CC BY
208
Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №2(42).
БИОЛОГИЯ
УДК 582.232:581.13
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ УГЛЕРОДА НА РОСТ КУЛЬТУРЫ ВИИ-ПЕШЛ PLATENSIS (Nords.) Сет
© 2006 А.В. Воронин,1 С.В. Первушкин2 И.Ф. Шаталаев3
В статье приводятся данные о влиянии органических источников углерода — глюкозы и натрия ацетата — на рост БръгиНпа рЫЬепвгв, выращиваемой в лабораторных условиях методом накопительной культуры. Установлены оптимальные концентрации глюкозы и натрия ацетата в питательной среде, которые обеспечивают максимальные значения показателей роста культуры.
Введение
Содержание и характер источника углерода в питательной среде при культивировании БргиЫпа platensis является одним из основных факторов, определяющих рост культуры и накопление биологически активных веществ. Для выращивания биомассы спирулины в лабораторных и промышленных условиях наиболее оптимальной считается среда Заррука, в которой гидрокарбонаты составляют около 76% суммы всех солей [1—3]. Однако известно, что модификация среды Заррука путем изменения концентрации или замены отдельных компонентов может приводить к изменению ростовых характеристик культуры спирулины [4, 5].
В связи с этим целью настоящего исследования было изучение влияния органических источников углерода — глюкозы и натрия ацетата — на показатели роста биомассы Бр^иНпа platensis (Уогёв.) СеШ. в накопительной культуре.
1 Воронин Александр Васильевич (dimmu2000@mail.ru), кафедра химии фармацевтического факультета Самарского государственного медицинского университета, 443099, Россия, г. Самара, ул. Чапаевская, 89.
2Первушкин Сергей Васильевич, кафедра фармацевтической технологии Самарского государственного медицинского университета, 443099, Россия, г. Самара, ул. Чапаевская, 89.
3Шаталаев Иван Федорович, кафедра химии фармацевтического факультета Самарского государственного медицинского университета, 443099, Россия, г. Самара, ул. Чапаевская, 89.
1. Материалы и методы
Объектом исследования являлась биомасса спирулины, культивируемая закрытым способом. Для получения биомассы использовали штамм Spirulina platensis (Nords.) Geilt. — 835, который депонируется в Институте физиологии растений РАН.
В качестве питательной среды использовали среду Заррука. Культивирование осуществляли в варианте накопительной культуры в течение 11 суток при температуре 35±2°С, освещенности 5000+500 лк. Объем суспензии водорослей составлял 2 л, исходная плотность культуры 0,34 г/л. Непрерывное перемешивание суспензии осуществляли при помощи аквариумных насосов.
При сравнительном анализе роста спирулины на различных источниках углерода в качестве источников в среде Заррука вместо натрия гидрокарбоната (концентрация 16,8 г/л) использовали глюкозу, натрия ацетат квалификации ”х.ч.”, контролем являлась культура, выращиваемая на стандартной среде Заррука.
В процессе культивирования осуществляли ежесуточный контроль плотности культуры, по полученным результатам строили графики зависимости плотности культуры от времени — кривые роста.
Прирост биомассы спирулины контролировали фотометрическим методом: измеряли оптическую плотность суспензии на фотоэлектроколориметре КФК-2 при светофильтре 750 нм в кюветах с толщиной рабочего слоя 5 мм, раствор сравнения — питательная среда [6].
Для определения плотности культуры (содержания сухой биомассы спи-рулины в 1 л суспензии) аликвоты суспензии объемом 50 мл отфильтровывали через предварительно взвешенные беззольные бумажные фильтры. Биомассу на фильтрах для удаления солей промывали 50 мл дистиллированной воды, после чего фильтры высушивали при температуре 105 °С до постоянной массы. По разнице масс фильтров с высушенной биомассой спи-рулины и без нее определяли количество сухой биомассы в 50 мл суспензии, полученный результат пересчитывали на 1 л.
Для установления зависимости оптической плотности суспензии биомассы спирулины при 750 нм от плотности культуры использовали метод наименьших квадратов.
Среднюю продуктивность культуры оценивали по величине тангенса угла наклона восходящего прямолинейного участка кривой роста [7].
2. Результаты их обсуждение
Исследования зависимости оптической плотности суспензии биомассы спирулины при 750 нм от плотности культуры, проведенные с использова-
нием стандартной среды Заррука, показали, что данная зависимость описывается уравнением линейной регрессии (табл. 1.):
Або = 1,42 ■ Р - 0,08,
где Або —оптическая плотность суспензии при 750 нм; Р — плотность культуры, г/л.
Выбор рабочей длины волны связан с тем, что в данном диапазоне регистрируется, главным образом, неспецифическое поглощение света, обусловленное количеством частиц в единице объема, основные пигменты спирули-ны: фикоцианин С, хлорофилл А, каротиноиды не имеют в этой области спектра максимумов поглощения.
Полученное уравнение использовали для расчета плотности культуры при построении кривых роста. В случаях, когда оптическая плотность суспензии спирулины выходила за верхнюю границу диапазона 0,1—1,0, анализируемую суспензию разводили питательной средой и при расчете плотности культуры учитывали разведение.
