CC BY
90
УДК 574.24
Ф. Б. Джамолов, А. А. Фазуллина, А. С. Матвеев, С. В. Фридланд
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РОСТА МИКРОВОДОРОСЛИ CHLORELLA VULGARIS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В НИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ
Ключевые слова: Chlorella vulgaris, фосфорорганические соединения, интенсификация роста.
Исследовано влияние фосфорорганических соединений - диэтилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты и диизопропилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты на возможность интенсификации роста культуры микроводоросли Chlorella vulgaris в малых концентрациях. Найдено, что добавление названных соединений в концентрациях 10'4 и 10'5 г/дм3 позволяет увеличить число клеток микроводоросли на 1400 % на 9 день культивирования.
Keywords: Chlorella vulgaris, organophosphorus compounds, growth intensification.
Influence the fosfororganicheskikh of connections - ethyl ester 1-dimetilgidrazinotoluol-3-oxa-4-benzilol-7-dimethylhydrazine of phosphonic acid and diisopropyl ester 1-dimetilgidrazinotoluol-3-oxa-4-benzilol-7-dimethylhydrazine of phosphonic acid on a possibility of an intensification of growth of culture of a microalga of Chlorella vulgaris in small concentration is investigated. It is found that addition of the called connections in concentration of 10-4 and 10-5 g/dm3 allows to increase number of cages of a microalga by 1400% for the 9th day of cultivation.
Введение
Хлорелла (Chlorella) - род
одноклеточных зелёных водорослей, относимый к отделу Chlorophyta порядку хлорококковых (Chlorococcales) и семейству хлорелловых (Chlorellaceae). Род хлорелла включает в себя ряд видов одноклеточных водорослей с хроматофорами зеленого цвета и диаметром клеток от 1,5 до 10 мкм, не имеют жгутиков. Хлоропласты хлореллы содержат хлорофилл-а и хлорофилл-б. Для процесса фотосинтеза хлорелле требуются только вода, диоксид углерода, свет, а также небольшое количество минералов для размножения. Очень распространённой является микроводоросль Chlorella vulgaris, постоянно встречающаяся массами в природных водных объектах [1].
Области практического использования хлореллы весьма разнообразны. Последняя используется в качестве кормовой добавки, в частности, в рационе домашних птиц [2-5]. Указывается, что использование хлореллы увеличивало убойную массу бройлеров цыплят на откорме до 20 % за счёт резкого — в 3,6 раза — сокращения падежа, увеличения прироста на 10,9 %. На родительском стаде бройлеров только в результате одного месяца скармливания концентрата хлореллы выводимость яиц увеличилась с 66,5 до 83,0 %, т. е. несколько менее 25 % [3]. Также указывается, что использование суспензии хлореллы обеспечивало улучшение сохранности гусей, ростовых характеристик, способствовало увеличению массы потрошеных тушек, снижению затрат на корма за период выращивания на фоне улучшения переваримости питательных веществ корма. На основе анализа полученных данных установлена целесообразность применения концентрата Chlorella при выращивании гусят на мясо в расчете 40 см3 на 1 голову птицы [5].
Также хлорелла используется в качестве добавки в рационе домашних животных, в том числе и крупного рогатого скота [6-8]. Отмечено, в частности, что молочная продуктивность коров, получавших суспензию микроводоросли Chlorella, возросла на 12,07 %. Затраты кормовых единиц на синтез 1 кг молока были на 10,8 % ниже, чем в кон троле. Под влиянием суспензии микроводоросли среднесуточные приросты молодняка коров на откорме увеличились на 20,4 %, а энергия роста — на 2,71 %. Затраты корма на единицу прироста живой массы при этом снизились в среднем на 12 % [7].
Добавление названной микроводоросли в рацион поросят оказало положительное влияние на их сохранность. Использование хлореллы в рационе поросят-отъёмышей способствовало снижению затрат кормов на 1 кг прироста живой массы на 7,3 %. Расчёт экономической эффективности свидетельствует о том, что за счёт увеличения прироста живой массы одной головы в среднем на 4,1 кг и сохранности поголовья на 6,7 % себестоимость прироста 1 кг живой массы свинины в опытной группе была ниже 24,5 %, рентабельность производства свинины повысилась на 33,6 % [8].
