RU2849068C1 - Micractinium simplicissimum microalgae strain - producer of lutein and beta-carotene, capable of bioaccumulating carbon dioxide when cultivated in salt water - Google Patents
Micractinium simplicissimum microalgae strain - producer of lutein and beta-carotene, capable of bioaccumulating carbon dioxide when cultivated in salt waterInfo
- Publication number
- RU2849068C1 RU2849068C1 RU2025116217A RU2025116217A RU2849068C1 RU 2849068 C1 RU2849068 C1 RU 2849068C1 RU 2025116217 A RU2025116217 A RU 2025116217A RU 2025116217 A RU2025116217 A RU 2025116217A RU 2849068 C1 RU2849068 C1 RU 2849068C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microalgae
- strain
- carotene
- lutein
- ippas
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область примененияScope of application
Изобретение относится к фотобиотехнологии и представляет собой новый штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum, предназначенный для одновременного получения лютеина и β-каротина (провитамина А), способный к биоизъятию углекислоты при культивировании на солоноватых водах.The invention relates to photobiotechnology and represents a new strain of the microalgae Micractinium simplicissimum , designed for the simultaneous production of lutein and β-carotene (provitamin A), capable of bioremoval of carbon dioxide when cultivated in brackish water.
Уровень техникиState of the art
Культивирование микроводорослей не требует значительных затрат и может быть экономически эффективным, поскольку они обладают способностью к аутотрофному росту с использованием CO2 и солнечного света в качестве источника энергии для превращения их в биомассу, обогащенную ценными соединениями, путем фотосинтеза. При культивировании микроводорослей в малопригодных для сельского хозяйства прибрежных водно-болотных угодьях возможно получение ценного сырья для производств биоудобрений для сельского хозяйства, а также комбикормов для рыбной промышленности и животноводства, при увеличении потенциала поглощения углерода и проведении биоремедиации данных территорий.Microalgae cultivation is inexpensive and can be cost-effective, as they exhibit autotrophic growth, using CO2 and sunlight as an energy source to convert them into biomass enriched with valuable compounds through photosynthesis. Microalgae cultivation in coastal wetlands unsuitable for agriculture can yield valuable raw materials for the production of biofertilizers for agriculture, as well as feed for the fisheries and livestock industries, while increasing carbon sequestration potential and promoting bioremediation of these areas.
Микроводоросли, способные к росту и делению клеток в экстремальных условиях, т.е. при экстремальных значениях pH, температуры или солености, обладают определенными биотехнологическими преимуществами, например, накапливают защитные метаболиты, позволяющие им расти и развиваться в экстремальных условиях. Например, микроводоросли могут быть использованы как естественный источник β-каротина, лютеина и других каротиноидов. Количество видов микроводорослей, которые устойчиво производятся в промышленных масштабах, ограничено.Microalgae capable of growth and cell division under extreme conditions, such as extreme pH, temperature, or salinity, possess certain biotechnological advantages, such as accumulating protective metabolites that allow them to grow and thrive in extreme conditions. For example, microalgae can be used as a natural source of β-carotene, lutein, and other carotenoids. The number of microalgae species that can be sustainably produced on an industrial scale is limited.
Использование фотоавтотрофных микроорганизмов, а именно микроводорослей и цианобактерий, в качестве сырья для производства широкого спектра полезных биопродуктов получило широкое распространение в последние десятилетия. В настоящее время одним из наиболее перспективных способов биологической конверсии CO2 с попутным получением ряда биологически активных веществ, пигментов-антиоксидантов и сырья для производства биотоплива считается использование фотобиотехнологий, основанных на выращивании фотоавтотрофных микроорганизмов (цианобактерий и эукариотических микроводорослей). При этом успешное внедрение и экономическая эффективность данных фотобиотехнологий зависит от решения ряда вопросов из области фотофизиологии и биохимии микроводорослей [Melnicki M.R. et al. Feedback-controlled LED photobioreactor for photophysiological studies of cyanobacteria // Bioresource Technology, 2013, 134 (127-133); Masojidek J. et al. A two-stage solar photobioreactor for cultivation of microalgae based on solar concentrators // Journal of Applied Phycology, 2009, 21 (55-63)]. Актуальным является использование микроводорослей в различных фотобиотехнологиях как средства снижения риска для окружающей среды из-за повышения концентрации климатически активных (парниковых) газов (CO2) в атмосфере. Кроме того, использование микроводорослей позволяет обеспечить промышленность возобновляемым сырьем для получения экологически безопасного топлива, кормовых добавок, биоудобрений, а также ценных бидобавок. Использование микроводорослей обладает рядом ключевых преимуществ, таких как быстрый рост культур микроводорослей (фототрофные микроорганизмы намного (в несколько тысяч раз) превосходят высшие растения по эффективности накопления биомассы и биосинтеза липидов на единицу площади, занятой культурой), а также, возможность развертывания производств биомассы на площадях, непригодных для сельского хозяйства (непахотных землях). Это позволяет сохранять посевные площади для производства продуктов питания, дефицит которых отмечается во всем мире. Дополнительные преимущества использования микроводорослей включают в себя «CO2-нейтральность» топлива, полученного из биомассы микроводорослей - сжигание такого топлива не приводит к повышению общей концентрации CO2 в атмосфере, а также возможность производства биологически и фармакологически активных соединений, в т.ч. обладающих антиоксидантной, противовоспалительной и противоопухолевой активностью (арахидоновой кислоты, астаксантина, лютеина, β-каротина и др.)The use of photoautotrophic microorganisms, namely microalgae and cyanobacteria, as raw materials for the production of a wide range of useful bioproducts has become widespread in recent decades. Currently, one of the most promising methods of biological conversion of CO 2 with the concomitant production of a number of biologically active substances, antioxidant pigments and raw materials for biofuel production is considered to be the use of photobiotechnologies based on the cultivation of photoautotrophic microorganisms (cyanobacteria and eukaryotic microalgae). At the same time, the successful implementation and economic efficiency of these photobiotechnologies depend on the solution of a number of issues in the field of photophysiology and biochemistry of microalgae [Melnicki MR et al. Feedback-controlled LED photobioreactor for photophysiological studies of cyanobacteria // Bioresource Technology, 2013, 134 (127-133); Masojidek J. et al. A two-stage solar photobioreactor for the cultivation of microalgae based on solar concentrators // Journal of Applied Phycology, 2009, 21 (55-63)]. The use of microalgae in various photobiotechnologies is relevant as a means of reducing the risk to the environment due to the increasing concentration of climate-active (greenhouse) gases (CO 2 ) in the atmosphere. In addition, the use of microalgae allows providing the industry with renewable raw materials for the production of environmentally friendly fuel, feed additives, biofertilizers, and valuable dietary supplements. The use of microalgae has a number of key advantages, such as the rapid growth of microalgae cultures (phototrophic microorganisms are significantly (several thousand times) superior to higher plants in the efficiency of biomass accumulation and lipid biosynthesis per unit area occupied by the culture), as well as the possibility of deploying biomass production on areas unsuitable for agriculture (non-arable lands). This allows for the conservation of cultivated land for food production, which is in short supply worldwide. Additional advantages of using microalgae include the " CO2 -neutrality" of fuel produced from microalgae biomass—burning such fuel does not increase the overall CO2 concentration in the atmosphere—as well as the ability to produce biologically and pharmacologically active compounds, including those with antioxidant, anti-inflammatory, and antitumor activity (arachidonic acid, astaxanthin, lutein, β-carotene, etc.).
