02.03.2009

Хозяйственно полезные виды водорослей

Среди растительных организмов, осуществляющих уникальный процесс запасания солнечной энергии в продуктах фотосинтеза, водоросли занимают особое место. Именно они являются первичными продуцентами органического вещества в водах Мирового океана и пресных водоемов суши, причем годовая продуктивность морских водорослей сопоставима с продуктивностью всей наземной растительности, включая сельскохозяйственные угодья. В мире насчитывается 35-40 тыс. видов водорослей, из них в Республике Беларусь - 2,3 тыс.

Водоросли - постоянно возобновляемый ресурс, источник получения пищевого и кормового белка и других ценных соединений (углеводов, липидов, витаминов), поэтому во всем мире внимание специалистов приковано к проблеме искусственного разведения макроводорослей и промышленного культивирования микроскопических. По своим пищевым качествам эти растения не только не уступают известным сельскохозяйственным культурам, но в некоторых отношениях даже превосходят их. Они содержат высокий процент белка (до 70% сухой биомассы), включающего все аминокислоты, необходимые для нормального питания человека, в том числе незаменимые. Благодаря этому белки водорослей могут дополнять белки продуктов с малым количеством лизина и треонина. По стандарту ФАО ООН белок водорослей оценивается в 2,2-2,6 балла, что является высоким показателем. Выход белка на единицу площади за единицу времени при выращивании водорослей на 1-3 порядка превышает таковой по сравнению с другими традиционными источниками (бобовые, злаки, крупный рогатый скот).

Водоросли - богатейший источник витаминов (тиамина, пиридоксина, рибофлавина, кобаламина, фолиевой, никотиновой, аминобензойной, пантотеновой и аскорбиновой кислот, β-каротина), микроэлементов и других физиологически активных веществ. Большим преимуществом водорослей является их физиолого-биохимическое разнообразие и лабильность химического состава, позволяющие осуществлять управляемый биосинтез ценных химических природных соединений. Так, в одной и той же культуре в зависимости от условий выращивания в значительной степени изменяется содержание свободных аминокислот, пигментов, витаминов, микроэлементов, можно получить биомассу с содержанием белков от 9 до 88%, углеводов - от 6 до 37% и жиров - от 4 до 85%.

Водоросли, и микроскопические в частности, характеризуются наиболее высоким КПД усвоения световой энергии по сравнению с другими фотосинтезирующими организмами. Многие виды способны к миксотрофизму и эффективной утилизации света низкой интенсивности. Это позволяет снизить энергетические затраты на единицу получаемой продукции. Продуктивность водорослей, особенно микроскопических, приближается к потенциально возможной. Так, у хлореллы в закрытых полностью автоматизированных опытных установках при искусственном освещении она составляет 100-140 г сухого вещества на 1 м² в сутки. Это соответствует 1-1,4 т/га (в сухой массе) в сутки или 360-500 т/га в год. Средняя продуктивность микроводорослей при их массовом культивировании в установках открытого типа при естественном освещении находится в пределах 14-35 г/м² (в сухой массе) в сутки, максимальная достигает 60 г/м² в сутки. Если исходить из средней суточной продуктивности 20 г/м² и продолжительности вегетационного периода 6 месяцев, среднегодовая продуктивность установок этого типа составит 72 т/га (в сухой массе) в год. Практически такой показатель (50-80 т/га в год) достигнут во многих странах в открытых культиваторах разного типа. Культивирование видов рода Spirulina позволяет получать 128 т/га белка в год. Таким образом, продуктивность культуры микроводорослей на порядок выше по сравнению с продуктивностью пшеничного поля.

Водоросли не являются конкурентами высших растений, поскольку их можно выращивать в водоемах и искусственных установках на площадях, не пригодных для земледелия; их культура менее зависима от климатических условий, и массовое выращивание для медицинских, пищевых и кормовых целей осуществляется во всех пограничных с Беларусью странах - России, Украине, Прибалтике, и только в нашей стране оно отсутствует.

Среди биотехнологических штаммов водорослей, широко используемых во всем мире для получения ценных медицинских препаратов, пищевых и кормовых добавок, наибольший интерес представляют 3 вида - спирулина, дюналиелла и хлорелла.

