Контроль рН как индикатор плотности культур микроводорослей (модель на примере Arthrospira platensis)

от

Р.П. Тренкеншу

 ФИЦ Институт биологии Южных морей имени А.О. Ковалевского РАН РФ, г. Севастополь, пр. Нахимова 2

E-mail: r.trenkenshu@rambler.ru

DOI: 10.33075/2220-5861-2023-1-46-52

УДК 579.017.8:57.036                                                                                                                                      

Реферат: 

   В статье рассматривается возможность оценки плотности культур микроводорослей по величине рН, которая зависит от концентрации и форм элементов питания, необходимых для роста клеток. В основу моделирования положен механизм ассимиляции углерода клетками цианобактерии Arthrospira platensis (спирулина), которая обычно выращивается на питательной среде Заррук, содержащей 16 г/л NaHC03 при рН> 8,2.  Спирулина при фотоавтотрофном росте ассимилирует углерод с участием клеточной карбоангидразы, которая превращает одну молекулу НСО3̅ в СО2 и ОН ̅.  СО2 в цикле Кальвина расходуется на синтез биомассы и обеспечивает рост культуры. ОН ̅ остается в среде и во взаимодействии еще с одной молекулой НСО3 ̅ образует СО3 ̅ ̅. Т.е., синтез биомассы сопровождается ассимиляцией одной молекулы углерода и переводом ещё одной молекулы в не усваиваемую клетками форму, при этом происходит увеличение рН культуры. Используя результаты расчетов in silico (по соотношению различных форм углерода в растворах при различных рН в виде диаграмм), предложено полуэмпирическое уравнение связи доступных для ассимиляции клетками микроводорослей форм углерода с рН среды. Уравнение в широких пределах хорошо описывает данные из диаграмм, опубликованных в литературе и позволяет на основе баланса найти долю углерода, усвоенного клетками. Учитывая, что биомасса большинства видов микроводорослей, выраженная в абсолютно сухом весе, содержит 50 % углерода, концентрацию биомассы можно выразить через содержание углерода в клетках по величине рН культуры. Применение модели для описания экспериментальных данных плотности спирулины по величине рН показало хорошее соответствие в широком диапазоне рН (коэффициент детерминации 0,98).

Ключевые слова: микроводоросли, культивирование, плотность, рН, ассимиляция углерода, моделирование, Arthrospira.

Для цитирования: Тренкеншу Р.П. Контроль рН как индикатор плотности культур микроводорослей (модель на примере Arthrospira platensis) // Системы контроля окружающей среды. 2023. Вып. 1 (51). C. 46-52. DOI: 10.33075/2220-5861-2023-1-46-52

