CC BY
54
whether periodic changes of cell density forced or self-excited oscillations. It has been shown that for modeling of this phenomenon is necessary to take into account the growth parameters, reflecting the organization of cell «metabolism bottleneck».
О.С. ЛЕЛЕКОВ, кандидат б1олог1чних наук; Р.Г. ГЕВОРГ1З, кандидат б1олог1чних наук 1нститут бюлогл твденних MopiB ïm. О. О. Ковалевського НАНУ, м. Севастополь, Украша
ДИНАМ1КА Щ1ЛЬНОСТ1 КУЛЬТУРИ М1КРОВОДОРОСТЕЙ У СТАЦ1ОНАРНШ ФАЗ1 РОСТУ
Дослiдження динамши щiльностi накопичувально'1 культури мiкроводоростей показало, що в стацiонарнiй фазi росту можливi коливання величини бiомаси. Залишаеться нез'ясованим питання про природу подiбних процесiв, чи е перiодичнi змши щiльностi вимушеними або автоколиваннями. Показано, що для моделювання даного явища необхiдно враховувати параметри росту, що вщображають органiзацiю «вузького мiсця метаболiзму» клiтини.
А.С. ЛЕЛЕКОВ, кандидат биологических наук; Р.Г. ГЕВОРГИЗ, кандидат биологических наук
Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского НАНУ, г. Севастополь, Украина
ДИНАМИКА ПЛОТНОСТИ КУЛЬТУРЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В СТАЦИОНАРНОЙ ФАЗЕ РОСТА
Исследование динамики плотности накопительной культуры микроводорослей показало, что в стационарной фазе роста возможны колебания плотности. Остается невыясненным вопрос о природе подобных процессов, являются ли периодические изменения плотности вынужденными или автоколебаниями. Показано, что для моделирования данного явления необходимо учитывать параметры роста, отражающие организацию «узкого места метаболизма» клетки.
УДК 582.232:519.876.5
Т.М. НОВИКОВА; А.Б. БОРОВКОВ, кандидат биологических наук Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАНУ, г. Севастополь
УПРАВЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ КУЛЬТУРОЙ TETRASELMIS VIRIDIS ПЛОТНОСТАТНЫМ МЕТОДОМ
Экспериментально определена динамика роста микроводоросли Tetraselmis viridis в плотностатном режиме культивирования. Установлена зависимость удельной скорости роста T. viridis от плотности культуры. Проведена апробация простейшей математической модели динамики плотности культуры микроводоросли для режима плотностата на примере T. viridis. Выявлена плотность культуры, которая обеспечивает максимальную удельную скорость роста исследуемой культуры микроводоросли.
Ключевые слова: Tetraselmis viridis, плотностат, математическая модель, управление ростом.
Введение
Продукты из микроводорослей эффективно применяются в качестве кормовых добавок в животноводстве и марикультре, широко используются в парфюмерии, медицине, пищевой промышленности [4, 10]. Водоросли служат источником растительного белка, витаминов, антиоксидантов, полиненасыщенных жирных кислот, препаратов бактерицидного действия, иммуностимулирующих соединений и других веществ. Известно, что на разных стадиях роста культуры биохимический состав клеток микроводорослей меняется. Знание данных закономерностей при интенсивном культивировании водорослей позволит получать максимальное содержание заданного биохимического компонента (белок, углеводы, липиды и т.д.) [2].
На сегодняшний день разработано несколько способов управления ростом культуры: накопительный, непрерывный, непропорционально-проточный, квазинепрерывный. Одним из наиболее редко применяемых, однако наиболее перспективным, является плотностатный метод, при котором плотность культуры (биомасса или число клеток) и, соответственно, световые условия в суспензии поддерживаются на заданном уровне [6]. Использование данного метода позволяет изучать влияние одного из факторов, стабилизируя влияние других, и одновременно обеспечивает высокие скорости роста водорослей. Вид Tetraselmis viridis широко известен как классический кормовой объект в аквакультуре и как перспективный источник полиненасыщенных жирных кислот в биотехнологии [3]. А внедрение в практику существующих теоретических разработок по управлению ростом культуры микроводорослей позволит получать культуры с заданными ростовыми и биохимическими характеристиками.
Цель работы: апробировать простейшую математическую модель для описания динамики плотности культуры Tetraselmis viridis в плотностатном режиме культивирования.
Объекты и методы исследований
В эксперименте использовалась альгологически чистая культура зеленой жгутиковой микроводоросли Tetraselmis viridis Rouch (syn. Platimonas viridis ) - штамм IBSS-25 из коллекции Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАНУ.