Спирулина

Клетки сине-зеленой водоросли спирулины соединены в многоклеточную спиралевидно закрученную нить, что и определило ее название. Биомасса спирулины обладает разнообразными полезными свойствами, обусловленными ее химическим составом. Она содержит: 70% белка высокого качества, сопоставимого с белком молока; не менее 13 витаминов; много органических соединений йода (ди- и трииодтирозин, тироксин), препятствующих развитию зоба при дефиците йода в питьевой воде, что актуально для Беларуси; β-каротина (провитамина А) в среднем в 20 раз больше, чем в моркови, и значительное количество (1700 межд. ед./г) супероксиддисмутазы - фермента, нейтрализующего свободно-радикальные состояния веществ в организме; большое количество ненасыщенных жирных кислот, препятствующих развитию сердечно-сосудистых заболеваний; около 20 минеральных элементов, необходимых человеку (кальций, железо, магний и др.). Кроме 70% белка в спирулине около 10% липидов, 13% углеводов, 4% нуклеиновых кислот.

Изучение питательной ценности биомассы спирулины, проводившееся во многих странах, показало ее полезность и целесообразность использования в рационах детского и диетического питания здоровых и больных людей и для кормления животных.

Спирулина - профилактическое и лечебное средство при таких болезнях, как атеросклероз, миокардиосклероз, болезни желудочно-кишечного тракта (гепатит, цирроз печени, панкреатит, язва желудка и двенадцатиперстной кишки и др.), диабет, глазные болезни (катаракта у пожилых людей, глаукома), анемия, облысение, вызванное нарушением кровообращения и катионами тяжелых металлов, в качестве энтеросорбента токсикантов, в гериатрии и т.д. Особенно важно положительное действие биомассы спирулины при заболеваниях, сопровождающихся поражениями иммунной системы. Из спирулины выделен сульфополисахарид - кальций-спирулан, обладающий антивирусной активностью против герпеса, цитомегаловируса, кори, свинки, гриппа А и ВИЧ-1. Существуют экспериментальные доказательства того, что спирулина эффективно снижает уровень холестерина в организме, содержащиеся в ее клеточной стенке полисахариды освобождают организм человека и животных от радионуклидов и катионов тяжелых металлов.

Очень хорошие результаты были получены при использовании биомассы спирулины в качестве кормовых добавок к рационам сельскохозяйственных животных. Так, добавки сухой биомассы спирулины к дневному рациону откормочных свиней на свинокомплексе КРЗ г. Осиповичи по 4 г в течение 2 месяцев позволили увеличить суточные привесы на 22-25%. На Минском ПО по птицеводству при скармливании цыплятам по 100 мг сухой биомассы спирулины в сутки также прекратился падеж молодняка. Однако вопрос использования спирулины в сельхозпроизводстве республики до сих пор остается открытым. В то же время в Институте биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси разработан регламент производства биомассы спирулины, позволяющий существенно сократить расходы на ее выращивание. Минимальная цена 1 кг сухой биомассы спирулины, закупаемой за границей в настоящее время, составляет 50 долл. США, тогда как произведенной в Беларуси была бы 25 долл. или даже меньше, о чем свидетельствуют данные, полученные в рамках проекта «Оптимизация технологических параметров культивирования цианобактерии Spirulina platensis для создания эффективного способа получения биомассы, обогащенной биологически активными веществами» в ГППИ «Новые биотехнологии» (2006-2010 гг.). В Институте биофизики и клеточной инженерии уже получены лабораторные образцы сухой биомассы спирулины.

Подсчеты показывают, что для свинофермы в тысячу голов на год необходимо 1460 кг биомассы. Такое количество за год даст установка объемом 26 м³, она же обеспечит кормовой добавкой по 100 мг в сутки 40 тыс. цыплят-бройлеров. Учитывая, что животноводство и птицеводство являются приоритетными отраслями сельского хозяйства в нашей стране, рынок потребления биомассы спирулины неограничен.

Материальный баланс производства 1 кг сухой биомассы спирулины можно представить так:

• израсходовано: натрий двууглекислый - 2,5 кг; натрий азотнокислый - 0,7 кг; натрий хлористый - 0,4 кг; калий фосфорнокислый двузамещенный - 0,06 кг; калий сернокислый - 0,1 кг; магний сернокислый - 0,01 кг; кальций хлористый - 0,08 кг; железо лимоннокислое - 0,06 кг; вода - 1,2 м³; электроэнергия - 100 кВт/ч;
• получено: белок высокого качества - 550-650 г; углеводы - 150-200 г; липиды - 50 г; минеральные вещества - 70 г; каротин (провитамин А) - 1,7-2,3 г; витамин С - 1,7-2 г; витамин В₁ - 55 мг; витамин В₂ - 40 мг; витамин В₃ - 11 мг; витамин В6 - 3 мг; витамин В₁₂ - 2 мг; витамин Е - 190 мг; витамин РР - 119 мг; биотин - 0,4 мг; фолиевая кислота - 0,5 мг; инозит - 350 мг; α-линоленовая кислота - 550 мг.