По литературным данным, характер источника углерода в питательной среде является одним из основных факторов, определяющих продуктивность микроводорослей и накопление ими основных групп биологически активных веществ.
Таблица 1
Параметры уравнения графика зависимости оптической плотности суспензии биомассы спирулины от плотности культуры
п Л- А Р2 г Л- • А А г А - А 1 1 (А - А)2
1 0,15 0,11 0,0225 0,0165 0,128524 0,018524 0,000343
2 0,22 0,23 0,0484 0,0506 0,227702 -0,0023 5,18- 10_б
3 0,36 0,43 0,1296 0,1548 0,426057 -0,00394 1,55- 10_ь
4 0,45 0,56 0,2025 0,252 0,553572 -0,00643 4,13- 10_ь
5 0,51 0,64 0,2601 0,3264 0,638581 -0,00142 2,01- 10_б
6 0,59 0,75 0,3481 0,4425 0,751927 0,001927 3,71- 10_б
7 0,64 0,85 0,4096 0,544 0,822769 -0,02723 0,000742
8 0,70 0,90 0,49 0,63 0,907778 0,007778 6,05- 10_ь
9 0,75 1,00 0,5625 0,75 0,978619 -0,02138 0,000457
10 0,86 1,10 0,7396 0,946 1,13447 0,03447 0,001188
I 5,23 6,57 3,2129 4,1128 0,002858
и — — 0,08 Ъ = 1,42 5 =0,018
В связи с этим изучали влияние органических источников углерода — глюкозы и натрия ацетата — на показатели, характеризующие рост культуры: плотность и среднюю продуктивность культуры.
При выборе концентрации глюкозы в питательной среде исходили из того, что эквивалентное по углероду (количеству натрия гидрокарбоната)
(16,8 г/л) количество глюкозы составляет 6,6 г/л. Предполагая, что органические источники углерода способны стимулировать рост в большей степени, чем натрия гидрокарбонат, превышать вышеуказанную концентрацию глюкозы было нецелесообразным.
Результаты влияния концентрации глюкозы на показатели роста (максимальную плотность и среднюю продуктивность культуры) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Максимальная плотность и средняя продуктивность культуры
спирулины в зависимости от концентрации глюкозы
Концентрация глюкозы в питательной среде, г/л Контроль
1,0 2,5 5,0
Максимальная плотность культуры, г/л 1,25+0,05 2,66+0,12 2,50+0,11 1,24+0,05
Средняя продуктивность, г/(л-сут) 0,23+0,01 0,50+0,03 0,48+0,02 0,21+0,01
Добавление в питательную среду глюкозы в концентрации 1,0 г/л по сравнению с контролем не вызывало статистически достоверного увеличения показателей продуктивности культуры спирулины.
Глюкоза в концентрации 2,5 г/л оказывала наиболее сильное стимулирующее действие на рост культуры: обеспечивала наибольшую среднюю продуктивность— 0,50+0,03 г/(л-сут), что на 138,1% выше, чем в контрольной культуре, а также при этом достигалась максимальная плотность культуры 2,66+0,12 г/л (на 114,5% больше, чем в контроле). Дальнейшее увеличение концентрации глюкозы в питательной среде не оказывало влияния на рост биомассы спирулины по сравнению с концентрацией 2,5 г/л: средняя продуктивность сохранялась на уровне 0,48+0,02 г/(л-сут), максимальная плотность культуры не превышала 2,50+0,11 г/л.
В серии экспериментов с использованием в качестве источника углерода натрия ацетата были получены результаты, представленные в табл. 3.
Натрия ацетат в концентрации 3,0 г/л не оказывал стимулирующего действия на рост культуры: значение максимальной плотности культуры было на 15,3% ниже, чем в контроле; средняя продуктивность также ниже аналогичного показателя в контрольной культуре.
При концентрации натрия ацетата 5,0 г/л отмечено наиболее значительное в данной серии экспериментов повышение показателей роста культуры: средняя продуктивность — 0,35+0,02 г/(л-сут), что на 66,7% выше, чем в контрольной культуре, максимальная плотность культуры —1,90+0,10 г/л (на 53,2% больше, чем в контроле). Повышение концентрации натрия ацетата в питательной среде до 7,0 г/л не оказывало влияния на рост культуры
Таблица 3
Максимальная плотность и средняя продуктивность культуры
спирулины в зависимости от концентрации натрия ацетата
Концентрация натрия ацетата в питательной среде, г/л Контроль
1,0 2,5 5,0
Максимальная плотность культуры, г/л 1,05+0,06 1,90+0,10 2,00+0,13 1,24+0,05
Средняя продуктивность, г/(л-сут) 0,18+0,01 0,35+0,02 0,34+0,02 0,21+0,01
по сравнению с концентрацией 5,0 г/л: средняя продуктивность составляла 0,34+0,02 г/(л-сут.), максимальная плотность культуры не превышала 2,00+0,13 г/л.
