ГЛАВНАЯ » КОНФЕРЕНЦИИ » САБИНИНСКИЕ ЧТЕНИЯ » VI Сабининские чтения - 2017 » Материалы Международной конференции
«Экологическая физиология водных фототрофов: распространение, запасы, химический состав и использование»
VI Сабининские чтения - 2017
» Модель трансформации форм азотистых соединений клетками микроводорослей

Модель трансформации форм азотистых соединений клетками микроводорослей

Model of transformation of the nitrogen compounds by microalgae cells

 

Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С.

Rudolf P. Trenkenshu, Alexander S. Lelekov

 

Институт морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского (Севастополь, Россия)

 

УДК 579.017.8:57.036

 

Предложена динамическая модель трансформации форм азотистых соединений в клетках микроводорослей. Внутриклеточная концентрация азота рассматривается в виде суммы структурных и резервных соединений. Скорость поступления азота в клетку и скорость его расхода на синтез структурной составляющей заданы в виде линейных сплайнов. Получена система дифференциальных уравнений позволяющая описать не только соотношения различных форм азота в клетке, но и их зависимость от его концентрации в среде. 

Ключевые слова: микроводоросли; субстрат-зависмый рост; азот; математическая модель.

 

Введение

В последние годы резко возросло количество публикаций по изучению влияния азота на рост и биохимический состав микроводорослей в природе и культуре. Это связано с множеством национальных программ по поиску возобновляемых источников энергии, одним из которых рассматриваются микроводоросли. Причем повышенное внимание уделяется их углеводному и липидному составу, основному сырью для производства биотоплива. Выяснилось, что доля углеводов и жиров в клетках микроводорослей возрастает при дефиците азота в среде (Боровков, Гудвилович, 2017; Fidalgo, 1995; Hu, 2008; Sánchez-Saavedra, 2017; Silva, Sforza, 2017).

В это же время стала бурно развиваться аквакультура ценных пород рыб, появилась потребность в пигментах и полиненасыщенных жирных кислотах (имеющих микроводорослевое происхождение), которые стимулируют рост и выживаемость личинок рыб, повышают качество конечной продукции (Gatenby et al., 2003). Вместе с тем, медицинские исследования показали важную роль полиненасыщенных жирных кислот для здоровья человека, особенно, w3 и w6 кислот (Cartens, 1996; Desbois, 2008).

Наряду с успешным решением ряда задач по техническому обеспечению процессов массового культивирования микроводорослей, наличием современного инструментария для оценки макромолекулярного состава получаемой биомассы и решением многих других вопросов, основной проблемой остается отсутствие полноценной количественной теории управления фотобиосинтезом микроводорослей. В настоящее время имеются все предпосылки для создания такой теории. Накоплены знания о молекулярных механизмах световых и темновых процессов фотобиосинтеза. Найдены основные метаболические пути синтеза органического вещества в клетках микроводорослей, изучены системы транспорта веществ в клетку и их формирование. Разработаны принципы и подходы к возможности использования формальных приемов для создания математических моделей метаболических процессов биосинтеза и их связи с внешними условиями среды (Тренкеншу, Лелеков, 2017; Тренкеншу, Лелеков, Новикова, 2017).

Учитывая большое количество стадий трансформации минеральных веществ в органические молекулы, при моделировании процессов преобразования математическое описание будет содержать огромное количество дифференциальных уравнений, что приводит к бессмысленности моделирования в целом. Однако пользуясь принципом минимума, можно редуцировать большую систему до нескольких уравнений. Для этого нужно знать узкое место в метаболической цепи ферментативных и транспортных реакций. Причем это узкое место в большинстве случаев не обязательно знать точно, в кинетических моделях его можно выразить через максимальные скорости процессов, которые можно измерить непосредственно (Тренкеншу, 2016; Тренкеншу, 2017; Тренкеншу, Лелеков, Новикова, 2017).

Следующим, после углерода, минеральным биогеном, который может влиять на скорость роста и макромолекулярный состав биомассы микроводорослей, является азот. В предлагаемой работе рассматривается влияние концентрации азота в среде на кинетику роста и трансформацию структурных и резервных форм азота в культуре и клетках микроводорослей.

Кинетика поглощения азота клеткой. Рассмотрим скорость поступления растворенного в питательной среде азота (концентрация N в среде) в клетки микроводорослей. Азот, находящийся в клетках, рассматриваем в виде двух основных форм: структурной и резервной. К структурной части относим азот, входящий в структуру клеточной массы (Nstr). Эта часть биомассы в основном представлена белками. Сюда же относим и небелковые, но входящие в структуры формы азота (например, коферменты). Резервная часть азота в клетках (Nres) представлена той частью, которая еще не вошла в структурные формы и рассматривается как субстрат в последовательности метаболических реакций (включая интермедиаты) (Perez-Garcia, 2010). Такое представление полностью согласуется с концепцией Друпа о том, что скорость роста микроорганизмов зависит от внутриклеточной концентрации лимитирующего субстрата (Droop, 1973).

