А В Бородина - Динамика содержания гидрокарбонатов и карбонатов в среде заррука при выращивании микроводоросли spirulina platensis - страница 1

Страницы:
1  2 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МАРИКУЛЬТУРЫ

УДК 551.464.09:582.232

А. В. Б О Р О Д И Н А

ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ГИДРОКАРБОНАТОВ И КАРБОНАТОВ В СРЕДЕ ЗАРРУКА ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ МИКРОВОДОРОСЛИ SPIRULINA PLATENSIS (NORDST.) GEITLER В НАКОПИТЕЛЬНОЙ КУЛЬТУРЕ

Приводятся данные о карбонатном равновесии в среде Заррука, приготовленной на основе двух различных солей - №НОТз и Na2CCb, при выращивании водоросли Spirulina platen-sis. Приведены ростовые характеристики микроводоросли и ее средняя продуктивность в период максимального роста на данных средах.

Содержание углерода в питательной среде при культивировании Spirulina platensis является одним из важных факторов, определяющих продуктивность культуры. Для выращивания этой водоросли наиболее оптимальной признана среда Заррука [5, 6, 9], в которой гидрокарбонаты составляют около 76 % от суммы всех солей. Исследова­ние характера изменения концентраций гидрокарбонатов и карбонатов (НСО3/СО32-) в среде представляет интерес для оценки потребности водоросли в углероде и ее способ­ности использовать карбонаты в качестве источника углерода. Учитывая выше изложен­ное, мы поставили задачу определить направленность динамики карбонатного равнове­сия в питательной среде при выращивании S. platensis методом накопительной культуры в среде Заррука, приготовленной на основе гидрокарбоната натрия, и среде Заррука, со­держащей вместо гидрокарбоната натрия эквивалентное по углероду количество карбо­ната натрия, а также оценить характер влияния ионных форм СО2 на ростовые характе­ристики и продуктивность данной микроводоросли.

Материал и методы. Объектом исследования была Spirulina platensis из кол­лекции отдела биотехнологии и фиторесурсов ИнБЮМ НАН Украины. Водоросли выра­щивали методом накопительной культуры в однотипных колбах объемом 1 л на люмино-стате при непрерывном освещении снизу. Интенсивность освещения измеряли люксмет­ром Ю - 116. Суспензию микроводорослей барботировали воздухом со скоростью 80,4 л/ч с помощью аквариумного насоса. Эксперимент проведен дважды: в осенний и зим­ний периоды. Условия проведения экспериментов приведены в таблице.

Таблица. Условия проведения экспериментов Table. Experimental conditions

Дата проведения эксперимен­та

Темпе­ратура,

0С

Освещен­ность, кЛк

Длина светового дня

Высота слоя суспензии водоросли,см

Начальная оптиче­ская плотность D750, опт.пл.

22.10.2001

28 - 31

5,0 - 5,2

9 ч 59 мин

5,5

0,05

12.11.2001

 

 

8 ч 30 мин

 

 

14.01.2002

26 - 28

5,2 - 5,4

7 ч 36 мин

5,5

0,15

23.01.2002

 

 

8 ч 05 мин

 

 

Эксперименты проведены в 2 вариантах:

A) спирулину выращивали на стандартной среде Заррука (NaHCO3-16,8 г/л) (гидрокарбонатная среда Заррука);

B) в среде Заррука NaHCO3 заменили эквивалентным по углероду количеством Na2CO3 (21,17 г/л) (карбонатная среда Заррука).

Инокулят спирулины, выращенный методом накопительной культуры, объемом 50 мл, внесли в каждую колбу. Оптическую плотность измеряли на КФК-2 в кюветах при длине волны 750 нм с рабочей длиной 0,5 см. Для предварительной оценки продук­тивности спирулины было использовано уравнение зависимости между оптической

© А. В. Бородина, 2002 Экология моря. 2002. Вып. 60плотностью культуры в области 750 нм и содержанием сухого вещества в литре сус­пензии водоросли, рассчитанное методом наименьших квадратов для данного штамма спирулины [3]. Среднее значение максимальной продуктивности культуры в опытах оце­нивали по тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой роста по формуле Х=Р*г+В, где Х-биомасса в г/л, Р-продуктивность в г/лсутки, t-время в сутках.