Известны разнообразные штаммы микроводорослей, способные продуцировать каротиноиды в различных условиях культивирования. Например, известен штамм микроводоросли Haematococcus pluvialis ВМ1 (патент RU 2573944), депонированный в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) с присвоенным идентификатором IPPAS Н-2018, предназначенный для получения натурального астаксантина, способный к высокому уровню накопления астаксантина и обеспечивающий высокую продуктивность при выращивании на среде с содержанием хлорида натрия на уровне солоноватых вод. Штамм Haematococcus pluvialis ВМ1 демонстрирует интенсивный рост культуры при повышенной солености среды до 25-27 ‰, накопление астаксантина в культуре составляет 3-6 % от веса сухой биомассы микроводоросли, то есть выход полезного продукта составляет 30-60 мг⋅г-1 биомассы в сутки при накоплении биомассы 100-300 мг с.в. л-1 в сутки. Кроме этого, известен штамм зеленой микроводоросли Dunaliella salina Teod. IPPAS В-2026 (патент RU 2788527), сохраняющий стабильно высокую скорость роста в культиваторах открытого типа при промышленном культивировании в естественно изменяющихся температурных и световых условиях, сохраняющему коммерчески значимую продуктивность культуры по биомассе (7 г с.в. ⋅м-2⋅сут-1) и демонстрирующему содержание каротиноидов к окончанию «зеленой» стадии выращивания не менее 700-750 мг⋅м-2. Описан штамм микроводоросли Bracteacoccus aggregatus (syn. cohaerens) IPPAS C-2045 (патент RU 2710131) который демонстрирует высокую способность к одновременному накоплению астаксантина и провитамина А (β-каротина). Накопление астаксантина и β-каротина составляет 55-60 масс. % и 35-40 масс. %, соответственно, от суммы каротиноидов; сумма каротиноидов составляет 2,4-2,6 % веса сухой биомассы, при этом, данный штамм сохраняет высокую продуктивность (100-200 мг сухой биомассы и 3,6-3,8 мг каротиноидов в сутки с 1 л культуры) и способность к одновременному биоизъятию фосфатов из среды со скоростью 2,3-2,6 мг⋅л-1⋅сут-1. Также известен штамм микроводоросли Coelastrella sp. K1 (патент RU 2703420), который демонстрирует высокую способность к одновременному накоплению астаксантина и β-каротина, составляющему 45-50 масс. % и 45-50 масс. %, соответственно (от суммы каротиноидов, сумма каротиноидов составляет 1,3-1,7 % веса сухой биомассы), а также сохраняет высокую продуктивность (100-200 мг сухой биомассы и 2,1-2,3 мг каротиноидов в сутки с 1 л культуры) и способность к биоизъятию фосфатов из среды со скоростью 2,3-2,6 мг⋅л-1⋅сут-1. Описан штамм цианобактерии Synechococcus sp. IPPAS В-2053 (патент RU 2752609), который обладает высоким уровнем накопления микоспорин-подобных аминокислот 3,7-3,9 мас.% и сохраняющий высокую продуктивность при выращивании. Известна солетолерантная микроводоросль Dunaliella bardawil Masazir CCAP 19/38 (патент EA017565B1), предназначенная для получения и переработки биомассы в качестве добавки в корма для птицеводства, животноводства, рыбоводства и шелководства, которая также может быть использована в фармакологии и косметологии. D. bardawil Masazir - уникальный микроорганизм, способный в условиях экстремально высоких концентраций солей (NaCl) в водоеме синтезировать ряд полезных соединений, таких как β-каротин (провитамин А), глицерин, ненасыщенные жирные кислоты. В определенных условиях этот штамм способен к гиперсинтезу β-каротина, его содержание может достигать 9 % от веса сухой биомассы микроводоросли. Также, известна устойчивая к повышенной солености среды, высоким температурам и сильному свету микроводоросль Chlorella aromata MEM-A25 (патент CN107541466A) - продуцент ароматических соединений, таких как бензотиазолы и пр., также способная синтезировать нейтральные липиды, ненасыщенные жирные кислоты, стерины, пигменты, белки, полисахариды и т. д. Штамм получен из соленой рапы солено-щелочных районов Хайнаня, Китай. Штамм был сохранен в Китайском центре коллекции типовых культур 10 января 2017 года под идентификатором CCTCC NO: M2016793.Various strains of microalgae are known to produce carotenoids under various cultivation conditions. For example, a strain of microalgae is knownHaematococcus pluvialisVM1 (patent RU 2573944), deposited in the Russian Collection of Microalgae at the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS) with the assigned IPPAS identifier H-2018, is intended for the production of natural astaxanthin, capable of high levels of astaxanthin accumulation and providing high productivity when grown in a medium containing sodium chloride at the level of brackish water. StrainHaematococcus pluvialisVM1 demonstrates intensive growth of the culture at increased salinity of the environment up to 25-27 ‰, the accumulation of astaxanthin in the culture is 3-6% of the dry biomass weight of the microalgae, that is, the yield of the useful product is 30-60 mg⋅g-1biomass per day with the accumulation of biomass of 100-300 mg d.v. l-1per day. In addition, a strain of green microalgae is knownDunaliella salinaTeod. IPPAS B-2026 (patent RU 2788527), maintaining a consistently high growth rate in open-type cultivators during industrial cultivation under naturally changing temperature and light conditions, maintaining commercially significant crop productivity in terms of biomass (7 g d.v. ⋅m-2⋅day-1) and demonstrating a carotenoid content of at least 700-750 mg⋅m by the end of the “green” stage of cultivation-2A strain of microalgae has been described.Bracteacoccus aggregatus(syn.cohaerens) IPPAS C-2045 (patent RU 2710131) which demonstrates a high capacity for the simultaneous accumulation of astaxanthin and provitamin A (β-carotene). The accumulation of astaxanthin and β-carotene is 55-60 wt. % and 35-40 wt. %, respectively, of the total carotenoids; the total carotenoids are 2.4-2.6% of the dry biomass weight, while this strain maintains high productivity (100-200 mg of dry biomass and 3.6-3.8 mg of carotenoids per day from 1 l of culture) and the capacity for the simultaneous bioremoval of phosphates from the medium at a rate of 2.3-2.6 mg⋅l-1⋅day-1. Also known is a strain of microalgaeCoelastrellasp. K1 (patent RU 2703420), which demonstrates a high capacity for the simultaneous accumulation of astaxanthin and β-carotene, amounting to 45-50 wt. % and 45-50 wt. %, respectively (from the total carotenoids, the total carotenoids constitute 1.3-1.7% of the dry biomass weight), and also maintains high productivity (100-200 mg of dry biomass and 2.1-2.3 mg of carotenoids per day from 1 l of culture) and the ability to bioremove phosphates from the medium at a rate of 2.3-2.6 mg⋅l-1⋅day-1A strain of cyanobacteria has been described.Synechococcussp. IPPAS B-2053 (patent RU 2752609), which has a high accumulation level of mycosporine-like amino acids (3.7-3.9 wt%) and maintains high productivity during cultivation. A salt-tolerant microalgae is knownDunaliella bardawilMasazir CCAP 19/38 (patent EA017565B1), designed for the production and processing of biomass as an additive to feed for poultry, livestock, fish and sericulture, which can also be used in pharmacology and cosmetology.D. bardawilMasazir is a unique microorganism capable of synthesizing a number of beneficial compounds, such as β-carotene (provitamin A), glycerol, and unsaturated fatty acids, in water bodies with extremely high salt (NaCl) concentrations. Under certain conditions, this strain is capable of hypersynthesizing β-carotene, with its content reaching 9% of the microalgae's dry biomass weight. The microalgae is also known to be tolerant to high salinity, high temperatures, and strong light.Chlorella aromataMEM-A25 (patent CN107541466A) is a producer of aromatic compounds such as benzothiazoles and others, and is also capable of synthesizing neutral lipids, unsaturated fatty acids, sterols, pigments, proteins, polysaccharides, and other substances. The strain was isolated from brine from the saline-alkaline regions of Hainan, China. It was archived at the China Center for Type Culture Collection on January 10, 2017, under the identifier CCTCC NO: M2016793.
Несмотря на большое разнообразие микроводорослей, способных продуцировать каротиноиды, все они обладают разной продуктивностью в различных условиях культивирования. Кроме того, не все штаммы способны сохранять продуктивность при выращивании на солоноватых средах и при этом эффективно поглощать CO2 из среды со скоростью, подходящей для применения в промышленных условиях. В связи с этим поиск новых перспективных штаммов, способных к продукции каротиноидов в неблагоприятных условиях (таких как повышенный уровень хлоридной солености до 13-16‰), является актуальной задачей.Despite the wide diversity of microalgae capable of producing carotenoids, they exhibit varying productivity under different cultivation conditions. Furthermore, not all strains are capable of maintaining productivity when grown in brackish environments and effectively absorbing CO2 from the medium at a rate suitable for industrial use. Therefore, the search for new promising strains capable of producing carotenoids under unfavorable conditions (such as elevated chloride salinity levels of 13-16‰) is a pressing issue.