Внутриклеточная концентрация азота Ncell (отнесенная к объему культуры), равна сумме:

Общий баланс азота в культуре:

где N0 – начальная концентрация азота в среде.

Последнее выражение, несмотря на очевидную простоту, отражает фундаментальный закон сохранения азота в закрытой системе: на рис. 1 представлена динамика концентрации нитратного азота в среде и структурного азота при накопительном культивировании Dunaliella salina.

Рис. 1. Динамика концентрации нитратного азота в среде и структурного азота при культивировании Dunaliella salina (Лелеков, 2007; Лелеков, Гудвилович, 2010)

 

Структурный азот рассчитан делением концентрации белка на 6,25 (Ho, 2012). Из представленных на рисунке данных видно, что на восьмые сутки роста культуры концентрация азота в среде стала близкой к нулю, но рост продолжался еще двое суток, вплоть до исчерпания внутриклеточного резерва. Весь азот в нитратной форме, с точностью до 0,5%, к моменту достижения максимальной биомассы превратился в структурный.

Скорость поступления азота в клетки будет определяться количеством транспортных систем (F), их активностью (μN) и приведенной плотностью потока молекул (λ) из внешней среды (Тренкеншу, 2010):

Приведенная плотность потока молекул субстрата, попадающих в клетки за счет диффузии или транспортной системы клеток, пропорциональна (коэффициент k) концентрации данного вещества во внеклеточной среде культуры:

При некоторой концентрации N1 в среде, поток становится единичным, и величину приведенной плотности потока азота в клетку можно выразить через эту величину, а уравнение для скорости поступления азота в клетку записать в виде:

Учитывая, что транспортные системы относятся к структурным компонентам клетки, их количество можно выразить через концентрацию структурных форм азота (fN=F/Nstr). Величина представляет собой максимальную удельную скорость поступления азота в клетки. В результате имеем уравнение зависимости скорости транспорта азота из внешней среды в клетки микроводорослей:

Кинетика трансформации форм азота внутри клетки. Скорость синтеза структурной составляющей биомассы и, соответственно, расхода резервного азота будет зависеть от его концентрации, активности (msin) и количества ключевого фермента (выраженного через долю структурного азота fsin), контролирующего скорость образования структурных форм биомассы. Произведение msinfsin=mm представляет собой максимальную удельную скорость включения азота в структуру клетки или синтеза структурных компонентов. В итоге имеем:

Скорость изменения концентрации резервного азота будет равна разности между скоростью поступления азота в клетку и скоростью его расхода на синтез структур:

В результате имеем систему уравнений, описывающую динамику внутриклеточных переходов одних форм азота в другие:

Используя полученную систему уравнений можно оценить не только ростовые характеристики микроводорослей, но и решить обратную задачу – найти зависимость форм азотистых соединений в биомассе клеток от  внешних концентраций азота в среде и скорости их роста.

Дополним систему уравнений ростовой характеристикой микроводорослей. Если μ – удельная скорость роста, а В – плотность культуры выраженная концентрацией клеток или концентрацией биомассы, то скорость роста:

В результате имеем:

Фактически, полученная система уравнений является искомой динамической моделью роста и трансформации структурных и резервных форм азотистых соединений в клетках микроводорослей в дифференциальной форме. Решение системы при заданных условиях позволит получить интегральные зависимости концентрации различных форм азота от времени, а значит, даст возможность рассчитать кинетические характеристики μNm, μm, которые являются видоспецифическими коэффициентами.

 

Заключение

В данной работе предложена математическая модель, которая является логическим продолжением наших предыдущих исследований кинетики ассимиляции азота клетками микроводорослей. Введенная ранее величина истинной потребности микроводорослей в лимитирующем субстрате (Тренкеншу, Лелеков, 2017) есть динамическая характеристика, которая изменяется в широком диапазоне в зависимости от потока азота из внешней среды. Эти изменения можно объяснить, разделив внутриклеточный азот на структурный и резервный: в условиях недостатка азота его внутриклеточный пул (резервная составляющая) будет исчерпан. Предлагаемая математическая модель позволяет также описать процесс синтеза белка в условиях полного отсутствия азота во внешней среде.

 

Работа выполнена в рамках госзадания по НИР «Разработка научных основ решения гидробиологических и биотехнологических проблем интегрированного управления прибрежными зонами" № 1001-2014-0017 

 

Список литературы

1. Боровков А.Б., Гудвилович И.Н. Апробация двухстадийного выращивания Dunaliella salina Teod. в полупромышленных условиях // Вопросы современной альгологии. 2017. №1 (13). URL: http://algology.ru/1155.