Контроль рН среды осуществлялся при помощи иономера ЭВ-74 . Содержание НСО3- и СО32 в среде определялась алкалиметрическим методом [1]. На точность опре­деления данных ионов в среде оказывали влияние следующие факторы: присутствие кислых солей (NaH2PO4-0,5г/л) и образующееся, вследствие диссоциации, фосфатное равновесие: НРО42-+ОН - <=> РО43-2О; высокая ионная сила раствора; вторичные мета­болиты микроводорослей.

Для уменьшения указанных факторов, пробы предварительно отфильтровывали и среду разводили в 2 раза. Для более точного определения точки эквивалентности во время титрования через пробу пропускался воздух, освобожденный от СО2.

Отбор проб для определения плотности культуры проводили ежедневно в одно и то же время. Для компенсации испарения уровень раствора в колбах предварительно доводили до метки 550 мл дистиллированной водой и при перемешивании отбирали пробу объемом 5 мл из каждой колбы.

Результаты и обсуждение. Характер динамики биомассы и продуктивности данной микроводоросли, выращенной на среде Заррука, в двух вариантах (А, В), пред­ставлен на рис.1 и 2.

 

 

1111)

1 А 1В

 

tJ^)1^*""'^

у х о г о

А/

;    0 8-

 

;  0 6-

ту

Z     0 4-

;   о 2 і

      0 -

f

 

1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 11 1 1 11 1 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 2   4   6   8   10 12 14 16 18 2022

 

Время, сутки

Рисунок 1. Динамика биомассы Spirulina platensis при выращивании на гидрокарбонатной (А) и карбонатной (В) среде Заррука в экспериментах № 1 и № 2

Figure 1. The biomass dynamic of Spirulina platensis growth in carbonate (B) and hydrocarbonate (A) Zarrouk medium in experiments No1 and No 2

Кривые роста спирулины двух вариантов, как в первом, так и во втором экспе­риментах, существенно отличались между собой. Выход водоросли на стационарную фазу роста в первом случае соответствовало 12-му (для варианта А) и 16-му (для вари­анта В), во втором - 7-му дню. Возможно, что различия в кривых роста спирулины в двух вариантах (А, В) вызваны ухудшением питания в варианте В и связаны с неопти­мальными условиями выращивания (рН) [7].

Рисунок 2. Максимальная продуктивность Spirulina platensis при выращивании на гидрокарбонатной (А) и на карбонатной (В) среде Заррука в экспериментах № 1 и № 2

Figure 2. Maximum productivity of Spirulina platensis in carbonate (B) and hydrocarbonate (A) Zarrouk medium in experiments No 1 and No 2

Продуктивность спирулины, выращенной на карбонатной и гидрокарбонатной средах, существенно различалась. Средняя (для линейного участка кривой роста) продуктивность культуры в первом эксперименте за 11 дней составила: 0,128 г/л-сутки -для варианта А и 0,09 г/л-сутки - в варианте В. В повторном эксперименте продолжи­тельностью 9 дней она равнялась для варианта А - 0,145 г/л - сутки, для варианта В -0,113 г/л-сутки. Несовпадение величин продуктивности, полученных в разных повтор-ностях, объясняются различиями в условиях проведения экспериментов (температура, исходная плотность культуры, длина светового дня). Изменение концентрации карбона­тов и гидрокарбонатов, а также рН в варианте А обоих экспериментов показаны на рис.3.

Несмотря на некоторые отличия в условиях выращивания, характер содержания

o-N a 2C O 3, г/л + -N a H C O

4    6    8   10  12  14 16 Время, сутки 1

1 ( -

1 4 — 1 2 -

o-N a2C + -N a H C

,. г/л . O 3 , г/л

 

рН

i— 1 1 -1 0 5

1 0 — 8 _

 

 

 

-10

6 — 4 -

 

4

 

-i 5

2 —

j

0 _

(

 

:

- i

 

11

1 1 1

1 \'

 

0

2

4 6

8      10

Время, сутки 2

Рисунок 3. Динамика содержания карбонатов, гидрокарбонатов и рН при выращивании спирулины на гидрокарбонатной среде Заррука в экспериментах

