Хлорелла (Chlorella vulgaris) — это одноклеточная зелёная микроводоросль, относящаяся к роду Chlorella, которая широко используется в биотехнологии, аквакультуре, пищевой промышленности и даже в косметике. Её популярность обусловлена высоким содержанием белков (до 50-60% сухой массы), витаминов, минералов, антиоксидантов и полиненасыщенных жирных кислот. Культивирование хлореллы позволяет получать ценную биомассу, которая применяется как пищевая добавка, корм для животных или сырье для биотоплива. Однако успех выращивания зависит от понимания биологических стадий роста культуры и выбора оптимального момента для сбора урожая.
В этой статье мы подробно разберём фазы роста культуры хлореллы в контролируемых условиях (например, в биореакторах или открытых прудах), факторы, влияющие на эти фазы, и критерии для определения идеального времени сбора биомассы. Материал основан на научных исследованиях и практических рекомендациях, чтобы помочь специалистам в области биотехнологии оптимизировать производство.
Пройти обучение по выращиванию хлореллы и подобрать оборудование вы можете перейдя по ссылке!
Биологические стадии роста культуры хлореллы
Рост культуры микроводорослей, включая хлореллу, в лабораторных или промышленных условиях проходит через несколько характерных фаз. Эти фазы аналогичны кривой роста бактерий и других микроорганизмов, но адаптированы к фототрофным организмам, зависящим от света, CO₂ и питательных веществ. Обычно выделяют четыре-пять основных стадий: лаг-фаза, экспоненциальная (логарифмическая) фаза, стационарная фаза и фаза отмирания. Иногда добавляется фаза ускорения между лаг- и экспоненциальной.
1. Лаг-фаза (адаптационная фаза)
Это начальный этап, когда клетки хлореллы адаптируются к новым условиям среды. После инокуляции (введения стартовой культуры) в свежую питательную среду клетки не сразу начинают делиться. Вместо этого они синтезируют ферменты, накапливают энергию и адаптируются к уровню освещения, pH, температуре и концентрации питательных веществ (азот, фосфор, микроэлементы).
Продолжительность лаг-фазы варьируется от нескольких часов до 2-3 дней в зависимости от условий. Например, если исходная культура была в стационарной фазе, адаптация может занять больше времени. В этот период плотность клеток остаётся практически неизменной, но метаболическая активность высока. Исследования показывают, что оптимальная температура для хлореллы — 25-30°C, а pH 6.5-7.5, что ускоряет переход к следующей фазе. Если условия не оптимальны, лаг-фаза может затянуться, снижая общую продуктивность культуры.
2. Фаза ускорения (переходная)
Не всегда выделяется отдельно, но в некоторых моделях роста (особенно для водорослей) это промежуточный этап между лаг- и экспоненциальной фазами. Здесь клетки начинают делиться, но скорость роста ещё не максимальна. Длится от нескольких часов до суток. В этот период наблюдается постепенное увеличение биомассы, и клетки настраивают фотосинтетический аппарат для эффективного использования света.
3. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза
Это наиболее активный этап роста, когда клетки хлореллы делятся с максимальной скоростью. Число клеток удваивается экспоненциально, что приводит к быстрому накоплению биомассы. Продолжительность фазы — 3-7 дней в оптимальных условиях. Клетки здоровы, метаболизм интенсивен, и содержание полезных веществ (белки, липиды) достигает пика.
Факторы, влияющие на эту фазу: свет (интенсивность 2000-5000 люкс, фотопериод 12-16 часов света в сутки), CO₂ (0.5-2% в воздухе), питательные вещества (например, нитраты и фосфаты). В исследованиях отмечается, что в экспоненциальной фазе биомасса может увеличиваться в 2-4 раза за сутки. Если культура ведётся в фотореакторах, важно избегать переосвещения, чтобы предотвратить фотоингибицию.
