Микроводоросли – перспективная «сельскохозяйственная культура»

Микроводоросли стоят в начале трофических систем, играя наиважнейшую роль в функционировании всей биосферы. Но в последнее время все больше внимания привлекает их промышленное производство, поскольку они находят свое применение в разных сферах народного хозяйства. Это и производство продуктов питания, кормов, удобрений, а также новое перспективное направление – биотопливное производство.

Идея культивирования микроводорослей в промышленных масштабах возникла в Германии в середине прошлого столетия, когда пытались получать пищевые масла из диатомовых водорослей (однако выбранные культуры характеризовались низкой продуктивность). Вскоре внимание ученых привлекли зеленые микроводоросли из родов Chlorella и Scenedesmus, которые преимущественно и культивировались в последующие годы. Однако в то время еще слабо были разработаны технологические особенности выращивания микроводорослей, поэтому интерес к ним временно снизился. Возобновление исследований в области промышленного культивирования микроводорослей началось с конца 60-х гг., и интерес к ним не утихает до сегодняшнего дня.

Выращивание микроводорослей в промышленных масштабах имеет уже полувековую историю. Полученная биомасса используется в сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, парфюмерии, фармакологии, медицине и в других областях народного хозяйства. Мировая альгофлора насчитывает около 40 тыс. видов (в Украине – более 5 тыс. видов), но наиболее перспективными считают представителей семейств Chlorella, Dunaliella, Scenedesmus, Spirulina. Наиболее продуктивными оказались диатомовые (кремневые) водоросли (Diatoms) и зеленые водоросли (Chlorophyceae). Также были выведены новые штаммы водорослей, которые характеризуются высокой продуктивностью и масличностью. Перспективным образцом биотехнологических разработок признано зеленую колониальную водоросль Botryococcus braunii. Она содержит более 70% углеводов от массы сухого вещества, имеет широкую экологическую амплитуду и значительный географический ареал распространения, может успешно расти в условиях Украины.

Производство биотоплива

В странах Европейского Союза доля использования альтернативных видов топлива, производимых из восстанавливаемых ресурсов, постоянно возрастает. И Украина, если ставит целью войти в состав ЕС, тоже должна активно разрабатывать эти вопросы.

Кабинет Министров Украины своим Постановлением от 22 декабря 2006 г. № 1771 утвердил «Программу развития производства дизельного биотоплива», которая предполагает обеспечение сельхозпроизводителей биотопливом, производимым из рапса, создание региональных зон концентрированного выращивания озимого и ярового рапса площадью от 50 до 70 тыс. га и технической базы для производства биотоплива и переработку 75% выращенного урожая в биодизель.

Биодизельное топливо производят путем химического процесса из сырья биологического происхождения. В странах Европы им служит в основном рапсовое масло, в США – соя, в Индонезии и на Филиппинах – плоды масличной пальмы, в Бразилии – масло клещевины. Используют также отработанное растительное масло, рыбий и животных жир и др. Однако выращивание сырья для производства биотоплива требует отчуждения больших земельных площадей, интенсивная эксплуатация которых будет оказывать огромную нагрузку на почвы, снижая их плодородие. К тому же бытует мнение, что использование урожая сельскохозяйственных культур для производства биотоплива в перспективе может привести к глобальному продовольственному кризису. Массовое производство биодизеля из пальмового масла способствует уничтожению тропических лесов в Индонезии.

Также посевы биоэнергетических культур часто вытесняют посевы продовольственных культур, что также вызывает тревогу.

В последние годы ученые работают над поиском иных энергоемких экологичных и природоэкономичных объектов, среди которых особое место занимают микроскопические водоросли. Отдельные виды характеризуются потенциально высокой продуктивностью, быстрым накоплением биомассы, их относительно легко выращивать, а содержание липидной фракции в них до десяти раз выше, чем в высших растениях (более 75% сухого вещества биомассы).

Микроводоросли рассматриваются как перспективное сырье для производства биодизельного топлива. Развитие микроводорослей в культуре нивелирует влияние климатических и сезонных факторов роста, а формирование штаммовой специфики и продуктивности дает возможность получать биомассу на протяжении всего года. Лидерами в этой области являются Нидерланды, Германия, ЮАР, а также США и Австралия. Активный поиск ведут специалисты Китая и Японии. Ученые работают над оптимизацией параметров биокультиваторов и биореакторов для активного наращивания биомассы водорослей и переработки сырья, поиска продуктивных видов и штаммов водорослей.

Водоросли прекрасно подходят для получения биодизельного топлива: обеспечивают отличный выход биомассы на каждый квадратный метр площади культивирования (в отличие от сухопутных растений), не содержат серы и других токсических компонентов (в отличие от нефти), отлично разлагаются микроорганизмами и, что важнее всего, обеспечивают высокий выход готового продукта – до 50% от исходной биомассы. Ученые США рассчитали, что 200 тыс. га водоемов для выращивания микроводорослей могут произвести биотопливо, которого будет достаточно для годового потребления 5% автомобилей страны.