№ 1 и № 2

Figure 3. Carbonates, hydrocarbonats and pH dynamics during Spirulina platensis growth in hydrocarbonate Zarrouk medium in experiments No 1 and No 2

o-С (N a 2 C O 3) +-C (N a H C O з)

o-С (N a 2 C O 3)

+-C (N aH C O з)

НСОз- и СОз2 сходен. По мере накопления биомассы содержание гидрокарбонатов в сре­де существенно снижается. Максимальное снижение регистрируется в первые сутки. Минимальные концентрации соответствуют выходу культуры на стационарную фазу ро­ста. Падение концентрации гидрокарбонат-ионов сопровождается ростом рН среды и увеличением содержания карбонат-ионов, что связано со сдвигом карбонатного равно­весия в сторону СОз2-:

ОН- + НСОз-О СОз2-2О.

Максимальный рост карбонатов наблюдался в первые 4 - 5 дней и затем оста­вался практически неизменным, даже когда НСОз- были полностью ассимилированы. Накопление в среде карбонатов в первые дни и стабилизация их уровня в последующее время наводят на мысль, что из всех доступных неорганических форм углерода

(НСОз-,СОз2-) спирулина в каче­стве основного источника дан­ного биогена использует гидро­карбонат-ионы. При переходе культуры на стационарную фазу роста наблюдается обратный процесс: концентрация карбона­тов уменьшается, а гидрокарбо­натов увеличивается. Данный процесс связан со сдвигом кар­бонатного равновесия в сторону НСОз- при отмирании культуры, снижении рН и увеличении роли СО2 воздуха.

Динамика карбонатов, гидрокарбонатов и рН при выра­щивании спирулины на карбо­натной среде Заррука представ­лена на рис 4.

1 1 .5 1 1

А ^~В~в~в~в-в--°

0   2   4   6   8 10 12 14 16 18 2022

Время, сутки

2468 Время, сутки 2

Рисунок 4. Динамика содержания карбонатов, гидрокарбонатов и рН при выращивании спирулины

на карбонатной среде Заррука в экспериментах № 1 и № 2

Figure 4. Carbonate, hydrocarbonate and pH dynamics during Spirulina platensis growth in carbonate Zarrouk media in experiments No 1 and No 2

1 0 5

02

Динамики содержания карбонатов и гидрокарбонатов при выращивании спиру­лины на карбонатной среде Заррука обоих экспериментов носят сходный характер. За первые 8 - 9 дней активного роста микроводоросли общее содержание неорганического углерода уменьшилось в первом эксперименте на 3 г/л, во втором - на 2 г/л. В последу­ющие дни до выхода культуры на стационарную фазу роста содержание общего количе­ства карбонатов и гидрокарбонатов оставалось практически неизменным, тогда как кон­центрация последних увеличивалась, а СО32- уменьшалась. Столь незначительное сни­жение концентрации общего неорганического углерода в период максимального роста биомассы микроводоросли, наводит на мысль о дополнительном источнике углерода, которым мог быть СО2 воздуха, образующий в данной среде дополнительный источник гидрокарбонатов. Для подтверждения полной ассимиляции СО2 воздуха в карбонатной среде Заррука был проведен дополнительный опыт. В тех же условиях через чистую карбонатную среду Заррука, с такой же скоростью продувался воздух в течение 5 дней.

Результаты данного опыта представлены на рис.

5.

За данное количество дней в среде со­держание гидрокарбонатов увеличилось на 6,37 г/л, тогда как содержание карбонатов уменьшилось на 1,32 г/л, что может происхо­дить только за счет растворения СО2 воздуха в среде.

По всей вероятности, количество обра­зующихся таким способом гидрокарбонатов было достаточным для роста биомассы микро­водоросли. Накопление в среде НСО3- позволяет предположить, что снижение продуктивности в данном варианте не связано с углеродным голо­данием микроводоросли в среде. Это отличие у спирулины, выращенной на двух различных сре­дах, вероятно, связано с влиянием неоптималь­ных условий среды на микроводоросль. На про­тяжении всего эксперимента рН среды варьиро­вало от 11,5 до 10,5, тогда как оптимальными для спирулины считаются рН 9,0 - 9,5 [8, 7].