Методами накопительных и квазинепрерывных культур [7, 8] водоросль T. viridis выращивалась на питательной среде Тренкеншу [5]. Для её приготовления использовали стерильную морскую воду. Предварительно культура, взятая из коллекции, была адаптирована к экспериментальным условиям. Выращивали её в стеклянных культиваторах плоскопараллельного типа шириной 5 см и объемом 3000 мл [9]. Этот объем поддерживали на протяжении всего эксперимента, доливая перед измерениями дистиллированную воду до отметки 3 л. Эксперимент проводился на люминостате с лампами ЛБ-40, которые давали среднюю поверхностную освещенность для каждого из реакторов 15 кЛк. Температуру стабилизировали на уровне 28-30°С. В процессе выращивания культуру непрерывно барботировали газо-воздушной смесью с 3% по объему углекислого газа с помощью компрессорной установки.
Оптическую плотность при длине волны 750 нм использовали как косвенный показатель биомассы водорослей. Измерения проводили с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2 в кювете 0,5 см. Переход от единиц оптической плотности (D750) к величине сухой массы (СВ - биомасса высушена при 105°С) осуществляли посредством эмпирического коэффициента k, равного 0,8 г-л"1 ед.опт.пл" 1; CB = k х D750 [1].
Удельная скорость роста микроводоросли рассчитана с помощью выражения:
м*
1пВ-1пВъ t-t
Где Bin - биомасса в начале лог-фазы tln [6].
Результаты и обсуждение
На начальном этапе эксперимента микроводоросль T. viridis выращивали накопительным методом. В культиватор вносили инокулят и питательную среду в такой пропорции, чтобы начальная плотность культуры составила 0,1 г/л СВ (рис. 1).
i -i
i—1—i—1—i—1—i—1—г
0 20 40 60 80 100 120 Время, ч.
Рис.1. Динамика плотности накопительной культуры T. viridis
На пятые сутки, когда плотность культуры достигла 1 г/л, культура была переведена в непрерывный режим культивирования с рабочими плотностями от 0,4 до 1,0 г/л. Каждые 24 часа рассчитывали удельную скорость протока среды в зависимости от текущей скорости роста культуры T. viridis. Через 2-3 суток на каждом из этапов эксперимента плотность культуры стабилизировалась на заданном уровне.
Необходимо отметить хорошее теоретическое обоснование механизмов управления ростом микроводорослей в культуре, которое позволяет не только выявить зависимость характеристик роста от того или иного параметра внешней среды, но и формализовать закономерности с помощью относительно простых математических уравнений [7]. На сегодняшний день применяются следующие виды непрерывных культур микроводорослей: хемостат и турбидостат (плотностат). Одним из принципиальных, и, одновременно, очень важных отличий хемостата и турбидостата является возможность получения в турбидостате устойчивого экспоненциального роста клеток микроводорослей без лимитирования элементами минерального питания, что невозможно при хемостатном способе культивирования. То есть в турбидостате можно исследовать в чистом виде влияние главного фактора, определяющего рост микроводорослей, - световых условий, в которых растут клетки. Данный метод также полезен при изучении субстратзависимого роста, так как стабилизация плотности позволяет проводить исследования при неизменных световых условиях. Это дает возможность строго контролировать влияние на рост других факторов среды и выделить факторы, даже незначительно влияющие на рост, например, при оптимизации микроэлементного состава питательной среды для морских микроводорослей [8].
1.41.2 -1 -
S 0.8-1
И 0.6-
и
0.40.2 -
0
48
"Г"
49
—1—I—1—Г"
50 51 52 Время, сут.
53
54
1.4 -1
1.2 -
1 -
0.8 -
в 0.6 -
U
0.4 -
0.2 -
1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I
53 54 55 56 57 58 59 60 Время, сут.
61
Рис. 2. Динамика роста T. viridis в плотностатном режиме культивирования. А -общая динамика с 1-х по 61-е сутки; стационарная плотность культуры: Б - 0,6
мг/мл, В - 0,9 мг/мл, Г - 1,0 мг/мл. Пунктирные линии и маркеры -экспериментальные данные, сплошные линии - расчет по уравнению модели [8]
Для описания роста культуры использовали подход, предложенный Р.П. Тренкеншу [8]. Разработанная автором математическая модель позволяет прогнозировать динамику плотности культуры и эффективно управлять ростом T. viridis:
В = В0 exp/i(i_io),
где В0 - начальная биомасса клеток микроводорослей, мг/мл, ц - удельная скорость роста культуры, сут-1.