Высокая эффективность использования хлореллы в качестве кормовой добавки определяется ее составом. Определено, что Хлорелла имеет следующий биохимический состав (в % сухой биомассы): белок - 55 %, углеводы - 25 %, липиды - 12 %, зольность - 8 %. Содержание аминокислот в хлорелле (г/кг воздушно-сухого вещества) показано в таблице 1.
Кроме того, в суспензии хлореллы имеются все известные на сегодняшний день витамины. Как известно, витамины Bj2 и D растениями не синтезируются, однако в хлорелле они присутствуют в значительном количестве. В 100 г сухой массы хлореллы содержится 7-9 мкг витамина
В12 и 100 мг витамина D. В биомассе хлореллы витамина С столько же, сколько в лимоне, а витамин К имеет важное физиологическое значение для организма животных. Содержание в хлорелле некоторых витаминов следующее (мкг/г сухого вещества): каротин - 1341, токоферол (Е) - 180, никотиновая кислота - 140, рибофлавин (В2) - 7,0 , пиридоксин (В6) - 5,3, тиамин - 4,2 [9].
Таблица 1 - содержание аминокислот в составе микроводоросли Chlorella vulgaris [9]
Аминокислота Содержание, г/кг
Глутаминовая кислота 31,84
Аспарагиновая кислота 25,66
Лейцин 21,68
Аланин 20,13
Валин 17,58
Глицин 17,02
Треонин 13,66
Фенилаланин 12,06
Серин 11,60
Изолейцин 11,30
Пролин 9,78
Лизин 8,78
Тирозин 8,25
Аргинин 8,17
Цистин 7,53
Триптофан 5,11
Метионин 4,82
Гистидин 1,51
Также Chlorella vulgaris широко используется в практике очистки природных и доочистки сточных вод от различного вида поллютантов [10-20]. Указывается на удаление из водных объектов ионов тяжелых металлов, таких как Cd(II) [10], Cu(II) [11], Ni(II) [12], Pb(II) [13], Fe(III), Fe(III) и Cr(VI) [14], Ni(II) и Zn(II) [15]. Высокая эффективность извлечения ионов тяжелых металлов обусловлена, по всей видимости, выделением микроводорослью в процессе своей жизнедеятельности в водную среду аминокислот, которые, как известно, образуют с ионами металлов нерастворимые в воде комплексные соединения. Указывается также, что хлорелла способствует эффективному удалению из водных сред различных красителей [16-19]. Сообщается, что из хлореллы возможно получать биотопливо [20].
Вышеперечисленное составляет только малую долю отраслей промышленности и сельского хозяйства, где используется хлорелла. Данное обстоятельство способствует тому, что необходимо культивировать микроводоросль в огромных количествах ввиду недостатка последней. Решением данной задачи сожжет служить интенсификация прироста биомассы, в частности, с использованием биологически активных веществ (БАВ). В последнее время интенсивно развивается новое инновационное направление - использование БАВ в малых и сверхмалых концентрациях для интенсификации развития ценозов. В частности, исследовано влияние
меламиновой соли бис(оксиметил)фосфиновой кислоты (Мелафен) в малых концентрациях (10-3 -10-10 М) на рост культуры Chlorella vulgaris. В результате проведенных экспериментов выявлено, что Мелафен наиболее эффективно влиял на рост клеток культуры водоросли в концентрации 3 • 10-8 -3 10-10 М. Препарат в концентрации 3 10-6 М оказывал ингибирующее действие на рост суспензии клеток хлореллы. При концентрации 3 • 10-8 М плотность хлореллы через 1 сутки после добавления препарата Мелафен увеличилась на 17 %, при 3 10-9 М - на 23 %, при 3 • 10-10 М - на 13 % [21]. Известно, что бис(оксиметил)фосфиновая кислота является полифункциональным соединением, имеющим в своей структуре кислотную, фосфорную и оксиметильные группы, способные
взаимодействовать с различными биомишенями.
