.О., Лось С.І. та ін. Біохімія червоних водорос-
тей. — К., 2007. — 320 с.
Тренкеншу Р.П. Ростовые и фотоэнергетические характеристики морских микроводо-
рослей в плотной культуре: Автореф. дис. … канд. биол. наук. — Красноярск,
1984. — 28 с.
Тренкеншу Р.П., Белянин В.Н. Влияние элементов минерального питания на продук-
тивность водоросли Platymonas viridis Rouch. // Биол. моря. — 1979. — 51. —
С. 41—46.
Уильямс У. Дж. Определение анионов — М.: Химия, 1982. — С. 134—136.
Упитис В.В., Пакалне Д.С., Шулце И.Ф. Оптимизация минерального питания красной
морской водоросли Porphyridium сruentum // Изв. АН Латв. ССР. — 1989. —
505(8). — С. 95—104.
Финенко З.З., Чурилова Т.Я., Акимов А.И. Пигменты микроводорослей // Микроводо-
росли Чёрного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологиче-
ского использования. — Севастополь, 2008. — С. 301—319.
Abd El-Baky H. Over production of phycocyanin pigment in blue green alga Spirulina sp.
and its inhibitory effect on growth of Ehrlich ascites carcinoma cells // J. Med. Sci. —
2003. — 3(4). — P. 314—324.
Algarra P., Ruediger W. Acclimation processes in the light harvesting complex of the red
alga Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross, according to irradiance and nutri-
ent availability // Plant. Cell. Environ. — 1993. — 16(2). — P. 149—159.
Borowitzka M.A. Microalgae as source of pharmaceutical and other biologically active com-
pounds // J. Appl. Algol. — 1995. — 7. — P. 3—15.
Fabregas J., Garcia D., Morales E. et al. Renewal rate of semicontinuous cultures of the
microalga Porphyridium cruentum modifies phycoerythrin, exopolysaccharide and fatty
acid productivity // J. Ferment. Bioeng. — 1998. — 86(5). — P. 477—481.
Fernandez A.F.G., Camacho G.F., Perez S.J.A. et al. Modeling of biomass productivity in
tubular photobioreactors for microalgal cultures: Effects dilution rate, tube diameter
and solar irradiance // Biotechnol. Bioeng. — 1998. — 58. — P. 605—616.
Glazer A. N., Hixson C. S. Subunit structure and chromophore composition of rhodophytan
phycoerythrins Porphyridium cruentum B-phycoerythrin and b-phycoerythrin // J. Biol.
Chem. — 1977. — 252(1). — P. 32—42.
Grossman A. M., Schaefer R., Chiang G. G., Collier J. L. The responses of cyanobacteria to
environmental conditions: light and nutrients // Molecular biology of cyanobacteria. —
Kluwer: Acad. Publ., 1994. — P. 641—675.
Hirata T., Tanaka M., Ooike M. et al. Antioxidant activies of phycocyanobilin prepared
from Spirulina platensis // J. Appl. Phycol. — 2000. — 12(3). — P. 435—439.
Jahn W., Steinbiss J., Zetsche K. Light intensity adaptation of the phycobiliprotein content
of the red alga Porphyridium // Planta. — 1984. — 16(6). — P. 536—539.
И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков
46 ISSN 0868-8540 Algologia. 2014, 24(1)
Kathiresan S., Sarada R., Bhattacharya S., Ravishankar A. Culture media optimization for
growth and phycoerythrin production from Porphyridium purpureum // Biotech. and
Bioengin. — 2006. — 96. — P. 456—463.
Kopecky J., Riederer M., Pfuendel E. Porphyridium purpureum (formerly P. cruentum) con-
tains beta-carotene but no alpha-carotene // Arch. Hydrobiol. (Suppl.) (Algol. Stud.).
— 2002. — 142. — P. 189—195.
Singh S., Arad S., Richmond A. Extracellular polysaccharide production in outdoor mass
cultures of Porphyridium sp. in flat plate glass reactors // J. Appl. Phycol. — 2000. —
12. — P.269—275.