Наиболее близким к заявленному изобретению является штамм микроводоросли Desmodesmus subspicartus Dia 5 (патент RU 2835138), депонированный в Коллекции микроводорослей Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН под номером IPPAS C-2072 - продуцент каротиноидов, особенно лютеина и бета-каротина. Штамм обладает способностью накопления высокого уровня одновременно лютеина и β-каротина, при этом биомасса штамма обладает хорошими органолептическими свойствами. Штамм нетребователен к условиям культивирования, в том числе не требует высокой концентрации NaCl в среде культивирования. Известный штамм микроводорослей Desmodesmus subspicartus Dia 5 обладает высоким уровнем накопления смеси натуральных каротиноидов (порядка 4.5 мг на г сухой биомассы), главным образом лютеина (порядка 64 %) и β-каротина (более 50% на стадии роста, с уменьшением до 22% на стадии плато), однако обладает малой продуктивностью по суммарным каротиноидам, а также незначительной скоростью биоизъятия углерода. Кроме этого, известный штамм не способен сохранять уровень накопления смеси натуральных каротиноидов - лютеина и β-каротина, при культивировании на солоноватых водах.The closest strain to the claimed invention is the microalgae strain Desmodesmus subspicartus Dia 5 (patent RU 2835138), deposited in the Microalgae Collection of the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences under IPPAS C-2072. It produces carotenoids, particularly lutein and beta-carotene. This strain has the ability to accumulate high levels of both lutein and beta-carotene, while its biomass has good organoleptic properties. The strain is undemanding regarding cultivation conditions, including a low NaCl concentration in the culture medium. The well-known microalgae strain Desmodesmus subspicartus Dia 5 exhibits high levels of accumulation of a mixture of natural carotenoids (approximately 4.5 mg per g of dry biomass), primarily lutein (approximately 64%) and β-carotene (more than 50% at the growth stage, decreasing to 22% at the plateau stage). However, it exhibits low productivity of total carotenoids and a low rate of carbon bioremoval. Furthermore, this strain is unable to maintain its accumulation of the natural carotenoid mixture—lutein and β-carotene—when cultivated in brackish water.
Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является получение штамма микроводоросли, устраняющего недостатки известных аналогов.The technical problem solved by the claimed invention is the production of a microalgae strain that eliminates the shortcomings of known analogues.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом изобретения является получение нового штамма микроводоросли с продуктивностью по биомассе 0,35-0,37 г с.в. ⋅л-1⋅сут-1, высоким уровнем накопления каротиноидов (13,3-13,7 мг⋅г-1), в особенности лютеина (63-65масс.%) и β-каротина (20-24масс. %), и способного к поглощению СО2 с высокой скоростью из среды выращивания, характеризующегося биоизъятием углекислоты со скоростью 0,30-0,32 л ⋅л-1⋅сут-1, и способного сохранять эти показатели при солености среды культивирования в широком интервале значений до 18 ‰.The technical result of the invention is the production of a new strain of microalgae with a biomass productivity of 0.35-0.37 g dry matter ⋅L -1 ⋅day -1 , a high level of accumulation of carotenoids (13.3-13.7 mg⋅g -1 ), in particular lutein (63-65 wt.%) and β-carotene (20-24 wt.%), and capable of absorbing CO 2 at a high rate from the growing medium, characterized by the bioremoval of carbon dioxide at a rate of 0.30-0.32 L ⋅L -1 ⋅day -1 , and capable of maintaining these indicators at a salinity of the cultivation medium in a wide range of values up to 18 ‰.
При большей солености среды культивирования (до 24 ‰) также возможен рост нового штамма микроводоросли с меньшими значениями продуктивности.At higher salinity of the cultivation environment (up to 24 ‰), the growth of a new strain of microalgae with lower productivity values is also possible.
Технический результат достигается получением штамма микроводоросли Micractinium simplicissimum NAMSU-МS2022, выделенного из природного образца морской воды с шельфовой зоны Карского моря и депонированного в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) с присвоенным идентификатором IPPAS С-2082. Полученный штамм микроводоросли способен к высокому уровню одновременного накопления смеси лютеина и β-каротина, обеспечивает высокую продуктивность при выращивании, обладает способностью к значительному поглощению СО2 из среды выращивания и сохраняет эти показатели при солености среды не менее 16 ‰.The technical result is achieved by obtaining the microalgae strain Micractinium simplicissimum NAMSU-MS2022, isolated from a natural seawater sample from the shelf zone of the Kara Sea and deposited in the Russian Collection of Microalgae at the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS) with the assigned IPPAS identifier C-2082. The resulting microalgae strain is capable of high levels of simultaneous accumulation of a mixture of lutein and β-carotene, ensures high productivity during cultivation, exhibits the ability to significantly absorb CO2 from the cultivation medium, and maintains these indicators at a salinity of at least 16‰.
В частности, полученный штамм характеризуется высокой способностью к одновременному накоплению лютеина и β-каротина (62-64 масс.% и 23-25 масс.%, соответственно от суммы каротиноидов), при этом сумма каротиноидов оценивается в не менее чем 13,5 мг⋅г-1 веса сухой биомассы, культура обладает высокой продуктивностью по накоплению биомассы (не менее 0,35-0,37 гл-1⋅сут-1), способностью к биоизъятию углекислоты ⋅со скоростью 0,30-0,32 л⋅л-1⋅сут-1, а также данный штамм способен сохранять показатели продуктивности при солености среды 15-18 ‰.In particular, the obtained strain is characterized by a high ability to simultaneously accumulate lutein and β-carotene (62-64 wt.% and 23-25 wt.%, respectively, of the total carotenoids), while the total carotenoids are estimated at no less than 13.5 mg⋅g -1 of dry biomass weight, the culture has high productivity in biomass accumulation (no less than 0.35-0.37 gl -1 ⋅day -1 ), the ability to bioremove carbon dioxide at a rate of 0.30-0.32 l⋅l -1 ⋅day -1 , and this strain is also able to maintain productivity indicators at a salinity of the environment of 15-18 ‰.
Для сохранения жизнедеятельности штамма используют питательную среду BG-11 [Stanier, R., et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales). Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1971, 35(2): 171-205], отверждаемую путем добавления к ней 1,5 агар-агара. Клетки высевают на твердую среду методом истощающего штриха на чашки Петри и инкубируют при постоянном освещении с интенсивностью 50-80 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1 с помощью светодиодов (цветовая температура света - 4700 К) на севетостеллажах при температуре 23-25 °С.To maintain the viability of the strain, BG-11 nutrient medium [Stanier, R., et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales). Microbiology and Molecular Biology Reviews . 1971, 35(2): 171-205] is used, solidified by adding 1.5 agar-agar to it. Cells are seeded on the solid medium using the exhaustive streak method on Petri dishes and incubated under constant illumination with an intensity of 50-80 μmol quanta⋅m -2 ⋅s -1 using LEDs (color temperature of light - 4700 K) on light racks at a temperature of 23-25 °C.
Для культивирования штамма используют питательную среду BG-11. Инокулят вносят в среду до конечной концентрации хлорофилла 5-7 мкг⋅мл-1 культивирование проводят в фотобиореакторе при постоянном освещении с интенсивностью 80-100 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1 с помощью светодиодов (цветовая температура света - 4700 К), при температуре 23-25°С и барботировании среды газо-воздушной смесью с содержанием СО2 1,6-2,4 % со скоростью 0,4-0,6 л·мин-1. Значение рН среды в начале культивирования - 7,0-7,4, в конце культивирования (12 сут.) - 7,8-8,2. Для обеспечения максимальной продуктивности с достижением технического результата культуру водоросли Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 предпочтительно выращивают при повышенной освещенности 210-230 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1 в присутствии солей морской воды в среде культивирования (соленость среды 15-18 ‰). Продолжительность культивирования - не менее 12 сут. при температуре 23-25°С и изменении плотности культуры 0,3 до 1,5 г с.в./л. For culturing the strain, BG-11 nutrient medium is used. The inoculum is added to the medium to a final chlorophyll concentration of 5-7 μg⋅ml -1. Cultivation is carried out in a photobioreactor under constant illumination with an intensity of 80-100 μmol quanta⋅m -2 ⋅s -1 using LEDs (light color temperature - 4700 K), at a temperature of 23-25 °C and bubbling the medium with a gas-air mixture containing 1.6-2.4% CO 2 at a rate of 0.4-0.6 l min -1 . The pH of the medium at the beginning of cultivation is 7.0-7.4, at the end of cultivation (12 days) - 7.8-8.2. To ensure maximum productivity and achieve technical results, the Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 algae culture is preferably grown under elevated illumination of 210-230 μmol quanta m-2 s -1 in the presence of seawater salts in the cultivation medium (salinity of the medium 15-18 ‰). The cultivation duration is at least 12 days at a temperature of 23-25°C and a culture density change of 0.3 to 1.5 g dry matter/L .