Был проведен сравнительный анализ кривых роста культуры спирули-ны в вариантах культивирования с использованием различных источников углерода в среде Заррука: глюкозы в концентрации 2,5 г/л, натрия ацетата — 5,0 г/л и натрия гидрокарбоната — 16,8 г/л (контроль).
Кривые роста, полученные в разных условиях эксперимента, аналогичны кривой роста контроля, они характеризуются отсутствием лаг-фазы (периода адаптации к новым условиям), уровень прироста биомассы за первые сутки в присутствии глюкозы составлял 0,18 г/л, что на 20,0% выше по сравнению с контролем; в присутствии натрия ацетата — 0,13 г/л (на 13,3% меньше, чем в контроле). В последующие дни темпы роста существенно различались (см. рисунок).
Достижение максимальной плотности культуры для питательной среды с концентрацией глюкозы 2,5 г/л отмечалось на 7 сутки культивирования, в присутствии натрия ацетата максимальная плотность наблюдалась на 6 сутки. Значение максимальной плотности культуры при использовании в качестве источника углерода глюкозы было в 1,4 раза больше, по сравнению с аналогичным показателем в присутствии натрия ацетата, что объясняется высокой средней продуктивностью культуры в присутствии глюкозы — 0,50+0,03 г/(л-сут).
Выход культуры в стационарную фазу роста для всех рассматриваемых вариантов культивирования наблюдался на 8 сутки.
Заключение
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что зависимость оптической плотности суспензии биомассы спирулины от плотности культуры носит линейный характер.
Рис. Кривые роста биомассы спирулины в зависимости от источника углерода в питательной среде:
А — концентрация глюкозы в среде 2,5 г/л; Б — концентрация натрия ацетата в среде 5,0 г/л; В — стандартная среда Заррука (контроль)
Установлены концентрации глюкозы и натрия ацетата в питательной среде, которые составили соответственно 2,5 г/л и 5,0 г/л, обеспечивающие наибольшие значения максимальной плотности и продуктивности биомассы спирулины.
Показано, что органические источники углерода — глюкоза, натрия ацетат— способны в большей степени стимулировать рост биомассы спирулины, чем натрия гидрокарбонат; причем глюкоза является более сильным стимулятором роста, чем натрия ацетат.
Полученные данные представляют практический интерес для разработки технологических регламентов культивирования биомассы спирулины.
Литература
[1] Zarrouck, C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee. Influence de divers physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina maxima / C. Zarrouck // Ph.D. thesis. Paris, 1966. 138 p.
[2] Менджул, М.И. Влияние некоторых физико-химических факторов на рост Spirulina platensis (Gom.) Geit. (Cyanophyta) / М.И. Менджул, Н.В. Колтукова, Т.Г. Лысенко // Альгология. 1991. Т. 1. №4. С. 40-45.
[3] Бородина, А.В. Динамика содержания карбонатов и гидрокарбонатов в среде Заррука при выращивании микроводоросли Spirulina platensis (Nords.) Geilt. в накопительной культуре / А.В. Бородина // Экология моря. 2002. №60. С. 48-52.
[4] Growth characteristics of a blue green alga Spirulina platensis for nitrogen utilization / S.F.Baldia [et al.] // Nippon Suisan Gakkaishi. 1991. V. 57. No. 4. P. 645-654.
[5] Мельников, С.С. Влияние органических соединений на продуктивность спирулины и содержание каротиноидов / С.С. Мельников, Е.Е. Мананкина, Е.А. Будакова // Вєсці АН Беларусь Сер. 6іял. наук. 1997. №3. С. 53-55.
[6] Влияние селена на рост микроводоросли Spirulina platensis (Nords.) в накопительной и квазинепрерывной культурах / Г.С. Минюк [и др.] // Экология моря. 2000. №54. С. 42-49.
[7] Ростовые и биохимические характеристики Spirulina platensis (Nords.) Geilt. при различных условиях минерального питания / И.В. Дробецкая [и др.] // Экология моря. 2001. №56. С. 41-46.
Поступила в редакцию 21//V/2005; в окончательном варианте — 21//V/2005.
THE EFFECT OF DIFFERENT CARBONEUM SOURCES ON GROWTH OF SPIRULINA PLATENSIS (Nords.) Geilt. IN BATCH CULTURES
© 2006 A.V. Voroninf S.V. Pervushkinf I.F. Shatalaev6
In the paper the effect of organic carboneum sources (glucoses and natrium acetas) on Spirulina platensis batch culture growth in lab is discussed. The optimal concentrations of glucose and natrium acetas, increasing growth in batch cultures are obtained.
Paper received 21//V/2005. Paper accepted 21//V/2005.
4Voronin Alexander Vasilievich (dimmu2000@mail.ru), Dept. of Chemistry, Pharmaceutical Faculty, Samara State Medical University, Samara, 443099, Russia.
5Pervushkin Sergey Vasilievich, Dept. of Pharmaceutical Technology, Samara State Medical University, Samara, 443099, Russia.
6Shatalaev Ivan Fedorovich, Dept. of Chemistry, Pharmaceutical Faculty, Samara State Medical University, Samara, 443099, Russia.