Xiao H., Xie Z., Guo J. Effects of five different nitrogen resources on Porphyridium pur-
pureum growth // J. Fujian Teach. Univ. (Nat. Sci. Ed.) / Fujian Shifan Daxue Xue-
bao. — 2001. — 17(2). — P. 78—80.
Yamanaka G., Glazer A.N. Dynamic aspects of phycobilisome structure. Phycobilisome
turnover during nitrogen starvation in Synechococcus sp. // Arch. Microbiol. — 1980. —
124. — P. 39—47.
Поступила 13 марта 2013 г.
Подписала в печать Е.И. Шнюкова
I.N. Gudvilovich, A.B. Borovkov
А.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, NAS of Ukraine,
2, Nakhimov Prosp., 99011 Sevastopol, Ukraine
e-mail: gudirina2008@yandex.ru, spirit2000@ua.fm
PRODUCTION CHARACTERISTICS OF THE MICROALGAE PORPHYRIDIUM
PURPUREUM (BORY) ROSS. UNDER BATCH AND SEMICONTINUOUS
CULTIVATION
It is shown that cultivation of Porphyridium purpureum using semicontinuous method for
optimal selection of key parameters allows to obtain stably high productivity of this species
both by biomass, and by its a valuable components in comparison with other modes.
Production characteristics of semicontinuous culture P. purpureum has been defined.
Productivity of P. purpureum increases with the growth of specific flow rate of the medium.
The highest productivity of biomass and pigments is realized in the range of flow rate of
the medium 0.3—0.4 day-1, and reaches: of biomass — 0.5 g AFDW · l-1 · day-1 and of
B-phycoerythrin — 40 mg · l-1 · day-1. The type of change of the pigments content P. pur-
pureum has been determined under semicontinuous cultivation; the possibility of regulation
of pigments content with the help of varying the specific flow rate has been shown. The
relative content of pigments in the biomass of P. purpureum in the range of specific flow
rate of the medium 0.1—0.4 day-1 increases by 50 %. The maximum pigment content in the
biomass of P. purpureum is noted at the specific flow rate 0.3—0.4 day-1. Productivity of
semicontinuous culture P. purpureum by biomass and pigments is 1.5—3 times higher than
its productivity by batch cultivation, which is confirmed by experimental data.
K e y w o r d s : Porphyridium purpureum, batch culture, semicontinuous culture, the density
of the culture, phycobiliproteins, productivity.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81070 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-8540 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T08:42:19Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гудвилович, И.Н. Боровков, А.Б. 2015-05-01T06:07:50Z 2015-05-01T06:07:50Z 2014 Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры / И.Н. Гудвилович, А.Б. Боровков // Альгология. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 34-46. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 0868-8540 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81070 579:582.26/.27:639.64 Определен характер изменения содержания пигментов Porphyridium purpureum в квазинепрерывной культуре и показана возможность регулирования содержания пигментов в клетках микроводоросли с помощью варьирования удельной скорости протока среды. Содержание пигментов в биомассе Р. purpureum в диапазоне скоростей обновления среды от 0,1 до 0,4 сут⁻¹ увеличивается на 50 %. Продуктивность культуры Р. purpureum увеличивается с ростом удельной скорости протока среды. Максимальная продуктивность по биомассе и фотосинтетическим пигментам реализуется в диапазоне скоростей протока среды 0,3 - 0,4 сут⁻¹ и достигает: по биомассе 0,5 г орг. вещ-ва л⁻¹-сут⁻¹, а по B-фикоэритрину - 40 мг л⁻¹-сут⁻¹. Установлено, что продуктивность квазинепрерывной культуры Р. purpureum по биомассе и пигментам в 1,5 - 3 раза выше, чем ее продуктивность при накопительном выращивании. Визначено характер зміни вмісту пігментів Porphyridium purpureum в квазибезперервній культурі і показана можливість регулювання вмісту пігментів у клітинах микроводорості за допомогою варіювання питомої швидкості поновлення середовища. Вміст пігментів в біомасі P. purpureum в діапазоні швидкостей поновлення середовища від 0,1 до 0,4 доб⁻¹ зростає на 50 %. Продуктивність