В связи с вышеизложенным, исследовалось влияние диэтилового эфира 1-
диметилгидразиното луол-3-окса-4 -бензилол-7 -диметилгидразин фосфоновой кислоты и диизопропилового эфира 1-
диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты в малых концентрациях на рост культуры Chlorella vulgaris. Физико-химические показатели названных и метод получения приведены в работе [22].
Экспериментальная часть
Приготовление растворов вышеназванных реагентов в дозировках Ы0-4 и W0-5 г/дм3 проводилось последовательным разбавлением при помощи пипеток на 1 и 10 см3, химических стаканов объемом 50 и 100 см3. Взвешивание реагентов проводили на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Первоначально приготовлялись растворы с концентрацией 1 •Ю-2 г/дм3 исследуемых реагентов, затем из них готовились растворы с концентрацией Ы0-3 г/дм3, путем разбавления дистиллированной водой в соотношении 1:10. В дальнейшем к 1 дм3 дистиллированной воды, содержащей
биологические вещества для поддержания жизнедеятельности микроводорослей приливалось по 10 см3 растворов реагентов в концентрациях 1 •Ю-2 и W0-3 г/дм3, соответственно, концентрации диэтилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты и диизопропилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты составили искомые W0-4 и 1»10-5 г/дм3. Далее в сосуды вносилось определенное количество культуры микроводорослей Chlorella vulgaris. Все растворы перед использованием и разбавлением выдерживались 24 часа. Время культивирования составило 10 суток.
Подсчет количества клеток хлореллы велся с использованием камеры Горяева под микроскопом марки «Биомед С-2» при увеличении 100 крат. Счет велся в 5 больших квадратах по диагонали, каждый из которых поделен на 16. Подсчет начинался с маленького квадратика, расположенного в верхнем
левом углу большого квадрата, затем переходят ко второму, третьему и четвертому квадратам верхнего ряда, после переходят ко второму ряду, ведя счет справа налево в обратном направлении, в таком же стиле подсчитывается количество клеток в третьем и четвертых рядах. Считают только те клетки хлореллы, которые непосредственно находятся внутри квадрата, а также те клетки, которые замкнуты полностью или частично верхней и левой его границами.
Обсуждение результатов
Графические зависимости изменения количества клеток Chlorella vulgaris в зависимости от концентрации диэтилового эфира 1-диме-тилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметил-гидразин фосфоновой кислоты и времени культивирования по отношению в первоначальному количеству клеток приведены на рисунке 1.
диизопропилового эфира 1-
диметилгидразиното луол-3-окса-4 -бензилол-7 -диме -тилгидразин фосфоновой кислоты и времени культивирования по отношению в первоначальному количеству клеток приведены на рисунке 2.
♦ 10А-4ДиПФК ■ 10А-5ДиПФК ■ контроль -Степенной (10А-4ДиПФК)-Степенной (10а-5ДйПФК)-Степенной (контроль)
Рис. 1 - Изменение количества клеток микроводоросли Chlorella vulgaris в зависимости от концентрации диэтилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты и времени культивирования
Очевидно, что внесение названного реагента в дозировках МО"4 и М0-5 г/дм3 способствует увеличению количества клеток хлореллы по сравнению с образцом, не содержащим биологически активного вещества. Так, на 9 дне культивирования, биомасса клеток контрольного образца увеличилась на 800 %, а при добавлении диэтилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты в концентрации МО-5 г/дм3 за тот же временной отрезок - на 1400 %. Вопреки ожидаемому, с уменьшением дозировки названного реагента, количество клеток хлореллы имело большую биомассу, по сравнению с образцом, в котором концентрация действующего вещества была выше.
Усредненные графики зависимости изменения количества клеток микроводоросли Chlorella vulgaris в зависимости от концентрации
Рис. 2 - Изменение количества клеток микроводоросли Chlorella vulgaris в зависимости от концентрации диизопропилового эфира 1-диметилгидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты и времени культивирования
Как следует из приведенных на рисунке 2 графических зависимостей, также как и в предыдущем случае, добавка диизопропилового эфира 1 -диметилгидразинотолуол-3 -окса-4-
бензилол-7-диметилгидразин фосфоновой кислоты в концентрации М0"5 г/дм3 способствует увеличению биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris на 1400% на 9 день культивирования, в то время как контрольный образец увеливает свою массу на 800%.
