MIKROALGI: CHARAKTERYSTYKA, KLASYFIKACJA I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2026

W mikroalg są organizmy eukariotyczne, photoautotrophs, czyli pozyskiwania energii ze światła i syntetyzować własne jedzenie. Zawierają chlorofil i inne pigmenty pomocnicze, które zapewniają im doskonałą wydajność fotosyntezy.

Są jednokomórkowe, kolonialne - kiedy ustalają się jako agregaty - i nitkowate (samotne lub kolonialne). Są częścią fitoplanktonu wraz z cyjanobakteriami (prokariotami). Fitoplankton to zestaw fotosyntetycznych mikroorganizmów wodnych, które unoszą się biernie lub mają ograniczoną ruchliwość.

Rysunek 1. Volvox (kulisty) Źródło: Frank Fox, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Mikroalgi występują od lądowego Ekwadoru po regiony polarne i są uznawane za źródło biomolekuł i metabolitów o dużym znaczeniu gospodarczym. Są bezpośrednim źródłem pożywienia, lekarstw, pasz, nawozów i paliw, a nawet są wskaźnikami skażenia.

cechy

Producenci, którzy wykorzystują światło słoneczne jako źródło energii

Większość mikroalg ma kolor zielony, ponieważ zawierają chlorofil (tetrapiroliczny pigment roślinny), fotoreceptor energii świetlnej, który umożliwia przeprowadzenie fotosyntezy.

Jednak niektóre mikroalgi mają czerwone lub brązowe zabarwienie, ponieważ zawierają ksantofile (żółte pigmenty karotenoidowe), które maskują zielony kolor.

Siedliska

Zamieszkują różne słodkie i słone, naturalne i sztuczne środowiska wodne (takie jak baseny i akwaria). Niektóre są zdolne do wzrostu w glebie, na siedliskach kwaśnych i porowatych (endolitycznych) skałach, w miejscach bardzo suchych i bardzo zimnych.

Klasyfikacja

Mikroalgi stanowią wysoce niejednorodną grupę, ponieważ są polifiletyczne, to znaczy grupują gatunkowe potomkowie różnych przodków.

Aby sklasyfikować te mikroorganizmy, wykorzystano różne cechy, między innymi: charakter ich chlorofilów i ich substancji stanowiących rezerwę energii, strukturę ściany komórkowej i rodzaj ruchliwości, którą przedstawiają.

Charakter jego chlorofilów

Większość glonów występuje w obecności chlorofilu typu A, a kilka przedstawia inny rodzaj pochodzącego z niego chlorofilu.

Wiele z nich jest obligatoryjnymi fototrofami i nie rośnie w ciemności. Jednak niektóre rosną w ciemności i katabolizują cukry proste i kwasy organiczne przy braku światła.

Na przykład niektóre wiciowce i chlorofity mogą wykorzystywać octan jako źródło węgla i energii. Inni asymilują proste związki w obecności światła (fotoheterotrofia), nie wykorzystując ich jako źródła energii.

Polimery węglowe jako rezerwa energii

Jako produkt procesu fotosyntezy, mikroalgi wytwarzają szeroką gamę polimerów węgla, które służą jako rezerwa energii.

Na przykład mikroalgi z oddziału Chlorophyta wytwarzają rezerwową skrobię (α-1,4-D-glukozę), bardzo podobną do skrobi roślin wyższych.

Struktura ściany komórkowej

Ściany mikroalg mają bardzo zróżnicowaną budowę i skład chemiczny. Ściana może być wykonana z włókien celulozowych, zwykle z dodatkiem ksylanu, pektyny, mannanu, kwasów alginowych lub kwasu fucynowego.

W niektórych glonach wapiennych lub koralowych ściana komórkowa wykazuje odkładanie się węglanu wapnia, podczas gdy inne mają chitynę.

Z kolei okrzemki mają w swojej ścianie komórkowej krzem, do którego dodawane są polisacharydy i białka, tworząc skorupy o dwustronnej lub radialnej symetrii (pancerzyki). Te muszle pozostają nienaruszone przez długi czas, tworząc skamieniałości.

Mikroglony Euglenoid, w przeciwieństwie do poprzednich, nie mają ściany komórkowej.

Rodzaj mobilności

Mikroalgi mogą mieć wici (jak Euglena i bruzdnicowate), ale nigdy nie mają rzęsek. Z drugiej strony, niektóre mikroalgi wykazują bezruch w fazie wegetatywnej, jednak ich gamety mogą być ruchome.

Zastosowania biotechnologiczne

Żywienie ludzi i zwierząt

W latach pięćdziesiątych niemieccy naukowcy rozpoczęli masową hodowlę mikroalg w celu uzyskania lipidów i białek, które zastąpiłyby konwencjonalne białka zwierzęce i roślinne, w celu pokrycia spożycia zwierząt gospodarskich i ludzi.