Выращивание микроводорослей для получения биодизеля может помочь в решении экологической проблемы утилизации СО2 и снижения парникового эффекта. Выбросы тепловых станций могут быть использованы для культивирования микроводорослей.

Например, утилизация дымовых газов для выращивания микроводорослей обеспечивает эффективную систему газоочищения на предприятиях металлургической, химической промышленности, на предприятиях теплоэнергетики, мусоросжигательных заводах.

В идеале, и само производство биодизеля из микроводорослей является экологически чистым, поскольку не используется энергия ископаемых топлив, а используется энергия, полученная при анаэробном сбраживании остатка биомассы.

Также больших успехов достигли разработки в сфере применение микроводорослей для производства биогаза. В частности, в лаборатории Кременчугского университета под руководством профессора Елизарова создали установку для переработки сине-зеленых водорослей, активно разрастающихся в водохранилищах Днепра. Полученный газ можно использовать и в быту. При этом остатки после переработки могут служить удобрением.

Производство удобрений

Другим направлением использования водорослей является производство на их основе удобрений. Китайская компания Leili Agrochemistry Co., Ltd специализируется на производстве и продаже серии продуктов на основе экстрактов водорослей. На сегодня компания занимает лидирующую позицию в Азии и является одним из 5 наибольших производителей удобрений из водорослей. Среди продуктов: экстракты бурых водорослей, панцирей креветок и крабов, гидролизаты белков, экстракты леонардита, адъюванты для пестицидов, природные СЗР.

Экстракты водорослей содержат большое количество цитокининов, бетаин, альгополифенолы, витамины, гормоны, природные антиоксиданты и минеральные элементы (Mg, Ca, B, Mo и др.), способствующие росту и развитию растений (стимулируют деление клеток, дифференциацию калусной ткани и др.) и повышающие показатели плодородия почвы.

Сине-зеленые водоросли издавна используются на рисовых полях как биоудобрения. Представители рода Anabena в симбиозе с папоротником Azolla способны за сезон связать до 60 кг/га азота, а также являются ценным источником органического вещества, улучшающего плодородие почвы. При этом, микроводоросли являются возобновляемым ресурсом, в отличие от промышленного производства азотных удобрений. Наряду с азотфиксацией, водоросли выделяют ростстимулирующие вещества, улучшающие рост растений.

Биомасса водорослей рассматривается как органическое удобрение, причем выгодно отличающееся от традиционных видов, поскольку не содержит ни патогенной микрофлоры, ни остатков сорняков, ни вредителей.

Бурые морские водоросли традиционно используются в животноводстве и растениеводстве многих стран. В качестве кормовой добавки, они входят в кормовой рацион. Высокое содержание в них макро-и микроэлементов делает возможным их использование в качестве удобрений. Особенно много в них содержится калия, азота, фосфора, йода, молибдена и бора. Витамины и аминокислоты положительно влияют на рост и развитие растений. Их можно вносить в почву или использовать вытяжки для предпосевной обработки семян и листовой подкормки растений.

На базе экстракта из бурой водоросли Ascophyllum nodosum изготавливают удобрения Bio-algeen S90, Goemar Goteo, Goemar BM 86, Kelpak SL и Wuxal Ascofol. Они хорошо усваиваются через листовую пластинку и корни, улучшая также и свойства почвы.

Входящие в состав экстрактов ферменты, витамины, полисахариды, аминокислоты, фитогормоны и элементы питания благоприятно влияют на ростовые процессы в растении. Также в экстрактах водорослей содержатся специфические вещества – элициторы, способные связываться со специфическими рецептотами и запускающие защитные механизмы в растении
Экстракты морских водорослей обладают фитопротекторной функцией, увеличивая устойчивость растений к грибковых заболеваниям, повышают биологическую эффективность химических средств защиты растений. Наличие в экстрактах аминокислот и фитогормонов (ауксины, цитокинины, гиббереллины, бетаины) делает их эффективными помощниками растений в преодолении стрессовых ситуаций разного характера. Биостимулирующий эффект экстрактов водорослей способствует усилению противодействия растений различным насекомым.

При внесении в системе фертигации, экстракты водорослей положительно влияют на развитие почвенной микрофлоры, способствуют развитию корневой системы растений, повышают ее устойчивость к заболеваниям и абсорбционную способность.

Повышая содержание хлорофилла в листьях, экстракты водорослей способствуют прохождению процесса фотосинтеза.