Полный текст в формате PDF

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Richmond A. Handbook of microalgal mass culture. Boca Raton: CRC Press. 1986. P. 528.
  2. Владимирова М.Г., Семененко В.Е. Интенсивная культура одноклеточных водорослей. М: АН СССР. 1962. С. 60.
  3. Геворгиз Р.Г., Алисиевич А.В., Шматок М.Г. Оценка биомассы Spirulina platensis (Nordst.) Geitl. по оптической плотности культур // Экология моря. 2005. Вып. 70. С. 96–106.
  4. Гулин А.С., Тренкеншу Р.П. Модель конструкции микроводоросле-вой фотометрической ячейки // Системы контроля окружающей среды. 2021. № 1 (43). С. 79–86. https://doi.org/10.33075/ 2220-5861-2021-1-79-86.
  5. Gabrielyan D.A., Gabel B.V., Sinetova M.A., Gabrielian A.K., Markelova A.G., Shcherbakova N.V., Los D.A. Optimization of CO2 Supply for the Intensive Cultivation of Chlorella sorokiniana IPPAS C-1 in the Laboratory and Pilot-Scale Flat-Panel Photobioreactors // Life. 2022, 12, 1469. https:// doi.org/10.3390/ life 12101469.
  6. Ifrim G.A., Titica M., Horincar G., Antache A., Baicu L., Barbu M., Guzmán J.L. Model Based Optimal Control of the Photosynthetic Growth of Microalgae in a Batch Photobioreactor. Energies 2022, 15, 6535. https://doi.org/10.3390/en1518653.
  7. Pencheva D., Rumenkina M., Al-Djasem A., Iliev M., Karamihov V., Genova-Kalou P., Kantardj T. pH in cell biology, microbiology and biotechnology. P. 23–­29. https://www.researchgate.net/ publication/276410167.
  8. Adamberg K., Valgepea K., Vilu R. Advanced continuous cultivation methods for systems microbiology // Microbiology 2015. Vol. 161. P. 1707–1719. DOI 10. 1099/mic.0.000146.
  9. Wonshak A. Outdoor Mass Production of Spirulina: The Basic Concept // Spirulina platensis (Arthrospira): Physiology, Cell-biology and Biotechnology. London: Taylor & Francis, 1997. P. 79– 101.
  10. Zarrouk C. Contribution à l’étude d’une cyanophycée. Influence de divers facteurs physiques et chimiques sur la croissance et la photosyntèse de Spirulina maxima (Stech. Et Gardner). Geitler. Paris, 1966. P. 138.
  11. Kamennaya N.A., Ahn S.E., Park H., Bartal R., Sasaki K.A., Holman H.Y., Jansson C. Installing extra bicarbonate transporters in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803. Enhances biomass production. // Metabolic Engineering. 2015.Vol. 29. P. 76–89.
  12. Badger M.R., Price G.D. CO2-concentrating mechanisms in cyanobacteria: molecular components, their diversity and evolution // Journal of Experimental Botany. 2003. Vol. 54, No. 383, P. 609–622.
  13. Price G.D., Badger M.R., Woodger F.J., Long B.M. Advances in understanding the cyanobacterial CO2-concentrating-mechanism (CCM): functional components, Ci transporters, diversity, genetic regulation and prospects or engineering into plants // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59, No. 7, Р. 1441–1461.
  14. Лелеков А.С., Геворгиз Р. Г. Моделирование динамики роста Arthrospira (Spirulina) platensis и рН среды в закрытой по углероду системе // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). URL: http://algology.ru/1113.
  15. Минюк Г.С., Дробецкая И.В., Тренкеншу Р.П., Вялова О.Ю. Ростовые и биохимические характеристики Spirulina (Arthrospira) Platensis (Nordst.) Geitler при различных условиях азотного питания // Экология моря. 2002. Т. 62.  C. 61–66.
  16. Guiry M.D., Guiry G.M. (2022). AlgaeBase. Arthrospira platensis Gomont, 1892.https://www.marinespecies.org/aphia.php?p=taxdetails&id=213728 on 2022-10-13.
  17. Schwarzenbach G., Meier J. Formation and investigation of unstable protonation and deprotonation products of complexes in aqueous solution. J. Irtorg. Nuclear Chem. 1958 8, P. 302–312.
  18. Gutz I. G. R. (2012). CurTiPot — pH and Acid-base Titration Curves: Analysis and Simulation Software, Version 3.6.1 [Online]. Available at: http:// www2. iq.usp.br/docente/ gutz/ Curtipot. html [accessed 16 Dec 2012 2013].
  19. Pedersen O., Colmer T.D., Sand-Jensen K. Underwater photosynthesis of submerged plants – recent advances and methods // Plant_Physiology. 2013. Vol. 4. Р. 1–19. DOI: 10.3389/fpls.2013.00140
  20. Lim YA, Chong MN, Foo SC, Ilankoon IMSK. Analysis of direct and indirect quantification methods of CO2 fixation via microalgae cultivation in photobioreactors: a critical review. Renew Sustain Energy Rev 2021; 137:110579. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110579.

Loading