Дюналиелла

Одноклеточная зеленая водоросль дюналиелла - объект массового промышленного культивирования для получения витаминов, липидов, спиртов (в частности, этанола) и антибиотиков. Биомасса этой водоросли широко применяется в мировой практике в качестве кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве. Особенно интенсивно эта водоросль используется для получения в промышленных масштабах β-каротина и полиненасыщенных жирных кислот, являющихся предшественниками простагландина и препятствующих развитию атеросклероза и других заболеваний.

Такие крупнейшие биотехнологические фирмы, как Cyanotechnical Corporation и Microbiol. Resources, производят каждая по 1,5 т β-каротина в год из биомассы дюналиеллы. Эта водоросль по своим пищевым качествам не уступает, а в ряде случаев превосходит другие по высокому содержанию жиров (до 28%) и витаминов, полному набору аминокислот, в том числе незаменимых, а также низкому содержанию зольных веществ. В отличие от других водорослей, клетки дюналиеллы лишены целлюлозной или пектиновой оболочки и окружены лишь тонкой эластичной протоплазматической мембраной (плазмалеммой), что существенно облегчает усвоение биомассы водоросли животными при кормлении.

Один из видов дюналиеллы - Dunaliella salina - единственный представитель водорослей, который может выращиваться на высокосолевых средах. В Институте биофизики и клеточной инженерии на инициативной основе разработаны способы культивирования дюналиеллы на средах, содержащих глинисто-солевые шламоотходы ПО «Беларуськалий». Установлено, что в таких условиях происходит модификация пигментного состава клеток водоросли, а именно увеличивается в несколько раз содержание каротиноидов, и суспензия клеток приобретает желтый оттенок. Такая биомасса может с успехом использоваться для получения β-каротина, которого так недостает в Беларуси.

Хлорелла

Одноклеточная зеленая водоросль хлорелла по содержанию витаминов превосходит все растительные корма и культуры сельскохозяйственного производства. Провитамина А в ней в 7-10 раз больше, чем в шиповнике или сухих абрикосах. Хлорелла - активный продуцент белков, углеводов, липидов, витаминов с легко регулируемым соотношением этих соединений при изменении условий культивирования. При выращивании на обычных минеральных средах в сухой биомассе хлореллы содержится 40-55% белка, 35% углеводов, 5-10% липидов и до 10% минеральных веществ. Хлорелла, растущая на среде, богатой азотом, накапливает преимущественно белок, при дефиците азота она синтезирует главным образом жиры и углеводы, добавление к среде глюкозы и ацетата приводит к повышению содержания каротиноидов и т.д. По качеству продуцируемого белка хлорелла превосходит все известные кормовые и пищевые продукты: в нем имеются все необходимые аминокислоты, в том числе незаменимые.

В 1 г массы сухого вещества водоросли содержится: каротина 1000-1600 мкг, витамина B₁ - 2-18, В₂ - 21-28, В₃ - 12-17, В₆ - 9, B₁₂ - 0,025-0,1, С - 1300-5000, провитамина D - 1000, К - 6, РР - 110-180, Е - 10-350, пантотеновой кислоты - 12-17, фолиевой кислоты - 485, биотина - 0,1, лейковорина - 22 мкг. По содержанию витаминов хлорелла превосходит дрожжи, считающиеся богатым источником этих жизненно важных веществ. В клетках водоросли больше, чем в дрожжах, инозита в 1,5 раза, биотина - в 2, пантотеновой кислоты - в 1,3, пара-аминобензойной кислоты - в 2,9 раза. Витамина B₁₂ нет ни в дрожжах, ни у высших растений, а хлорелла его продуцирует. Если в рыбьем жире содержится 6 витаминов, то в хлорелле не менее 13. Количество витаминов как в клетках, так и в культуральной среде заметно варьирует в зависимости от условий культивирования и фазы развития водоросли.