На рынке Украины среди удобрений с добавлением экстрактов водорослей: Фертигрейн Старт и Текамин Раис испанской компании Agritecno fertilizantes, S.L., Маджестик (Фреш), предлагаемый компанией «Агросфера» (китайский производитель British Eco System Holding Inc.), Sea Line китайской компании Leili Agrochemistry Co., ЦТА Стимулянт-4 (CTA Stymulant-4) испанского производителя Químicas meristem, S.L., экстракт морских водорослей водит в состав удобрений линейки Спектрум британской компании Headland Agrochemicals Ltd., удобрение Смартгроу (SmartGrow) Альгум отечественной компании «Агрооптима», Wuxal Bio Аскофол немецкой компании Aglukon GmbH., Спидфол Марин компании SQM, удобрения линейки Райкат испанского производителя Atlantica Agricola и другие.

Повышение плодородия почв

Микроводоросли успешно используются для повышения плодородия почв, для пополнений запасов органического вещества, что способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур. В этих целях применяют зеленые (Ch. vulgaris, Scenedesmus obliquus, Scenedesmus acutus, Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus spinosa) и сине-зеленые микроводоросли (семейства Nostocaceae). Это широко используется при выращивании риса, где в чеках обитает большое количество сине-зеленых водорослей, среди которых много азотфиксаторов.

Эффективным оказывается альгализация почвы – внесение живых культур микроводорослей в почву, особенно в условиях орошаемого земледелия. Ее проводят до посева или при посеве вместе с семенами (например, с хлопчатником), либо водоросли вносят после посева, что особенно эффективно на рисовых полях.

Также водоросли служат индикаторами состояния почв, используются в качестве тест-объектов при определении потребности почвы в удобрениях, служат индикаторами при испытании различных пестицидов. За счет своей чувствительности к любым изменениям среды обитания, микроводоросли являются неотъемлемыми участниками почвенного мониторинга.

Утилизация органических отходов

Водоросли можно использовать с целью утилизации органических отходов. Эти проекты очень перспективные, поскольку водоросли потребляют нитраты, фосфаты и сокращают количество бактерий и токсинов в воде.

Наиболее перспективным считается использование водорослей для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности, рыбоводных хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик, боен. Водоросли для очистки сточных вод успешно применяют в США, Японии, Германии. Это позволяет с одной стороны очистить воду, с другой – получить биомассу, которая может быть использована в разных сферах.

Также возможно использование микроводорослей для фиторемедиции загрязненных нефтепродуктами и другими токсикантами водоемов и почв.

Продукты питания

Биомасса микроводорослей находит применение в качестве высокобелковых продуктов питания для животных и человека. Первые известия о возможности использования микроводорослей для производства пищевых продуктов относятся к XVI ст. В 1521 г. появилось сообщение о галетах, которые продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев микроводоросли спирулины. Современный анализ образцов спирулины показал, что она содержит до 70% белка, 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 4% нуклеиновых кислот.

Хлореллу широко используют как кормовую добавку при откорме сельскохозяйственных животных и птицы. Японцы пошли далее, и стали добавлять хлореллу в продукты, предназначенные для человека, в чем достигают успеха до сих пор, ежедневно изготовляя до 4 т сухой хлореллы только для приготовления молочного напитка. Только одна фирма «Джепан хлорелла» ежемесячно производит 1 тыс. т хлореллы для разных целей (добавки к напиткам, мороженное, хлеб, в кондитерские изделия и др.). На острове Тайвань ежемесячно получают около 1,5 тыс. т сухой массы хлореллы. Малайзия и Филиппины используют на пищевые потребности более 500 т этой водоросли. А в Чехии выпускают порошки, мази, спиртовые экстракты и свечи из хлореллы. На рынках многих развитых стран она занимает стойкую позицию.

Хлорелла содержит все незаменимые аминокислоты, макро- и микроэлементы, по богатству на витамины превосходит все растительные корма сельскохозяйственного производства. Кроме того, хлорелла синтезирует природный антибиотик, успешно уничтожающий патогенную микрофлору. В качестве кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве используют водоросли родов Chlorococcum, Spirogyra, Scenedesmus, Nostoc, Navicula, Nitzschia и др., оказывающие положительное влияние на животных.
Как свидетельствуют исследования Инситтута биологии южных морей им. О.О. Ковалевского, микроводоросли являются кормом для личинок мидий и устриц, что обусловливает поиск эффективных путей их размножения.

Производство пигментов

Одним из перспективных направлений использования микроводорослей является биосинтез ими пигментов, таких как хлорофиллы, каротины, ксантофиллы, фикобилипротеины. Примечательно, что полученные таким путем пигменты не токсичны. Зеленая водоросль Dunaliella salina признана наиболее перспективным источником каротина, содержание которого может достигать 10%.
Перспективным источником пигмента хлорофилла являются сине-зеленые водоросли, из которых в настоящее время культивируется спирулина. Ее хлорофиллы используют для окраски мыла, масел, жиров, алкогольных и безалкогольных напитков, одеколона, духов, в качестве дезодоранта. В Японии хлорофиллами окрашивают рыбные пасты и другие кулинарные изделия, в Европе – масла, жиры, ароматические эссенции. Другой пищевой краситель, фикоцианин, выделяют из сине-зеленой микроводоросли Phormidium.