В результате получают в сутки 0,35-0,37 г⋅л-1⋅сут-1 биомассы (по сухому весу), сумма каротиноидов составляет 13,3-13,7 мг⋅г-1 веса сухой биомассы, в которых доля лютеина 62-64 масс.% и β-каротина 23-25 масс.%, при этом скорость поглощения углекислоты составляет 0,30-0,32 л⋅л-1⋅сут-1. As a result, 0.35-0.37 g⋅l -1 ⋅day -1 of biomass (by dry weight) is obtained per day, the sum of carotenoids is 13.3-13.7 mg⋅g -1 of dry biomass weight, in which the proportion of lutein is 62-64 wt.% and β-carotene 23-25 wt.%, while the rate of carbon dioxide absorption is 0.30-0.32 l⋅l -1 ⋅day -1 .
Заявленный штамм микроводоросли по сравнению с ближайшим аналогом обладает большей продуктивностью по суммарным каротиноидам, а также характеризуется значительно большей скоростью биоизъятия углерода. Кроме этого, заявленный штамм способен сохранять свои характеристики на том же уровне при культивировании на солоноватых водах. К ключевым преимуществам данного штамма относится возможность его использования для промышленного культивирования с целью биоизъятия парниковых (климатически активных) газов - углекислоты - в приморских и засушливых регионах, в которых легко доступны солоноватые воды, но пресная вода находится в дефиците.Compared to its closest analogue, the proposed microalgae strain exhibits higher productivity in total carotenoids and is characterized by a significantly higher rate of carbon bioremoval. Furthermore, the proposed strain can maintain its performance characteristics at the same level when cultivated in brackish water. Key advantages of this strain include its potential for industrial cultivation for the bioremoval of greenhouse gases (climate-sensitive gases)—carbon dioxide—in coastal and arid regions where brackish water is readily available but fresh water is scarce.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На Фиг. 1 представлены клетки микроводорослей Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 в условиях вегетативного культивирования - светлопольная микроскопия.Fig. 1 shows cells of microalgae Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 under vegetative cultivation conditions - bright-field microscopy.
На Фиг. 2 показана ультраструктура клетки микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 - электронная микроскопия.Fig. 2 shows the ultrastructure of the cell of the microalga Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 - electron microscopy.
На Фиг. 3 представлен график накопления сухой биомассы Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 при культивировании на среде BG-11 с 1,5-2 ‰ NaCl.Fig. 3 shows a graph of the accumulation of dry biomass of Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 when cultivated on BG-11 medium with 1.5-2 ‰ NaCl.
На Фиг. 4 представлен график накопления сухой биомассы Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 при культивировании на среде BG-11 с 15-18 ‰ NaCl.Fig. 4 shows a graph of the accumulation of dry biomass of Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 during cultivation on BG-11 medium with 15-18 ‰ NaCl.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum NAMSU-МS2022 выделен из шельфа Карского моря из природного образца морской воды и депонирован в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) с присвоением идентификатора IPPAS С-2082. Отселектирован в результате скрининга по способности к росту на среде с содержанием минеральных солей из морской воды и накоплению каротиноидов (смеси лютеина и β-каротина).The microalgae strain Micractinium simplicissimum NAMSU-MS2022 was isolated from a natural seawater sample on the Kara Sea shelf and deposited in the Russian Microalgae Collection at the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS) with the assigned IPPAS identifier C-2082. It was selected through screening for its ability to grow on a medium containing mineral salts from seawater and to accumulate carotenoids (a mixture of lutein and β-carotene).
Способ выделения: из накопительной культуры, полученной путем инкубации исходной пробы воды на среде BG-11, с последующим рассевом полученного штамма на минеральной среде BG-11 с добавлением 1 г/л антибиотика ампициллина и пересевами клеток из одиночных колоний с разведением на твердую среду BG-11 (содержащей 1,5 % агара).Isolation method: from an enrichment culture obtained by incubating the original water sample on BG-11 medium, followed by plating the resulting strain on BG-11 mineral medium with the addition of 1 g/l of the antibiotic ampicillin and subculture of cells from single colonies with dilution on solid BG-11 medium (containing 1.5% agar).
Морфологические признаки.Morphological features.
Характер роста на среде хранения: гомогенный, на поздних стадиях возможна агрегация.Growth pattern on storage medium: homogeneous, aggregation is possible at later stages.
Цитологическое описание.Cytological description.
Форма клеток, размер: штамм Micractinium simplicissimum IPPAS С-2082 представлен неподвижными одиночными сферическими коккоидными клетками (4-6 мкм диаметром).Cell shape, size: Micractinium simplicissimum strain IPPAS C-2082 is represented by immobile single spherical coccoid cells (4-6 µm in diameter).
Клеточная стенка без особенностей, поверхностный слой войлочный.The cell wall is unremarkable, the surface layer is felt-like.
Пластидом вегетативных клеток представлен одним крупным двулопастным хлоропластом (Хл), окружённым двумя мембранами и имеющим хорошо развитую систему тилакоидов в строме.The plastidome of vegetative cells is represented by one large bilobed chloroplast (Chl), surrounded by two membranes and having a well-developed thylakoid system in the stroma.
Пиреноид один, крупный двускорлупчатый. Запасные включения представлены в основном крахмальными зернами (КЗ), которые откладываются, как правило, вокруг пиреноида в виде не изолирующей фрагментированной крахмальной обкладки, а также в виде межтилакоидных зерен, расположенных диффузно в строме.The pyrenoid is single, large, and two-shelled. The reserve inclusions are primarily starch grains (SG), which are typically deposited around the pyrenoid as a non-insulating, fragmented starch sheath, as well as as interthylakoid grains located diffusely within the stroma.
Ядро одно, крупное, центральное. Одно ядрышко.The nucleus is single, large, central. One nucleolus.
Размножение: вегетативное (митотическое деление с образованием двух дочерних клеток); бесполое: автоспорангиями с 16-32 полностью сформированными дочерними вегетативными клетками (автоспорами). Жгутиковых форм не обнаружено.Reproduction: vegetative (mitotic division with the formation of two daughter cells); asexual: autosporangia with 16-32 fully formed daughter vegetative cells (autospores). Flagellates have not been found.
Физиологические свойства штамма.Physiological properties of the strain.
Оптимальные условия культивирования:Optimal cultivation conditions:
Для культивирования используют жидкую питательную среду BG-11 [Stanier, R. et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales). Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1971, 35(2): 171-205], готовится из стоковых растворов; все компоненты можно автоклавировать.For cultivation, use liquid nutrient medium BG-11 [Stanier, R. et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales ). Microbiology and Molecular Biology Reviews . 1971, 35(2): 171-205], prepared from stock solutions; all components are autoclavable.