Жизненный цикл отдельных клеток хлореллы в этой фазе включает раннюю фазу роста клетки, позднюю фазу роста, раннюю фазу деления и позднюю фазу деления, где материнская клетка делится на 2-16 дочерних. Это делает хлореллу высокоэффективной для массового культивирования.
4. Стационарная фаза
Когда питательные вещества истощаются или накапливаются токсины (например, от автолизиса), рост замедляется, и культура входит в стационарную фазу. Число новых клеток равно числу отмирающих, поэтому плотность биомассы стабилизируется. Длится 2-5 дней. В этот период клетки могут накапливать вторичные метаболиты, такие как каротиноиды или липиды, что полезно для определённых применений (например, производство биотоплива).
Однако качество биомассы может снижаться: клетки становятся менее активными, и содержание белка падает. Исследования показывают, что в стационарной фазе хлорелла лучше адаптируется к стрессам, но для пищевых целей предпочтительна более ранняя фаза.
5. Фаза отмирания (декадентная фаза)
Если культура не обновляется, клетки начинают массово отмирать из-за дефицита ресурсов, накопления отходов или инфекций. Биомасса уменьшается, и качество резко падает. Эта фаза нежелательна для производства, так как приводит к потерям.
В целом, кривая роста хлореллы описывается сигмоидной функцией, где экспоненциальная фаза — ключ к максимальной продуктивности. Факторы, такие как режим освещения, тип культивирования (автотрофный, миксотрофный или гетеротрофный) и состав среды, сильно влияют на длительность фаз. Например, в миксотрофном режиме (с добавлением органики) рост ускоряется.
Факторы, влияющие на стадии роста
- Свет и фотопериод: Хлорелла — фототроф, нуждается в свете для фотосинтеза. Оптимальный фотопериод — 16/8 часов свет/тьма.
- Питательные вещества: Азот для белков, фосфор для ДНК, микроэлементы (Fe, Mg). Дефицит азота ускоряет переход в стационарную фазу.
- Температура и pH: 25-30°C и pH 7-8 оптимальны.
- Аэрация и CO₂: Необходимы для предотвращения осаждения и обеспечения углерода.
- Режим культивирования: В открытых прудах рост медленнее из-за загрязнений, в закрытых реакторах — быстрее.
Исследования показывают, что оптимизация этих факторов может удвоить биомассу.
Оптимальный момент для сбора биомассы
Выбор времени сбора — критический аспект, определяющий качество биомассы. Оптимально собирать в конце экспоненциальной фазы или начале стационарной, когда плотность клеток максимальна (обычно 1-5 г/л сухой массы), но клетки ещё жизнеспособны и богаты питательными веществами.
- Конец экспоненциальной фазы: Биомасса высока, содержание белка и витаминов на пике. Это идеально для пищевых добавок. Время — 4-6 дней после инокуляции.
- Начало стационарной фазы: Подходит для производства липидов или каротиноидов, так как стресс стимулирует их накопление. Однако риск снижения качества.
Факторы для мониторинга: оптическая плотность (OD при 680 нм), сухая масса, pH (падение указывает на истощение). В непрерывных системах сбор проводят при 60% объёма каждые 2-3 дня для поддержания экспоненциальной фазы.
Методы сбора: центрифугирование, флокуляция (с использованием хитина или сульфатов), фильтрация. Эффективность флокуляции достигает 90% в 1-6 минут. Оптимальное время стирринга — 2 минуты.
В промышленных масштабах сбор в стационарной фазе экономит ресурсы, но для премиум-продуктов — раньше.
Заключение
Понимание биологических стадий роста хлореллы позволяет оптимизировать культивирование и сбор биомассы, повышая эффективность производства. Лаг- и экспоненциальные фазы — время подготовки и роста, стационарная — стабилизации, а отмирание — избегать. Оптимальный сбор в конце лог-фазы обеспечивает максимум качества и количества. Хлорелла — перспективный ресурс для устойчивого развития, от еды до экологии.
Получить более подробную информацию можно на сайте СпецСоюз!
E-mail: info@specsoyuz.ru
Телефон: +7(863)273-41-19