Фармакология и медицина

Была доказана высокая эффективность применения микроводорослей при лечении и профилактике целого ряда заболеваний, связанных с нарушениями деятельности иммунной, эндокринной, пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной систем животных и человека. Заметный терапевтический эффект оказывает микроводоросль Spirulina, что определяется ее уникальным составом: биомасса спирулины содержит легко усваиваемый белок, свободные незаменимые аминокислоты, широкий спектр микроэлементов и минеральных солей, полиненасыщенные жирные кислоты, пигменты и пр. Препараты спирулины в виде мазей, спиртовых и масляных экстрактов, свечей и таблеток способствуют снижению холестерина в крови и риска ожирения, уменьшают нефротоксичность при воздействии тяжелых металлов и лекарств, значительно увеличивают популяции бифидобактерий в кишечнике, снижают содержание сахара в крови при диабете. В связи с проблемой йододефицита у населения Украины, разработан биотехнологический способы производства биомассы спирулины с высокой концентрацией йода – до 100 мкг в 1 г биомассы микроводоросли, большая часть йода входит в состав органических соединений, являющихся более устойчивыми, нежели минеральные.

Также микроводоросли рассматриваются как источник биологически активных веществ, характеризуются антиоксидантным действием, способны угнетать развитие раковых опухолевых клеток. Также микроводоросли рассматриваются как источники синтеза гормонов, алкалоидов, витаминов.

Технология выращивания микроводорослей

Микроводоросли можно выращивать в промышленных масштабах в фитобиореакторах, представляющих собой закрытые, управляемые, автоматизированные системы непрерывного цикла, что позволяет наименее затратным образом поддерживать гигиену культуры. За счет модульного дизайна оборудования обеспечивается экономия производственных площадей. Установка требует минимальных затрат труда и материалов во время эксплуатации и обслуживания.

Среди основных элементов технологии выращивания микроводорослей:

Обеспечение СО2: биомасса водорослей содержит около 50% углерода на сухую массу, который ассимилируется из углекислого газа. Для производства 100 т биомассы водорослей необходимо связать около 180 т СО2, который должен поступать непрерывно на протяжении светового дня. При открытом способе выращивания поглощение углекислого газа происходит из атмосферы. Для активного роста микроводорослей необходимо обогащение маточного раствора смесью воздуха и СО2 и удаление О2. Углекислых газ может быть получен из баллона с СО2, либо произведен из выхлопных газов дизельгенератора после их предварительного очищения.

Освещение: выращивание водорослей в водоемах не эффективно, поскольку в обычных водоемах поверхностные водоросли закрывают лучи солнца находящимся на глубине. Также возникают проблемы испарения воды и появление водорослей-сорняков. Поэтому сейчас установки предусматривают вертикальное размещение водорослей.

Элементы питания: как правило, готовят маточный раствор элементов питания, который добавляют в воду каждые 10 часов. Используют питательные среды Буррелли, Чу-13, Тамия, Болда и др.

Удаление кислорода.

Температура: большинство водорослей развивается в водоемах при температуре 35-40оС, с повышением температуры их количество резко падает.

Периодически культурная среда направляется на линию фильтрации, представляющую собой набор гидроциклонов, в которой происходит первичное отделение биомассы водорослей от жидкости. Фильтрат возвращается в маточную емкость для приготовления питательного раствора. Концентрат биомассы водорослей направляется в микроволновую сушку для досушивания и далее используется для различных производств.

Отечественные ученые также могут похвастаться своими достижениями в сфере разработки технологии производства и применения микроводорослей. Имеются достижения в сфере разработки технологий культивирования водорослей, а также технологии производства биодизеля из сырья. Существует коллекция культур водорослей IBASU-A (более 500 штаммов, 102 вида), специалисты-фикологи, которые разрабатывают вопросы практического изучения водорослей и способны обеспечить исследования в этой области, та также есть лаборатории, которые способны провести анализы сырья. Проблемой производства биодизеля из микроводорослей в Украине занимаются такие ученые, как Слободян Н.М., Шульгин С.И., Царенко П., Борисова О., Блюм Я. и ряд других.

Производством установок для товарного выращивания микроводорослей в Украине занимается Научно-производственная фирма «Промбиотехника». Установка представляет собой систему замкнутого водообеспечения, специфически настроенную на получение биомассы микроводоросли Spirulina platensis. Установка способна производить от 3 кг сухой биомассы за сутки.

infoindustria.com.ua