Среда BG-11 следующего состава:Medium BG-11 of the following composition:
K2HPO4 - 0,04 г/л, NaNO3 - 0,3 г/л, MgSO4⋅7H2О - 0,075 г/л,K 2 HPO 4 - 0.04 g/l, NaNO 3 - 0.3 g/l, MgSO 4 ⋅7H 2 O - 0.075 g/l,
CaCl2⋅2H2О - 0,036 г/л, лимонная кислота - 0,006 г/л,CaCl 2 ⋅2H 2 O - 0.036 g/l, citric acid - 0.006 g/l,
FeSO4⋅7H2О - 0,006 г/л, Na2CO3 - 0,2 г/л, ЭДТА - 0,001 г/л,FeSO 4 ⋅7H 2 O - 0.006 g/l, Na 2 CO 3 - 0.2 g/l, EDTA - 0.001 g/l,
раствор FeSO4⋅7H2О (7,45 г/л) + ЭДТА (5,57 г/л) - 1 мл/л,solution of FeSO 4 ⋅7H 2 O (7.45 g/l) + EDTA (5.57 g/l) - 1 ml/l,
раствор микроэлементов (H3BO3 - 2,86 г/л, MnCl2⋅4H2О - 1,86 г/л, ZnSO4⋅7H2О - 0,22 г/л, CuSO4⋅5H2О - 0,08 г/л, Na2MoO4⋅7H2О - 0,39 г/л, Co(NO3)2⋅6H2О - 0,05 г/л) - 1 мл/л,microelement solution (H 3 BO 3 - 2.86 g/l, MnCl 2 ⋅4H 2 O - 1.86 g/l, ZnSO 4 ⋅7H 2 O - 0.22 g/l, CuSO 4 ⋅5H 2 O - 0.08 g/l, Na 2 MoO 4 ⋅7H 2 O - 0.39 g/l, Co(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O - 0.05 g/l) - 1 ml/l,
pH в начале культивирования - 7,0-7,4pH at the beginning of cultivation is 7.0-7.4
pH в конце культивирования (через 12 сут.) - 7,8-8,2pH at the end of cultivation (after 12 days) - 7.8-8.2
содержание СО2 в газо-воздушной смеси (ГВС) - 1,6-2,4 %, скорость барботажа 0,4-0,6 л⋅мин-1 CO2 content in the gas-air mixture (GAM) - 1.6-2.4%, bubbling rate 0.4-0.6 l⋅min -1
температура 23-25°Сtemperature 23-25°C
освещение круглосуточное, освещённость 80 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1 24-hour lighting, illumination 80 μmol quanta⋅m -2 ⋅s -1
тип ламп: светодиодные, 4700 Кlamp type: LED, 4700 K
плотность культуры - 0,3-1,5 г с.в./лculture density - 0.3-1.5 g dry matter/l
Биотехнологическая характеристика штамма.Biotechnological characteristics of the strain.
Штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum NAMSU-МS2022, депонированный в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) с присвоенным идентификатором IPPAS С-2082, продуцент смеси натурального лютеина и β-каротина (провитамина А) в соотношении 62-64 масс.% и 23-25 масс.% от суммы каротиноидов соответственно, сумма каротиноидов составляет 13,3-13,7 мг⋅г-1 веса сухой биомассы, при продуктивности по сумме каротиноидов 4,8-5,0 мг в сутки с 1 л культуры, способный к биоизъятию углекислоты из среды со скоростью 0,30-0,32 л⋅л-1⋅сут-1.The microalgae strain Micractinium simplicissimum NAMSU-MS2022, deposited in the Russian Collection of Microalgae at the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS) with the assigned IPPAS identifier C-2082, produces a mixture of natural lutein and β-carotene (provitamin A) in a ratio of 62-64 wt.% and 23-25 wt.% of the total carotenoids, respectively, the total carotenoids being 13.3-13.7 mg⋅g -1 of dry biomass weight, with a productivity of 4.8-5.0 mg per day from 1 l of culture for the total carotenoids, capable of bioremoving carbon dioxide from the environment at a rate of 0.30-0.32 l⋅l -1 ⋅day -1 .
Условия культивирования, обеспечивающие максимальный уровень (выход) полезного свойства (продукта): присутствие солей морской воды в среде культивирования (соленость среды 15-18 ‰), освещение 210-230 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1.Cultivation conditions that ensure the maximum level (yield) of the useful property (product): the presence of seawater salts in the cultivation medium (salinity of the medium 15-18 ‰), illumination 210-230 μmol quanta⋅m -2 ⋅s -1 .
Продуктивность в оптимальных условиях культивирования по накоплению биомассы (вес сухой биомассы, г⋅л-1⋅сут-1): 0,35-0,37.Productivity under optimal cultivation conditions for biomass accumulation (dry biomass weight, g⋅l -1 ⋅day -1 ): 0.35-0.37.
Выход полезного продукта: продуктивность по каротиноидам 4,8-5,0 мг в сутки с 1 л культуры, одновременное накопление лютеина и β-каротина (62-64 масс.% и 23-25 масс.%, соответственно от суммы каротиноидов).Yield of useful product: productivity of carotenoids 4.8-5.0 mg per day from 1 liter of culture, simultaneous accumulation of lutein and β-carotene (62-64 wt.% and 23-25 wt.%, respectively, of the total carotenoids).
Генотипирование.Genotyping.
Выделение ДНК.DNA extraction.
Для выделения ДНК отбирают 5-10 мг биомассы культуры микроводоросли. Выделение ДНК проводят методом фенол-хлороформной экстракции. Перед выделением проводят трехкратное замораживание образцов при -4°С с последующим оттаиванием. Это необходимо для разрушения прочных клеточных стенок водорослей. Образцы инкубируют в течение часа в 300 мкл TE буфера (10 mM Tris-Cl (pH 7.5), 1 mM EDTA), содержащего 10 мг · мл-1 лизоцима при 37°С. Затем добавляют 2% додецилсульфата натрия и инкубируют в течение часа при 40°С и интенсивном перемешивании. Далее добавляют 1 М NaCl и оставляют на ночь на льду для высаливания белков. После чего проводят процедуру фенол-хлороформной экстракции. Чистоту образцов ДНК оценивают методом электрофореза в 1,5% агарозном геле. Полученные образцы ДНК хранят в ТЕ-буфере при -4°С. Далее секвенируют фрагмент кластера рибосомальных генов ITS1-5.8S rRNA-ITS и гена, кодирующего большую субъединицу фермента РуБисКО (rbcL).For DNA extraction, 5-10 mg of microalgae culture biomass is collected. DNA extraction is performed using phenol-chloroform extraction. Before extraction, the samples are frozen three times at -4°C and then thawed. This is necessary to destroy the strong cell walls of the algae. The samples are incubated for 1 hour in 300 μl TE buffer (10 mM Tris-Cl (pH 7.5), 1 mM EDTA) containing 10 mg ml -1 lysozyme at 37°C. Then 2% sodium dodecyl sulfate is added and the sample is incubated for 1 hour at 40°C with vigorous stirring. Next, 1 M NaCl is added and the sample is left on ice overnight to salt out the proteins. This is followed by phenol-chloroform extraction. The purity of the DNA samples is assessed by electrophoresis in a 1.5% agarose gel. The resulting DNA samples are stored in TE buffer at -4°C. A fragment of the ITS1-5.8S rRNA-ITS ribosomal gene cluster and the gene encoding the large subunit of the RubisCO enzyme ( rbcL ) are then sequenced.
В результате проведенного филогенетического анализа полученных последовательностей, выполненного по ранее описанной методике [Characterization of a new halotolerant artic strain of a carotenogenic microalga Halochlorella rubescens NAMSU sbb-20 / A. Zaytseva, D. Bakhareva, P. Zaytsev, E. Lobakova // Russian Journal of Plant Physiology. - 2023. - Vol. 70, no. 3.], установлена видовая принадлежность исследуемого изолята. Изолят идентифицирован как Micractinium simplicissimum и получил идентификатор NAMSU-МS2022; после депонирования в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) ему присвоен идентификатор IPPAS С-2082.As a result of the phylogenetic analysis of the obtained sequences, carried out according to the previously described method [Characterization of a new halotolerant artic strain of a carotenogenic microalga Halochlorella rubescens NAMSU sbb-20 / A. Zaytseva, D. Bakhareva, P. Zaytsev, E. Lobakova // Russian Journal of Plant Physiology . - 2023. - Vol. 70, no. 3.], the species affiliation of the studied isolate was established. The isolate was identified as Micractinium simplicissimum and received the identifier NAMSU-MS2022; after deposition in the Russian Collection of Microalgae at the K.A. Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS), it was assigned the identifier IPPAS C-2082.
Штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 в процессе проведения исследований продемонстрировал высокую способность к одновременному накоплению лютеина и β-каротина в биомассе с содержанием суммы каротиноидов 13,3-13,7 мг⋅г-1 от веса сухой биомассы, что не встречается у известных аналогов и на 10% превосходит аналогичный показатель у известного прототипа. Накопление лютеина и β-каротина составляет 63-66 масс.% и 23-25 масс.%, соответственно, от суммы каротиноидов. Штамм Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 при культивировании на среде при солености 15-18 ‰ сохраняет высокую продуктивность: 0,35-0,37 г⋅л-1⋅сут-1 по накоплению сухой биомассы и 4,8-5,0 мг по накоплению суммарных каротиноидов в сутки с 1 л культуры и одновременную способность к биоизъятию углекислоты из среды со скоростью 0,30-0,32 л⋅л-1⋅сут-1, что значительно превышает уровень известных аналогов, способных к росту на солоноватых средах.During testing, the microalgae strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 demonstrated a high capacity for the simultaneous accumulation of lutein and β-carotene in biomass, with a total carotenoid content of 13.3-13.7 mg g -1 of dry biomass weight. This is unmatched by known analogues and 10% higher than that of the known prototype. Lutein and β-carotene accumulation amount to 63-66% and 23-25%, respectively, of total carotenoids. The strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, when cultivated on a medium at a salinity of 15-18 ‰, maintains high productivity: 0.35-0.37 g⋅L -1 ⋅day -1 for the accumulation of dry biomass and 4.8-5.0 mg for the accumulation of total carotenoids per day from 1 L of culture and simultaneously the ability to bioremove carbon dioxide from the medium at a rate of 0.30-0.32 L⋅L -1 ⋅day -1 , which significantly exceeds the level of known analogs capable of growth on brackish media.
Штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 успешно прошел предварительное тестирование и этап пробного культивирования в экспериментальных и полупромышленных фотобиореакторах.The microalgae strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 has successfully passed preliminary testing and the trial cultivation stage in experimental and semi-industrial photobioreactors.
Преимуществом данного штамма является возможность его использования для промышленного культивирования с целью биоизъятия углекислоты в приморских и засушливых регионах, где относительно легко доступны солоноватые воды.The advantage of this strain is the possibility of its use for industrial cultivation for the purpose of carbon dioxide bioremoval in coastal and arid regions where brackish water is relatively easily accessible.
Пример 1Example 1
Для культивирования штамма микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 использовали классическую среду BG-11 следующего состава:For the cultivation of the microalgae strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, the classical BG-11 medium of the following composition was used:
K2HPO4 - 0,04 г/л, NaNO3 - 0,3 г/л, MgSO4⋅7H2О - 0,075 г/л,K 2 HPO 4 - 0.04 g/l, NaNO 3 - 0.3 g/l, MgSO 4 ⋅7H 2 O - 0.075 g/l,
CaCl2⋅2H2О - 0,036 г/л, лимонная кислота - 0,006 г/л,CaCl 2 ⋅2H 2 O - 0.036 g/l, citric acid - 0.006 g/l,
FeSO4⋅7H2О - 0,006 г/л, Na2CO3 - 0,2 г/л, ЭДТА - 0,001 г/л,FeSO 4 ⋅7H 2 O - 0.006 g/l, Na 2 CO 3 - 0.2 g/l, EDTA - 0.001 g/l,
раствор FeSO4⋅7H2О (7,45 г/л) + ЭДТА (5,57 г/л) - 1 мл/л,solution of FeSO 4 ⋅7H 2 O (7.45 g/l) + EDTA (5.57 g/l) - 1 ml/l,
раствор микроэлементов (H3BO3 - 2,86 г/л, MnCl2⋅4H2O - 1,86 г/л, ZnSO4⋅7H2О - 0,22 г/л, CuSO4⋅5H2О - 0,08 г/л, Na2MoO4⋅7H2O - 0,39 г/л, Co(NO3)2⋅6H2О - 0,05 г/л) - 1 мл/л, в которую были внесены дополнительные растворы солей, а именно раствор морской соли «Уралмед», содержащий соли NaCl, (NH4)2SO4, NaNO3, MgSO4, до конечной солености 1,5-2 ‰.microelement solution (H 3 BO 3 - 2.86 g/l, MnCl 2 ⋅4H 2 O - 1.86 g/l, ZnSO 4 ⋅7H 2 O - 0.22 g/l, CuSO 4 ⋅5H 2 O - 0.08 g/l, Na 2 MoO 4 ⋅7H 2 O - 0.39 g/l, Co(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O - 0.05 g/l) - 1 ml/l, to which additional salt solutions were added, namely the Uralmed sea salt solution containing NaCl, (NH 4 ) 2 SO 4 , NaNO 3 , MgSO 4 salts, to a final salinity of 1.5-2 ‰.
Уровень рН в начале культивирования был установлен на значении 7.2.The pH level at the beginning of cultivation was set at 7.2.
Плотность культуры в начале культивирования составляла 2 миллиона клеток в мл.The culture density at the beginning of cultivation was 2 million cells/ml.
Культивирование проводилось в стеклянных барботируемых колоннах объемом 1,6 л в фотобиореакторе при температуре от 23 до 25°С использованием для барботирования смеси атмосферного воздуха и СО2, содержание СО2 - 1,6-2,4 %, скорость барботажа 0,4-0,6 л⋅мин-1.The cultivation was carried out in 1.6 L glass bubbling columns in a photobioreactor at a temperature of 23 to 25°C using a mixture of atmospheric air and CO2 for bubbling, the CO2 content was 1.6-2.4%, and the bubbling rate was 0.4-0.6 L⋅min -1 .
Для освещения использовали светодиодные лампы (4700 К), освещение проводилось круглосуточное, освещённость устанавливалась от 210 до 230 мкмоль квантов⋅м-2⋅с-1.LED lamps (4700 K) were used for lighting; lighting was provided around the clock, and illumination was set from 210 to 230 μmol quanta⋅m -2 ⋅s -1 .
Время культивирования - 12 суток (экспоненциальная фаза накопления биомассы с 4 по 7 сутки).Cultivation time is 12 days (exponential phase of biomass accumulation from days 4 to 7).
Плотность культуры в конце культивирования составляла 40-60 миллионов клеток в мл.The culture density at the end of cultivation was 40-60 million cells/ml.
Как показали проведенные исследования, продуктивность штамма по накоплению биомассы (сухой вес) составила 1,3±0,15 г⋅л-1, со среднесуточной скоростью роста 0,35 г⋅л-1⋅сут-1.As the conducted studies have shown, the productivity of the strain in terms of biomass accumulation (dry weight) was 1.3±0.15 g⋅l -1 , with an average daily growth rate of 0.35 g⋅l -1 ⋅day -1 .
Для определения абсолютного содержания углерода отбирали аликвоту суспензии клеток объемом 50 мл, осаждали клетки центрифугированием при 5000 g в течение 10 мин., супернатант отбрасывали, клеточный осадок лиофильно высушивали на лиофильной сушилке LabCONCO FreeZone и измеряли его массу. Процентное содержание углерода в лиофильно-сухой биомассе определяли с помощью элементного анализатора Elementar MicroCube.To determine absolute carbon content, a 50 ml aliquot of the cell suspension was collected, the cells were pelleted by centrifugation at 5000 g for 10 min, the supernatant was discarded, the cell pellet was freeze-dried in a LabCONCO FreeZone freeze dryer, and its mass was measured. The percentage carbon content of the freeze-dried biomass was determined using an Elementar MicroCube elemental analyzer.
Скорость биоизъятия углерода культурой микроводоросли определяли по следующей формуле:The rate of carbon bioremoval by the microalgae culture was determined using the following formula:
где - средняя скорость фиксации CO2 , - содержание сухого веса (г/л) в момент времени t, - содержание сухого веса (г/л) при засеве (в момент времени t 0), ω C - доля углерода в сухом весе клеток (г/г), V - объем суспензии клеток (л), - молярная масса углекислого газа (г/моль), а - молярная масса углерода (г/моль). Скорость биоизъятия углекислоты рассчитывали с учетом массовой доли углерода в CO2.Where - average rate of CO fixation2,- dry weight content (g/l) at a given timet, - dry weight content (g/l) at sowing (at the timet 0),ω C- the proportion of carbon in the dry weight of cells (g/g),V- volume of cell suspension (l),- the molar mass of carbon dioxide (g/mol), and - molar mass of carbon (g/mol). The rate of carbon dioxide bioremoval was calculated taking into account the mass fraction of carbon in CO2.