Ostatnio przewiduje się, że masowa uprawa mikroalg jest jedną z możliwości zwalczania głodu i niedożywienia na świecie.

Mikroalgi mają niezwykłe stężenia składników odżywczych, które są wyższe niż te obserwowane u jakichkolwiek wyższych gatunków roślin. Codzienny gram mikroalg to alternatywa dla uzupełnienia niedoborowej diety.

Zalety stosowania jako pokarm

Wśród zalet stosowania mikroalg jako pożywienia mamy:

• Wysoka prędkość wzrostu mikroalg (dają 20 razy większy plon niż soja na jednostkę powierzchni).
• Generuje korzyści mierzone „profilem hematologicznym” i „stanem intelektualnym” konsumenta przy spożywaniu małych dziennych dawek jako suplement diety.
• Wysoka zawartość białka w porównaniu z innymi naturalnymi pokarmami.
• Wysokie stężenie witamin i minerałów: spożywanie od 1 do 3 gramów dziennie produktów ubocznych mikroalg zapewnia znaczne ilości beta-karotenu (prowitaminy A), witamin E i B, żelaza i pierwiastków śladowych.
• Silnie energetyzujące źródło pożywienia (w porównaniu z żeń-szeniem i pyłkiem zbieranym przez pszczoły).
• Polecane są do treningu o wysokiej intensywności.
• Ze względu na swoje stężenie, niską wagę i łatwość transportu suchy ekstrakt z mikroalg nadaje się jako niepsująca się żywność do przechowywania w sytuacjach awaryjnych.

Rysunek 2. Arthrospira jest szeroko stosowaną i masowo hodowaną cyjanobakterią. Źródło: Joan Simon, przycięte przez Perdita (angielski użytkownik Wikipedii), za pośrednictwem Wikimedia Commons

Akwakultura

Mikroalgi są wykorzystywane jako pokarm w akwakulturze ze względu na wysoką zawartość białka (od 40 do 65% w suchej masie) oraz zdolność do wzmacniania koloru łososiowatych i skorupiaków za pomocą ich pigmentów.

Na przykład jest używany jako pokarm dla małży na wszystkich etapach ich wzrostu; dla stadiów larwalnych niektórych gatunków skorupiaków i dla wczesnych stadiów niektórych gatunków ryb.

Pigmenty w przemyśle spożywczym

Niektóre pigmenty z mikroalg są stosowane jako dodatki do pasz w celu zwiększenia pigmentacji mięsa drobiowego i żółtek jaj, a także zwiększenia płodności bydła.

Pigmenty te są również używane jako barwniki w produktach takich jak margaryna, majonez, sok pomarańczowy, lody, sery i produkty piekarnicze.

Rysunek 3. Fotobioreaktory rurowe, stosowane do otrzymywania wysokowartościowych związków z mikroalg. Źródło: IGV Biotech, źródło Wikimedia Commons

Medycyna ludzka i weterynaryjna

W dziedzinie medycyny i weterynarii dostrzega się potencjał mikroalg, ponieważ:

• Zmniejszają ryzyko wystąpienia różnych typów raka, chorób serca i okulistycznych (dzięki zawartości luteiny).
• Pomagają w zapobieganiu i leczeniu choroby wieńcowej serca, agregacji płytek krwi, nieprawidłowego poziomu cholesterolu, a także są bardzo obiecujące w leczeniu niektórych chorób psychicznych (ze względu na zawartość kwasów omega-3).
• Mają działanie antymutagenne, pobudzające układ odpornościowy, redukujące nadciśnienie i odtruwające.
• Działają antykoagulacyjnie i bakteriobójczo.
• Zwiększają biodostępność żelaza.
• Leki oparte na terapeutycznych i zapobiegawczych mikroalgach zostały wytworzone między innymi na wrzodziejące zapalenie jelita grubego, zapalenie żołądka i anemię.

Rysunek 4. Płaski fotobioreaktor: stosowany do otrzymywania produktów ubocznych mikroalg o wysokiej wartości dodanej oraz w eksperymentach. Źródło: IGV Biotech, źródło Wikimedia Commons

Nawozy

Mikroalgi są używane jako nawozy biologiczne i środki poprawiające glebę. Te mikroorganizmy fotoautotroficzne szybko pokrywają zniszczone lub spalone gleby, zmniejszając ryzyko erozji.

Niektóre gatunki sprzyjają wiązaniu azotu i umożliwiają na przykład uprawę ryżu na zalanych terenach przez wieki bez dodatku nawozów. Inne gatunki są używane do zastąpienia wapna w kompoście.