Среди внеклеточных продуктов хлореллы обнаружены витамины B₁, В₂, В₃, B₅, В₆, B₁₂, фолиевая кислота и ее производные, пара-аминобензойная кислота, биотин, инозит. Содержание этих витаминов в среде значительно превосходит их количество в клетках. Так, на 6-й день выращивания количество витаминов в среде максимальное и составляет для пантотеновой кислоты, биотина, п-аминобензойной кислоты - 80%, для пиридоксина - 70, тиамина, инозита, никотиновой кислоты - 60% общего содержания в клетках и среде. Затем относительное содержание витаминов в среде снижается, тем не менее и на 14-й день культивирования оно составляет около половины общего количества. Поэтому при использовании биомассы в качестве кормовых добавок следует учитывать это обстоятельство и спаивать животным суспензию клеток, не теряя находящиеся в среде витамины и другие биологически активные вещества - антибиотики, ферменты, стерины, фитогормоны и т.д.

Так как в белке хлореллы содержатся все незаменимые аминокислоты, его питательная ценность в 2 раза превосходит таковую для соевого белка. Если же сравнивать питательную ценность биомассы в целом, то окажется, что 1 кг биомассы равен 4-5 кг сои. При добавлении к 1 т зерна 5-7 кг массы сухого вещества хлореллы биологическая ценность зерна увеличивается в 1,5 раза. По калорийности хлореллу можно приравнять к шоколаду, а ее белок равноценен белку сухого молока или мяса.

При употреблении хлореллы в виде таблеток или суспензии увеличивается синтез интерферона, снабжение кислородом клеток тела и мозга, происходит очистка крови, печени, почек, желудочно-кишечного тракта от токсинов и тяжелых металлов, улучшается пищеварение, нормализуется рост организма, стимулируется восстановление тканей, рН организма сдвигается в более щелочное состояние, нормализуется сердечно-сосудистая деятельность, в кишечнике более интенсивно развивается полезная микрофлора. Хлорелла рекомендуется при усталости, нарушениях зрения, сердечно-сосудистой деятельности и давления, потере памяти, высоком содержании холестерина, проблемах с пищеварением, тучности, головной боли, инфекциях, дерматитах, токсикозах, аллергиях и как общеукрепляющее средство, повышающее иммунный статус организма.

Хлореллу весьма успешно применяют за рубежом в сельскохозяйственном производстве (в скотоводстве, свиноводстве, звероводстве, птицеводстве, пчеловодстве) в качестве пищевых добавок к рациону различных животных, для улучшения плодородия почв, увеличения всхожести семян, при силосовании и т.д.

Еще в 70-80-х гг. прошлого столетия в совхозе «Пиревичский» Жлобинского района Институтом фотобиологии НАН Беларуси (ныне Институт биофизики и клеточной инженерии) был внедрен способ культивирования хлореллы совместно с хламидомонадой. В бассейнах на 40 м³ выращивали водоросли с последующим смешиванием их с дрожжами для скармливания крупному рогатому скоту. Однако добавление хлореллы при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц в республике широкого использования не получило. Есть только отдельные случаи применения биомассы по инициативе руководителей предприятий. В частности, в одном из агропромышленных предприятий Минской области работает культиватор по выращиванию водоросли объемом 120 л. Спаивание суспензии хлореллы удойным коровам позволило увеличить удои и жирность молока.

Водоросли можно применять для доочистки сточных вод. Совместно с ВНИИ по продуктам питания из картофеля был разработан способ очистки сточных вод производства картофелепродуктов. Очистка отходов производства сухого картофельного пюре в виде муки, крупки и гранул проводилась с помощью миксотрофного штамма хлореллы. В Министерство сельского хозяйства БССР были переданы «Рекомендации по использованию хлореллы для утилизации жидких отходов производства продуктов питания из картофеля» (1982-1984 гг). Получено авторское свидетельство. В 2007 г. нами совместно с ООО «Флоктус» была проведена биологическая очистка сточных вод г. Фаниполь и промзоны (Дзержинская птицефабрика, нефтебаза, концерн «Белресурсы», завод ЖБМК, опытно-механический завод, ремонтно-механический завод, ИП «Уномедикал», деревообрабатывающие предприятия, лакокрасочные предприятия) с помощью суспензии хлореллы. При этом удалось эффективно очистить сточные воды даже в самой грязной части очистных сооружений - усреднителе.

Водоросли могут применяться для фотобиологического получения молекулярного водорода. Это было показано исследованиями Института биофизики и клеточной инженерии и работами ряда зарубежных ученых. Наиболее эффективными продуцентами водорода являются Euglena gracilis, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella kessleri, Scenedesmus acutus. Установлено, что поликультуры выделяют водород более эффективно, чем монокультуры, входящие в их состав.

Мельников Станислав, Шалыго Николай

Источники:

1. innosfera.org