Скорость биоизъятия углерода и параметры продуктивности культуры микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования 1,5-2 ‰, представлены в Табл. 1:The rate of carbon bioremoval and productivity parameters of the microalgae culture Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 1.5-2 ‰ are presented in Table 1:
Как видно из Табл. 1, выход полезного продукта, каротиноидов, составил 13,48 мг/г при солености среды 1,5-2‰, а скорость биоизъятия углерода составила 0,30±0,05 л CO2⋅л-1⋅сут-1 или 0,14±0,01 г C⋅л-1⋅сут-1 в пересчете на чистый углерод.As can be seen from Table 1, the yield of the useful product, carotenoids, was 13.48 mg/g at a salinity of 1.5-2‰, and the rate of carbon bioremoval was 0.30±0.05 l CO2 ⋅l -1 ⋅day -1 or 0.14±0.01 g C⋅l -1 ⋅day -1 in terms of pure carbon.
Анализ пигментного состава клеток проводили следующим образом.The analysis of the pigment composition of cells was carried out as follows.
Пигменты экстрагировали 100% ацетоном. К осажденным клеткам добавляли 500 мкл 100% ацетона. Для полной экстракции пигментов клетки разрушали ручным гомогенизатором «стекло-тефлон». Далее проводили центрифугирование в течение 5 мин. со скоростью 10 000 об/мин. Супернатант сливали в чистую пробирку, а к осадку добавляли еще 500 мкл 100% ацетона. Процедуру повторяли до полного обесцвечивания осадка, супернатанты для каждого образца объединяли. Концентрацию хлорофиллов и суммы каротиноидов определяли спектрофотометрически с использованием спектрофотометра Agilent Cary 300 Bio. Разделение и анализ индивидуальных пигментов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на колонке с обращенной фазой Waters Sunfire C18 (4.6×150 мм, зерно 5 мкм). Для разделения смеси пигментов использовали смесь 82% ацетонитрила, 11% метанола и 7 % воды как А, чистый этилацетат как раствор В. Программа градиентной элюции: 0-10 мин: 10 % раствора B, 10-15 мин: 15 % раствора B; 15-20 мин: 45% раствора B, 20-25 мин: 0 % раствора B. Скорость подачи растворителей - 1 мл/мин.Pigments were extracted with 100% acetone. 500 μl of 100% acetone were added to the precipitated cells. For complete pigment extraction, the cells were disrupted with a hand-held glass-Teflon homogenizer. The mixture was then centrifuged for 5 min at 10,000 rpm. The supernatant was poured into a clean tube, and another 500 μl of 100% acetone was added to the sediment. The procedure was repeated until the sediment was completely decolorized, and the supernatants for each sample were pooled. The concentration of chlorophylls and total carotenoids were determined spectrophotometrically using an Agilent Cary 300 Bio spectrophotometer. Separation and analysis of individual pigments were performed by high-performance liquid chromatography on a Waters Sunfire C18 reversed-phase column (4.6 × 150 mm, 5 μm grain). To separate the pigment mixture, a mixture of 82% acetonitrile, 11% methanol and 7% water was used as solution A, and pure ethyl acetate was used as solution B. The gradient elution program was: 0-10 min: 10% solution B, 10-15 min: 15% solution B; 15-20 min: 45% solution B, 20-25 min: 0% solution B. The solvent feed rate was 1 ml/min.
ВЭЖХ-система состояла из насоса Shimadzu LC-20A с модулем FCV-20ALVP для создания градиента растворителя на стороне низкого давления, детектора SPD-M20A и термостата CTO-20AC.The HPLC system consisted of a Shimadzu LC-20A pump with an FCV-20ALVP module for creating a solvent gradient on the low-pressure side, an SPD-M20A detector, and a CTO-20AC thermostat.
Состав пигментов, содержащихся в биомассе микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования 1,5-2 ‰, представлен в Табл. 2:The composition of pigments contained in the biomass of the microalga Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 1.5-2 ‰, is presented in Table 2:
Проведенный анализ каротиноидного состава водорослей показал, что штамм Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 является продуцентом различных каротиноидов, таких как лютеин, β-каротин, неоксантин, виолаксантин и зеаксантин. При этом среди продуцируемых штаммом каротиноидов максимальный уровень накопления составляют лютеин (около 65±5,2 % при солености среды 1,5-2‰) и β-каротин (65±5,2 % при солености среды 1,5-2‰).An analysis of the carotenoid composition of the algae showed that the Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 strain produces various carotenoids, including lutein, β-carotene, neoxanthin, violaxanthin, and zeaxanthin. Among the carotenoids produced by the strain, lutein (approximately 65±5.2% at a salinity of 1.5-2‰) and β-carotene (65±5.2% at a salinity of 1.5-2‰) are the most abundant.
Состав каротиноидов, содержащихся в биомассе микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования 1,5-2 ‰, представлен в Табл. 3The composition of carotenoids contained in the biomass of the microalga Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 1.5-2 ‰ is presented in Table 3.
Пример 2Example 2
Для культивирования штамма микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 использовали среду BG-11 и условия, указанные в Примере 1, за исключением того, что раствор морской соли «Уралмед», содержащий соли NaCl, (NH4)2SO4, NaNO3, MgSO4, добавляли до конечной солености среды 15-18 ‰.For cultivating the microalgae strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, the BG-11 medium and the conditions specified in Example 1 were used, with the exception that the Uralmed sea salt solution containing the salts NaCl, (NH 4 ) 2 SO 4 , NaNO 3 , MgSO 4 were added to a final salinity of the medium of 15-18 ‰.
Как показали проведенные исследования, продуктивность штамма по накоплению биомассы (сухой вес) составила 1,4±0,15 г⋅л-1 при солености среды 15-18 ‰, со среднесуточной скоростью роста 0,37 г⋅л-1⋅сут-1.As the conducted studies have shown, the productivity of the strain in terms of biomass accumulation (dry weight) was 1.4±0.15 g⋅l -1 at a salinity of 15-18 ‰, with an average daily growth rate of 0.37 g⋅l -1 ⋅day -1 .
Абсолютное содержание углерода и скорость его биоизъятия, а также биоизъятия углекислоты культурой микроводоросли определяли, как описано в Примере 1.The absolute carbon content and the rate of its bioremoval, as well as the bioremoval of carbon dioxide by the microalgae culture, were determined as described in Example 1.
Скорость биоизъятия углерода и параметры продуктивности культуры микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования культивирования 15-18 ‰, представлены в Табл. 4:The rate of carbon bioremoval and productivity parameters of the microalgae culture Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 15-18 ‰ are presented in Table 4:
Как видно из Табл. 4, выход полезного продукта, каротиноидов, составил 13,52±0,65 мг/г при солености среды 15-18‰, а скорость биоизъятия углерода составила 0,32±0,03 л CO2⋅л-1⋅сут-1 или 0,17±0,02 г С⋅л-1⋅сут-1 в пересчете на чистый углерод.As can be seen from Table 4, the yield of the useful product, carotenoids, was 13.52±0.65 mg/g at a salinity of 15-18‰, and the rate of carbon bioremoval was 0.32±0.03 l CO2 ⋅l -1 ⋅day -1 or 0.17±0.02 g C⋅l -1 ⋅day -1 in terms of pure carbon.
Анализ пигментного состава клеток проводили, как описано в Примере 1.The analysis of the pigment composition of the cells was carried out as described in Example 1.