Kosmetyki

Pochodne mikroalg zostały wykorzystane w formulacji wzbogaconych past do zębów, które eliminują bakterie powodujące próchnicę zębów.

Kremy zawierające takie pochodne zostały również opracowane ze względu na ich właściwości przeciwutleniające i chroniące przed promieniowaniem ultrafioletowym.

Rysunek 5. Utrzymywanie się mikroalg w bankach lub szczepach. Źródło: CSIRO

Oczyszczanie ścieków

Mikroalgi są stosowane w procesach przemiany materii organicznej ze ścieków, wytwarzaniu biomasy i uzdatnionej wody do nawadniania. W tym procesie mikroalgi dostarczają niezbędnego tlenu bakteriom tlenowym, rozkładając zanieczyszczenia organiczne.

Wskaźniki zanieczyszczenia

Biorąc pod uwagę znaczenie ekologiczne mikroalg jako głównych producentów środowisk wodnych, są one organizmami wskaźnikowymi zanieczyszczenia środowiska.

Ponadto odznaczają się dużą tolerancją na metale ciężkie takie jak miedź, kadm i ołów, a także chlorowane węglowodory, dlatego mogą być wskaźnikami obecności tych metali.

Biogaz

Niektóre gatunki (na przykład Chlorella i Spirulina) są używane do oczyszczania biogazu, ponieważ zużywają dwutlenek węgla jako źródło węgla nieorganicznego, a także jednocześnie kontrolują pH pożywki.

Biopaliwa

Mikroalgi biosyntetyzują szeroką gamę komercyjnych bioenergetycznych produktów ubocznych, takich jak tłuszcze, oleje, cukry i funkcjonalne związki bioaktywne.

Rycina 6. Kultywatory mikroalg typu karuzelowego stosowane w masowej uprawie mikroalg dla przemysłu kosmetycznego i spożywczego. Źródło: JanB46, źródło Wikimedia Commons

Wiele gatunków jest bogatych w lipidy i węglowodory nadające się do bezpośredniego wykorzystania jako wysokoenergetyczne biopaliwa ciekłe, na poziomach wyższych niż obecne w roślinach lądowych, a także mogą stanowić substytuty produktów rafineryjnych z paliw kopalnych. Nie jest to zaskakujące, biorąc pod uwagę, że uważa się, że większość oleju pochodzi z mikroalg.

Szczegółowo zbadano jeden gatunek, w szczególności Botryococcus braunii. Prognozuje się, że plon oleju z mikroalg będzie nawet 100 razy większy niż z upraw lądowych, od 7500 do 24 000 litrów oleju na akr rocznie, w porównaniu z rzepakiem i palmami, odpowiednio 738 i 3690 litrów. .

Bibliografia

1. Borowitzka, M. (1998). Komercyjna produkcja mikroalg: stawy, zbiorniki, bulwy i fermentory. J. of Biotech, 70, 313–321.
2. Ciferri O. (1983). Spirulina, mikroorganizm jadalny. Microbiol. Rev., 47, 551-578.
3. Ciferri, O. i Tiboni, O. (1985). Biochemia i potencjał przemysłowy Spiruliny. Ann. Rev. Microbiol., 39, 503-526.
4. Conde, JL, Moro, LE, Travieso, L., Sánchez, EP, Leiva, A., & Dupeirón, R., et al. (1993). Proces oczyszczania biogazu z wykorzystaniem intensywnych kultur mikroalg. Biotechnologia. Letters, 15 (3), 317-320.
5. Contreras-Flores, C., Peña-Castro, JM, Flores-Cotera, LB i Cañizares, RO (2003). Postępy w projektowaniu koncepcyjnym fotobioreaktorów do hodowli mikroalg. Interciencia, 28 (8), 450–456.
6. Duerr, EO, Molnar, A. i Sato, V. (1998). Hodowlane mikroalgi jako pasza dla akwakultury. J Mar Biotechnol, 7, 65–70.
7. Lee, Y.-K. (2001). Systemy i metody kultur masowych mikroalg: ich ograniczenia i potencjał. Journal of Applied Phycology, 13, 307-315.
8. Martínez Palacios, CA, Chávez Sánchez, MC, Olvera Novoa, MA, & Abdo de la Parra, MI (1996). Alternatywne źródła białka roślinnego jako substytut mączki rybnej w paszach dla akwakultury. Artykuł przedstawiony w materiałach z trzeciego międzynarodowego sympozjum nt. Żywienia akwakultury, Monterrey, Nuevo León, Meksyk.
9. Olaizola, M. (2003). Komercyjny rozwój biotechnologii mikroalg: od probówki po rynek. Inżynieria biomolekularna, 20, 459-466.