Необходимо отметить внешние отличия спирулины, выращенной на карбонатной и на гидрокарбонатной средах Заррука. На гидрокар­бонатной среде Заррука трихомы имели палочкообразную форму и были равномерно распределены по всему объему, на карбонатной среде трихомы имели спиралевидную форму и легко отделялись от среды, образуя покрытые слизью скопления. Различались культуры и по цвету: спирулина, выращенная на карбонатной среде, приобрела не харак­терный для нее травянисто-зеленый оттенок.

Заключение. Выращивание Spirulina platensis на среде Заррука, основу которой составляют гидрокарбонаты, сопровождается падением концентрации последних, на­коплением карбонатов и ростом рН в период активного роста микроводоросли. Из до­ступных ионных форм СО2 в данной среде спирулина предпочитает НСО3- . После до­стижения водорослью стационарной фазы роста наблюдается обратный процесс: кон­центрация карбонат-ионов снижается, а концентрация гидрокарбонат-ионов начинает расти. Это связано со сдвигом карбонатного равновесия в сторону гидрокарбонатов, что вызвано отмиранием культуры, снижением рН и увеличением роли ассимиляции СО2 воздуха. При выращивании данной микроводоросли на среде Заррука, основу которой образуют карбонаты, основным источником неорганического углерода становится СО2 воздуха, ассимилированный средой благодаря высоким рН. В качестве дополнительного источника углерода в первые 8 - 9 дней использовались гидрокарбонаты, образующиеся вследствие смещения карбонатного равновесия в сторону НСО3-.

0     1     2     3     4 5 Время, сутки_

Рисунок 5. Динамика

концентрации   СОз2и   НСОз- в

карбонатной среде Заррука при продувании воздуха 80,4 л/ч

Figure 5. Dynamics of СО32- and

НСО3- concentrations in carbonate

Zarrouk medium under aeration with the speed of 80,4 l/h

Максимальная продуктивность микроводоросли, достигнутая в экспериментах, соответствует 0,145 г/л сутки в среде Заррука на гидрокарбонатах и 0,113 г/л- сутки в среде Заррука на карбонатах. Отличие в продуктивности, а также во внешнем виде спи-рулины, выращенной на двух различных средах, вероятно, связано с выходом рН за пре­делы оптимального диапазона.

1. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа вод. - Москва: Химия, 1972. - 304 с.

2. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. - Москва: Химия, 1965. - 390 с.

3. МинюкГ. С., Тренкеншу Р. П., Алисиевич А. В. и др. Влияние селена на рост микроводоросли Spirulina platensis (Nords.) в накопительной и квазинепрерывной культурах // Экология моря.

- 2000. - Вып. 54. - С. 42 - 47.

4. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. - Москва.: Мир, 1978. -

333 с.

5. Belay A. Mass culture of Spirulina Outdoors - The earthrise farms experience. Spirulina platensis (Arthrospira): Physiology, cell biology and biotechnology. - London: Taylor & Fransis, 1997. - P.

131 -159.

6. Richmond A. Large-scale microalgal culture and applications // Progress in Phycological Re­search. - 1990. - 7.

7. Romano I., Bellitti M. R., Nicolaus B. еt al. Lipid profile: a useful chemotaxonomic marker for classification of a new cyanobacterium in Spirulina genus // Phytochemisty. - 2000. - 54, №3. - P.

289 - 294.

8. Vonshak A. Spirulina: growth, physiology and biochemistry. Spirulina platensis (Arthrospira): Physiology, cell-biology and biotechnology. - London: Taylor & Fransis, 1997. - P. 43 - 65.

9. Zarrouk C. Contribution a l'etude d'une cyanophycee. Influence de divers facteurs physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina platensis // Ph.D. thesis. - Paris, 1996.

- 138 p.

Институт биологии южных морей НАНУ,

г. Севастополь Получено

20.04.2002

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А В Бородина - Динамика содержания гидрокарбонатов и карбонатов в среде заррука при выращивании микроводоросли spirulina platensis

А В Бородина - Особенности состава каротиноидов гигантской устрицы crassostrea gigas thunberg в зависимости от плоидности и условий обитания