На рисунке 2 показано, что модель хорошо описывает рост водоросли T. viridis и позволяет получать культуру с заданной плотностью. В эксперименте культуру стабилизировали на семи уровнях плотности: от 0,4 до 1,0 мг/мл. На рис. 2А показана динамика плотности культуры на протяжении всего эксперимента. Для наглядности
0
более подробно приведены три этапа выращивания культуры тетраселмиса в плотностате. На этих графиках представлены экспериментальные и расчетные данные, которые имеют высокую сходимость.
Модель также позволяет рассчитать для режима плотностата удельные скорости роста культуры, которые характерны для каждой из заданных плотностей культуры.
В таблице 1 представлены рассчитанные удельные скорости роста культуры T. viridis в зависимости от заданной плотности культуры. Заметим, что с ростом плотности культуры, а, следовательно, и с понижением облученности клеток -удельная скорость роста микроводоросли снижается. Из многочисленных литературных источников известно, что величина удельной скорости в экспоненциальной фазе роста определяется, в основном, световыми условиями, которые для низких плотностей культуры неизменны [5, 8].
Сравнение удельных скоростей роста T. viridis относительно плотности культуры показывает, что при низких плотностях культур, когда её рост не ограничен минеральным обеспечением, удельная скорость роста максимальна; впоследствии при дальнейшем повышении плотности культуры удельные скорости роста снижаются, достигая минимальных значений при максимально возможной для данных условий плотности культуры (табл. 1).
Таблица 1
Дни эксперимента, сутки СВ, мг/мл сут-1
0-11 0,4 ± 0,01 0,52 ± 0,02
12-18 0,5 ± 0,02 0,41 ± 0,01
19-25 0,6 ± 0,01 0,36 ± 0,01
26-38 0,7 ± 0,02 0,34 ± 0,01
39-47 0,8 ± 0,02 0,32 ± 0,02
48-53 0,9 ± 0,01 0,28 ± 0,01
54-61 1,0 ± 0,03 0,24 ± 0,02
Таким образом, для получения культуры T. viridis с максимальными удельными скоростями роста плотность культуры должна находиться в пределах 0,4 г/л СВ или ниже, что соответствует логарифмической стадии роста (рис. 1).
Выводы
1. Апробация простейшей математической модели динамики плотности культуры микроводоросли для режима плотностата на примере T. viridis показала высокую эффективность описания ею динамики роста микроводорослей в непрерывном режиме культивирования.
2. При повышении плотности культуры T. viridis в плотностате удельные скорости роста микроводоросли снижаются.
3. Для получения культуры T. viridis с максимальными удельными скоростями роста плотность культуры должна находиться в пределах 0,4 г/л СВ или ниже, что соответствует логарифмической стадии роста.
Список литературы
1. Боровков А. Б. Продуктивность Spirulinaplatensis и Tetraselmis viridis при использовании различных методов культивирования / А. Б. Боровков, Р. Г. Геворгиз // Экология моря. - 2005. - Вып. 70. - C. 9-13.
2. Ладыгина Л. В. Интенсивность роста и биохимический состав микроводоросли Dunaliella viridis Теоd. в зависимости от условий культивирования / Л. В. Ладыгина // Экология моря. - 2005. - Вып. 67. - С. 56-60.
3. Ладипна Л. В. Мшроводоросп як кормовi об'екти личинок мщй та устриць : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. бюл. наук : спец. 03.00.17 «Пдробюлопя» / Л. В. Ладипна. - Севастополь, 2007. - 24 с.
4. Тренкеншу Р. П. Одноклеточные водоросли: массовое культивирование и практическое использование / Р. П. Тренкеншу // Прикладная альгология. - 1999. - № 1-3. - С. 7-10.
5. Тренкеншу Р. П. Ростовые и фотоэнергетические характеристики морских микроводорослей в плотной культуре: автореф. дисс. канд. биол. наук. : спец. 03.00.02 «Биофизика» / Р. П. Тренкеншу - Красноярск, 1984. - 28 с.
6. Тренкеншу Р. П. Культура микроводорослей как модельный объект в гидроэкологии / Р. П. Тренкеншу // Морской экологический журнал. - 2009. - Т. 8, Вып. 4. - C. 41-52.
7. Тренкеншу Р. П. Простейшие модели роста микроводорослей 1. Периодическая культура / Р. П. Тренкеншу // Экология моря. - 2005. - Вып. 67. - C. 89-97.
8. Тренкеншу Р. П. Простейшие модели роста микроводорослей. 2. Квазинепрерывная культура / Р. П. Тренкеншу // Экология моря. - 2005. - Вып. 67. - C. 98-110.