Состав пигментов, содержащихся в биомассе микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования 15-18 ‰ представлен в Табл. 5:The composition of pigments contained in the biomass of the microalga Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 15-18 ‰, is presented in Table 5:
Проведенный анализ каротиноидного состава водорослей показал, как и в Примере 1, что штамм Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 является продуцентом различных каротиноидов, таких как лютеин, β-каротин, неоксантин, виолаксантин и зеаксантин. При этом среди продуцируемых штаммом каротиноидов максимальный уровень накопления составляют лютеин (61±2,9% при солености среды 15-18‰) и β-каротин (24,1±1,9% при солености среды 15-18‰).The analysis of the carotenoid composition of the algae showed, as in Example 1, that the Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 strain produces various carotenoids, such as lutein, β-carotene, neoxanthin, violaxanthin, and zeaxanthin. Among the carotenoids produced by the strain, the highest accumulation levels are for lutein (61±2.9% at a salinity of 15-18‰) and β-carotene (24.1±1.9% at a salinity of 15-18‰).
Состав каротиноидов, содержащихся в биомассе микроводоросли Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, выращенной в течение 12 сут. при солености среды культивирования 15-18 ‰ представлен в Табл. 6The composition of carotenoids contained in the biomass of the microalga Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 grown for 12 days at a salinity of the cultivation medium of 15-18 ‰ is presented in Table 6.
Carotenoids (% of total carotenoids)
Таким образом, проведенное исследование показало, что штамм микроводорослей Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082 при выращивании на средах с соленостью 15-18 ‰ обладает высоким уровнем накопления смеси натуральных каротиноидов (порядка 13,5 мг/г сухой биомассы), среди которых наиболее значительные доли составляют лютеин (61±2,9 %) и β-каротин (24,1±1,9 %), при этом скорость биоизъятия углерода составляет 0,32±0,03 л CO2⋅л-1⋅сут-1 или 0,17±0,02 г С⋅л-1⋅сут-1 в пересчете на чистый углерод.Thus, the conducted study showed that the microalgae strain Micractinium simplicissimum IPPAS C-2082, when grown on media with a salinity of 15-18 ‰, has a high level of accumulation of a mixture of natural carotenoids (about 13.5 mg/g dry biomass), among which the most significant shares are lutein (61±2.9%) and β-carotene (24.1±1.9%), while the rate of carbon bioremoval is 0.32±0.03 l CO 2 ⋅l -1 ⋅day -1 or 0.17±0.02 g C⋅l -1 ⋅day -1 in terms of pure carbon.
В результате получен штамм микроводоросли Micractinium simplicissimum NAMSU-МS2022, депонированный в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (IPPAS) с присвоенным идентификатором IPPAS С-2082, который обладает высоким уровнем накопления смеси лютеина и β-каротина, сохраняющий высокую продуктивность при выращивании на солоноватых средах, обладающий способностью к одновременному биоизъятию углекислоты из среды.As a result, a strain of microalgae, Micractinium simplicissimum NAMSU-MS2022, was obtained. It is deposited in the Russian Collection of Microalgae at the Timiryazev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences (IPPAS) and has been assigned the IPPAS identifier C-2082. This strain exhibits a high level of accumulation of a mixture of lutein and β-carotene, maintains high productivity when grown in brackish environments, and has the ability to simultaneously bioremove carbon dioxide from the environment.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2849068C1 true RU2849068C1 (en) | 2025-10-22 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2573944C1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", (МГУ) | Strain of microalga haematococcus pluvialis - producent of natural astaxanthin |
| CN105779294A (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-20 | 中国科学院上海高等研究院 | Breeding method of high concentration CO2 microalgae species |
| RU2835138C1 (en) * | 2024-10-24 | 2025-02-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Ля Водоросля" | Marine microalgae - producer of beta-carotene, lutein and other carotenoids |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2573944C1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", (МГУ) | Strain of microalga haematococcus pluvialis - producent of natural astaxanthin |
| CN105779294A (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-20 | 中国科学院上海高等研究院 | Breeding method of high concentration CO2 microalgae species |
| RU2835138C1 (en) * | 2024-10-24 | 2025-02-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Ля Водоросля" | Marine microalgae - producer of beta-carotene, lutein and other carotenoids |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| AIDA FIGLER et al. Salt Tolerance and Desalination Abilities of Nine Common Green Microalgae Isolates. Water 2019, 11(12), 2527 [on-line] найдено в Интернете на https://www.mdpi.com/2073-4441/11/12/2527 [найден 03-09-2025]. * |
| LOBAKOVA E.S., SELYAKH I.O., SEMENOVA L.R. et al. Hints for understanding microalgal phosphate-resilience from Micractinium simplicissimum IPPAS C-2056 (Trebouxiophyceae) isolated from a phosphorus-polluted site. J Appl Phycol 34, 2409-2422 (2022). [on-line] найдено в Интернете на https://link.springer.com/article/10.1007/s10811-022-02812-0 [найден 03-09-2025]. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Enhanced biomass and CO2 sequestration of Chlorella vulgaris using a new mixotrophic cultivation method | |
| Chen et al. | A highly efficient two-stage cultivation strategy for lutein production using heterotrophic culture of Chlorella sorokiniana MB-1-M12 | |
| CN103249831B (en) | Method for cultivating facultative unicellular algae in the presence of discontinuous supply of light in the form of flashes | |
| ES2658864T3 (en) | Production of docosahexanoic acid and / or eicosapentanoic acid and / or carotenoids in mycopotrophic mode by Nitzschia | |
| Miriam et al. | Identification and characterization of a novel biodiesel producing halophilic Aphanothece halophytica and its growth and lipid optimization in various media | |
| Venckus et al. | Effects of medium salinity on growth and biochemical composition of the green microalga Tetraselmis suecica | |
| Mousavi Nadushan et al. | Optimization of production and antioxidant activity of fucoxanthin from marine haptophyte algae, Isochrysis galbana | |
| Loganathan et al. | Evaluation and interpretation of growth, biomass productivity and lutein content of Chlorella variabilis on various media | |
| JP6352818B2 (en) | Production of lutein in mixed nutrition mode by Scenedesmus | |
| RU2849068C1 (en) | Micractinium simplicissimum microalgae strain - producer of lutein and beta-carotene, capable of bioaccumulating carbon dioxide when cultivated in salt water | |
| Mishra et al. | Dr. SYNERGISTIC EFFECTS OF NITROGEN DEPRIVATION AND HIGH IRRADIANCE TO ENHANCE BIOMASS AND LIPID PRODUCTION IN NANNOCHLOROPSIS | |
| Koh et al. | Light stress after heterotrophic cultivation enhances lutein and biofuel production from a novel algal strain Scenedesmus obliquus ABC-009 | |
| Hussin et al. | Optimisation and growth kinetic analysis of Microalgae, Arthrospira platensis in 2-L Photobioreactors | |
| Bouzidi et al. | Impact of temperature and growth phases on lipid composition and fatty acid profile of a thermophilic Bacillariophyta strain related to the genus Halamphora from north-eastern Tunisia | |
| EP4638699A1 (en) | Lipid producing marine microalga | |
| Trinh | Comparison of Growth of Chlorella vulgaris in Flat-Plate Photobioreactor Using Batch, Fed-Batch, and Repeated Fed-Batch Techniques with Various Concentrations of Walne Medium | |
| SU1324627A1 (en) | Strain of algae dunaliella salina teod calv-834 - producer of protein-carotene biomass | |
| RU2703420C1 (en) | Microalgae strain coelastrella sp. is a producer of a mixture of natural bioantioxidant astaxanthin and β-carotene | |
| Contreras-Ropero et al. | Production of industrial-interest colorants in microalgae and cyanobacteria: leveraging nutrient dynamics and photoperiod optimization | |
| Indrayani et al. | Effect of different light intensities on the growth and biomass productivity of a newly isolated thermophilic microalgae Monoraphidium sp. UNMIND3 from Sulili hot spring, Pinrang Regency, Indonesia | |
| RU2824762C1 (en) | Method of producing phycobiliproteins | |
| ES2259548B1 (en) | NEW MICROALGA SPECIES AND ITS APPLICATION FOR ANIMAL, HUMAN CONSUMPTION AND OBTAINING CAROTENOIDS. | |
| RU2710131C1 (en) | Bracteacoccus aggregatus microalgae strain - producer of a mixture of natural bioantioxidant of astaxanthin and provitamin a | |
| Rahman et al. | The effect of nitrogen concentration and light intensity on growth of Coelastrella sp.(LIPI11-2-AL018) for carotene production | |
| Doukani et al. | Development of experimental production of algal biomass: case of Dunaliela salina of Arzew’s Salines (Western Algeria) |