Т аким образом, показана возможность интенсификации роста клеток микроводоросли Chlorella vulgaris добавлением в культивируемую среду диэтилового эфира 1-
диметилгидразиното луол-3-окса-4 -бензилол-7 -диметилгидразин фосфоновой кислоты и диизопропилового эфира 1-диметил-
гидразинотолуол-3-окса-4-бензилол-7-диметилгид-разин фосфоновой кислоты в малых концентрациях.
Литература
1. httpsV/ru.wikipedia.org/wiki/Хлорелла.
2. Е.С Петраков, В.А. Лукьянов, М.М. Наумов, А.М. Овчарова, В.Г.Сафронова, М.Л. Полякова, Н.С. Петракова, Проблемы биологии продуктивных животных, 1, 96-104 (2016).
3. М.В. Куницын, Птицеводство, 11, 25-26 (2013).
4. Г. Плутахин, Птицеводство, 5, 23-25 (2011).
5. Р.Р. Гадиев, Д.Д. Хазиев, Современные проблемы науки и образования, 5, 685-670 (2013).
6. М.Я. Сальникова, Хлорелла - новый вид корма, М., 1977. 87 с.
7. В. Подольников, Животноводство России, спецвыпуск, 43-44 (2013).
8. Ш.С. Гафаров, Е.В. Шацких, Г.Г. Бояринцева, Аграрный Вестник Урала, 11-2 (77), 16-17 (2010).
9. http://chlorella-v.narod.ru/alga1 .pdf.
10. Z. Aksu, Separation and Purification Technology, 21, 285-294 (2001).
11. Z. Aksu, Y. Sag, T. Kutsal, Environment Technology, 13, 579-586 (1992).
12. Z. Aksu, Process Biochemistry, 38, 1, 89-99 (2002).
13. Z. Aksu, T. Kutsal, Chenical Technology and Biotechnology, 52, 1, 109-118 (1991).
14. Z. Aksu, U. Acikel, T. Kutsal, Chenical Technology and Biotechnology, 70, 4, 368-378 (1997).
15. A.M.Y Chong, Y.S Wong, N.F.Y Tam, Chemosphere, 41, 1-2, 251-257 (2000).
16. S-L. Lim, W-L. Chu, S-m. Phang, Bioresource Technology, 101, 7314-7322 (2010).
17. E. Acuner, F.B. Dilek, Process Biochemistry, 39, 5, 623631 (2004).
18. Z. Aksu, S. Tezer, Process Biochemistry, 41, 3-4, 13471361 (2005).
19. W-L. Chu, Y-C. See, S.-M. Phang, Journal of Applied Phycology, 21, 641-648 (2009).
20. A. Convertihttp: // www.sciencedirect.com/
science/ article/pii/S0255270109000415_-
[email protected], A.A. Casazza, E.Y. Ortiz, P. Perego, M.Del Borghi, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 48, 6, 1146-1151 (2009).
21. О.А. Кашина, Н.Л. Лосева, А.Ю. Алябьев, С.Г. Фаттахов, Материалы международной научно-практической конференции «Инновации сегодня: образование, наука, производство», Ульяновск, 2009. с. 85-93.
22. А. А. Фазуллина, Л. В. Ряписова, С. В. Фридланд, Журнал общей химии, 81, 2, 339-340 (2011).
© Ф. Б. Джамолов - аспирант кафедры инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета; А. А. Фазуллина - ассистент той же кафедры; А. С. Матвеев - магистр той же кафедры; С. В. Фридланд - д.х.н., профессор той же кафедры, [email protected].
© F. B. Dzhamolov - graduate student of department of engineering ecology of Kazan national research technological university; A. A. Fazullina - assistant of department of engineering ecology of the same university, A. S. Matveev - master of department of engineering ecology of the same university, S. V. Fridland - Ph.D., professor of department of engineering ecology of the same university, [email protected].