9. Тренкеншу Р. П. Унифицированная лабораторная установка для исследования низших фототрофов. / Р. П. Тренкеншу, А. Б. Боровков, А. С. Лелеков -Севастополь, ОЦ НАНУ, 2009. - 40 с. - (Препринт / НАН Украины, ОЦ НАНУ)
10. Zilberman D. Algolculture. / D. Zilberman, M. Caswell - Department of Agricultural and Resource Economics, University of California at Berkeley, 2000. - 100 р.
Статья поступила в редакцию 16.05.2013 г.
T.M. NOVIKOVA, A.B. BOROVKOV
A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas NASU, Sevastopol, Ukraine
CONTROL OF THE TETRASELMIS VIRIDIS HIGH-DENSITY CULTURE USING THE TURBIDOSTAT METHOD
The approbation of the simplest mathematical model of the dynamics of microalgae culture density for turbidostat regime was carried out for example of Tetraselmis viridis. The high efficiency of the proposed model describing the dynamics of algae growth was defined in a continuous regime of cultivation. It was shown experimentally that to get culture T. viridis with a maximum specific growth rate the culture density must be within 0.4 g N • l-1 or less, that corresponds to the exponential growth phase.
Т.М. НОВ1КОВА, А.Б. БОРОВКОВ
1нститут бюлогл пiвденних морiв iм. О.О. Ковалевського НАНУ, м. Севастополь, Украша
УПРАВЛ1ННЯ 1НТЕНСИВНОЮ КУЛЬТУРОЮ TETRASELMIS VIRIDIS ПЛОТНОСТАТНИМ МЕТОДОМ
Апробащя найпроспшо'1 математично'1 моделi динамiки щшьносп культури мiкроводоростi для режиму плотностата на прикладi Tetraselmis viridis показала високу ефектившсть опису нею динамши росту мiкроводоростi в безперервному режимi культивування. Експериментально показано, що для отримання культури T. viridis з максимальними питомими швидкостями росту щшьшсть культури повинна перебувати в межах 0,4 г СВ-л-1 або нижче, що вщповщае логарифмiчнiй стадп росту.
Т.М. НОВИКОВА, А.Б. БОРОВКОВ
Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАНУ, г. Севастополь, Украина
УПРАВЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ КУЛЬТУРОЙ TETRASELMIS VIRIDIS ПЛОТНОСТАТНЫМ МЕТОДОМ
Апробация простейшей математической модели динамики плотности культуры микроводоросли для режима плотностата на примере T. viridis показала высокую эффективность описания ею динамики роста микроводорослей в непрерывном режиме культивирования. Экспериментально показано, что для получения культуры T. viridis с максимальными удельными скоростями роста плотность культуры должна находиться в пределах 0,4 г СВ-л-1 или ниже, что соответствует логарифмической стадии роста.
УДК 631. 811. 98
1 9
В.А. ЦИГАНКОВА1, кандидат бюлоггчних наук; С П. ПОНОМАРЕНКО2, кандидат
3 3
хгмгчних наук; А.П. ГАЛК1Н, доктор бгологгчних наук; А.1. еМЕЦЬ3, доктор б1олог1чних наук
Институт бюоргашчно'1 хiмii та нафтохiмii НАН Украши, м. Кшв
Мiжвiдомчий науково-технолопчний центр «Агробютех» НАН i МОН Укра'1'ни, м. Кшв
1нститут харчово'1' бiотехнологii та геномши НАН Укра'1'ни, м. Кшв
1НДУКЦ1Я РЕГУЛЯТОРАМИ РОСТУ РОСЛИН ПРИРОСТУ Б1ОМАСИ ТА СИНТЕЗУ ПОЛ1ФРУКТАН1В У КУЛЬТУРАХ „БОРОДАТИХ КОРЕН1В" ЦИКОР1Ю
Проведено досл1ди 1з перевгрки можливост1 застосування нових регулятор1в росту рослин 1в1н, Ем1стим, Бюлан та Чаркор у поживному середовищ1 У2 МС в культурах трансгенних коретв цикорт. Показано високу стимулюючу дЮ цих регулятор1в на прир1ст бюмаси коретв та тдвищення в них синтезу пол1фруктан1в (ПФ). Виявлено р1зну чутлив1сть чотирьох л1н1й трансгенних коретв на 1х дт, найкращ1 показники отримано для л1нй № 21, на якт регулятори росту в концентращях 2,5-10 мкл/л значно збшьшували масу коретв та вм1ст ПФ пор1вняно з контролем. Обговорюеться перспективтсть використання зазначених препаратгв у