культури P. purpureum збільшується з ростом питомої швидкості протоку середовища. Максимальна продуктивність по біомасі і фотосинтетичним пігментам реалізується в діапазоні швидкостей поновлення середовища 0,3–0,4 доб⁻¹ і досягає: по біомасі 0,5 г орг. речовини•л⁻¹•доб⁻¹, а по В-фікоеритрину – 40 мг•л⁻¹•доб⁻¹. Встановлено, що продуктивність квазібезперервної культури P. purpureum по біомасі та пігментам в 1,5–3 рази вища, ніж її продуктивність при накопичувальному вирощуванні. It is shown that cultivation of Porphyridium purpureum using semicontinuous method for optimal selection of key parameters allows to obtain stably high productivity of this species both by biomass, and by its a valuable components in comparison with other modes. Production characteristics of semicontinuous culture P. purpureum has been defined. Productivity of P. purpureum increases with the growth of specific flow rate of the medium. The highest productivity of biomass and pigments is realized in the range of flow rate of the medium 0.3–0.4 day⁻¹, and reaches: of biomass – 0.5 g AFDW•l⁻¹•day⁻¹ and of B-phycoerythrin – 40 mg•l⁻¹•day⁻¹. The type of change of the pigments content P. purpureum has been determined under semicontinuous cultivation; the possibility of regulation of pigments content with the help of varying the specific flow rate has been shown. The relative content of pigments in the biomass of P. purpureum in the range of specific flow rate of the medium 0.1–0.4 day⁻¹ increases by 50 %. The maximum pigment content in the biomass of P. purpureum is noted at the specific flow rate 0.3–0.4 day⁻¹. Productivity of semicontinuous culture P. purpureum by biomass and pigments is 1.5–3 times higher than its productivity by batch cultivation, which is confirmed by experimental data. ru Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України Альгология Физиология, биохимия, биофизика Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры Продукційні характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross в умовах накопичувальної і квазибезперервної культури Production characteristics of the microalgae Porphyridium purpureum (Bory) Ross. under batch and semicontinuous cultivation Article published earlier |
| spellingShingle | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры Гудвилович, И.Н. Боровков, А.Б. Физиология, биохимия, биофизика |
| title | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| title_alt | Продукційні характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross в умовах накопичувальної і квазибезперервної культури Production characteristics of the microalgae Porphyridium purpureum (Bory) Ross. under batch and semicontinuous cultivation |
| title_full | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| title_fullStr | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| title_full_unstemmed | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| title_short | Продукционные характеристики Porphyridium purpureum (Bory) Ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| title_sort | продукционные характеристики porphyridium purpureum (bory) ross. в условиях накопительной и квазинепрерывной культуры |
| topic | Физиология, биохимия, биофизика |
| topic_facet | Физиология, биохимия, биофизика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81070 |
| work_keys_str_mv | AT gudvilovičin produkcionnyeharakteristikiporphyridiumpurpureumboryrossvusloviâhnakopitelʹnoiikvazinepreryvnoikulʹtury AT borovkovab produkcionnyeharakteristikiporphyridiumpurpureumboryrossvusloviâhnakopitelʹnoiikvazinepreryvnoikulʹtury AT gudvilovičin produkcíiníharakteristikiporphyridiumpurpureumboryrossvumovahnakopičuvalʹnoííkvazibezperervnoíkulʹturi AT borovkovab produkcíiníharakteristikiporphyridiumpurpureumboryrossvumovahnakopičuvalʹnoííkvazibezperervnoíkulʹturi AT gudvilovičin productioncharacteristicsofthemicroalgaeporphyridiumpurpureumboryrossunderbatchandsemicontinuouscultivation AT borovkovab productioncharacteristicsofthemicroalgaeporphyridiumpurpureumboryrossunderbatchandsemicontinuouscultivation |