Богатый потенциал. Стресс заставил микроводоросли из Самарского леса синтезировать больше липидов и витаминов

Ученые выяснили, что микроводоросль Chlorococcum oleofaciens, обнаруженная в лесной подстилке Самарского леса, при недостатке питательных веществ и дополнительной аэрации накапливает в клетках большое количество липидов, витаминов и антиоксидантов. Эти соединения востребованы в фармацевтике и пищевой промышленности, а потому подбор условий, при которых микроводоросль производит их максимально эффективно, позволит удешевить и упростить производство.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plants.

Микроводоросли, способные накапливать в клетках большое количество липидов (жиров), используются для производства биотоплива, косметических продуктов и лекарств, а также кормов и подкормок для животных и аквакультуры. Один из таких промышленно ценных видов — Chlorococcum oleofaciens — микроводоросль, обитающая в водоемах и влажной почве. Она накапливает в значительных количествах липиды (до 59,2% сухой биомассы) и другие ценные соединения с антиоксидантными свойствами — витамины, каротиноиды и жирные кислоты. Чтобы сделать производство различных веществ из водорослей как можно более экономически выгодным, ученые ищут оптимальные условия выращивания культур, в которых они производили бы наибольшее количество продукта.

Биологи из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) и Мелитопольского государственного университета (Мелитополь) исследовали, как разные среды для выращивания Chlorococcum oleofaciens влияют на содержание в клетках микроводоросли промышленно ценных соединений — липидов, витаминов, каротиноидов и других. Авторы использовали культуру водоросли, хранящуюся в коллекции Мелитопольского государственного университета и изначально обнаруженную его сотрудниками в Самарском лесу.

Влияние уменьшения количества азота и фосфора в питательной среде на количество биомассы у зеленых водорослей.
Источник: Евгений Мальцев.

Ученые выращивали микроводоросли в колбах с несколькими вариантами питательных сред, которые отличались соотношением внесенных в них азота и фосфора — элементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности клеток. В контрольной среде эти вещества находились в избытке. Кроме того, были среды с недостатком только первого или только второго элемента, или же сразу обоих. Подобные условия считаются стрессовыми для водорослей, поскольку в них клеткам не хватает питания. Также авторы проверили, как влияет дополнительная аэрация на рост культуры: в половину колб с водорослями воздух подавали с высокой скоростью (0,8 литров в минуту), а в оставшиеся — менее интенсивно (0,1 литр в минуту).

Максимальное количество липидов (38% по массе), а также витаминов А и Е накопили «старые» клетки, которые росли 74 дня: количество нужных соединений в них было в 1,3–2,8 раза выше, чем в «молодых» 18-суточных культурах. При этом клетки, которые не подвергались дополнительному обогащению воздухом, накапливали в два раза больше липидов, чем микроводоросли, к которым этот газ поступал в избытке. Обратный эффект наблюдался для каротиноидов и антиоксидантов (аскорбиновой кислоты), которые в условиях аэрации накапливались в большем количестве.

Культуры зеленых водорослей, выращенные с дополнительной аэрацией (справа) и без нее (слева). Источник: Евгений Мальцев.

Кроме того, биологи выяснили, что соотношение азота и фосфора в питательной среде также влияет на накопление липидов и витаминов в клетках Chlorococcum oleofaciens. Так, когда микроводоросль лишили обоих этих элементов, она накапливала липиды в незначительном количестве, но, если при малом содержании фосфора в среде было много азота (в 13 раз больше, чем фосфора), клетки накапливали довольно большое количество липидов (10% по массе) и витаминов.

«Ранее было неизвестно, как меняется способность микроводоросли Chlorococcum oleofaciens производить липиды и антиоксиданты при росте в условиях с разными концентрациями азота и фосфора. Наши исследования показали, что этот вид может служить перспективным природным источником липидов, белков, витаминов А и Е, а также аскорбиновой кислоты. Данные вещества нужны для производства кормов, способствующих снижению выбросов метана у жвачных животных, а также для пищевой и фармацевтической промышленности. В дальнейшем мы планируем переходить к полупромышленному получению биомассы зеленых микроводорослей, объема которой хватило бы для создания первых образцов кормов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Мальцев, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией альгоэкоинжиниринга Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.

Изображения: пресс-служба Российского научного фонда