2. Лелеков А.С., Горбунова С.Ю., Боровков А.Б. Динамика азота и фосфора в среде при интенсивном культивировании микроводоросли Dunaliella salina // Экология моря. 2007. Вып. 74. С. 21–24.

3. Лелеков А.С., Гудвилович И.Н. Продукционные характеристики роста и биосинтеза квазинепрерывной культуры зелёной микроводоросли Dunaliella salina Teod. // Экология моря. 2010. Спец. вып. 80: Биотехнология водорослей. C. 59–66.

4. Тренкеншу Р.П. Динамическая модель биотрансформации резервных и структурных форм биомассы микроводорослей в темноте // Вопросы современной альгологии. 2016. № 2 (12). URL: http://algology.ru/967

5. Тренкеншу Р.П. Влияние света на макромолекулярный состав микроводорослей в непрерывной культуре невысокой плотности // Вопросы современной альгологии. 2017. № 2 (14). URL: http://algology.ru/1180

6. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С. Моделирование роста микроводорослей в культуре. – Севастополь: ООО «Константа-Принт», 2017. – 152 с.

7. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С., Новикова Т.М. Линейный рост морских микроводорослей в культуре // Морской биологический журнал. 2017. Т.2, №4. (В печати).

8. Cartens M., Molina Grima E., Robles Medina A., Giménez Giménez A., Ibáñez González J. Eicosapentaenoic acid (20:5n-3) from the marine microalga Phaeodactylum tricornutum // JAOCS. 1996. V.73, №8. P. 1025–1031.

9. Desbois A.P., Lebl T., Yan L., Smith J.V. Isolation and structural characterisation of two antibacterial free fatty acids from the marine diatom Phaeodactylum tricornutum // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008. V.81. Р. 755–764.

10. Droop M.R. Some thoughts on nutrient limitation in algae // J. Phycol. 1973. V.9. P. 264–272.

11. Fidalgo P., Cid A., Abalde J., Herrero C. Culture of the marine diatom Phaeodactylum tricornutum with different nitrogen sources: Growth, nutrient conversion and biochemical composition // Cah. BioI. Mar. 1995. V.36. P. 165–173.

12. Gatenby C.M., Orcutt D.M., Kreeger D.A., Parker B.C., Jones V.A., Neves R.J. Biochemical composition of three algal species proposed as food for captive freshwater mussels // J. Appl. Phycol. 2003. V.15. P. 1–11.

13. Ho S., Chen C., Chang J. Effect of light intensity and nitrogen starvation on CO2 fixation and lipid/carbohydrate production of an indigenous microalga Scenedesmus obliquus CNW-N // Bioresource Technology. 2012. V.113. P. 244–252.

14. Hu Q., Sommerfeld M., Jarvis E., Ghirardi M. et al. Microalgal triacylglycerols as feedstocks forbiofuel production: perspectives and advances // J. Plant. 2008. V.54, №4. P. 621–639.

15. Perez-Garcia O., Escalante F., de-Bashan L., Bashan Y. Heterotrophic cultures of microalgae: Metabolism and potential products // Water Research. 2010. V.45, №1. P. 11–36.

16. Sánchez-Saavedra M. P., Castro-Ochoa F. Y., Nava-Ruiz V. M. et al. Effects of nitrogen source and irradiance on Porphyridium cruentum // J. Appl. Phycol. 2017. https://doi.org/10.1007/s10811-017-1284-2.

17. Silva F., Sforza E. Stability of carbohydrate production in continuous microalgal cultivation under nitrogen limitation: effect of irradiation regime and intensity on Tetradesmus obliquus // J. Appl. Phycol. 2017. https://doi.org/10.1007/s10811-017-1252-x.

Статья поступила в редакцию 28.11.2017

.

 

Model of transformation of the nitrogen compounds  by microalgae cells

Rudolf P. Trenkenshu, Alexander S. Lelekov

The A. O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS, Sevastopol, Russia

Dynamic model of transformation of forms of nitrogen compounds in microalgae cells has been proposed. Intracellular concentration of nitrogen is considered as the sum of the structural and reserve compounds. The rate of nitrogen flow into the cell and the rate of its use for the synthesis of structural component has been described as linear splines. The system of differential equations allowing to describe not only ratios of different forms of nitrogen in the cell but also their dependence on nitrogen concentration in the medium has been obtained.

Key words: microalgae; substrate dependent growth; nitrogen; mathematical model.

 

 

Об авторах

Тренкеншу Рудольф Павлович – Trenkenshu Rudolf P.

кандидат биологических наук
ведущий научный сотрудник, заведующий Отделом биотехнологий и фиторесурсов, Институт морских биологических исследований  им. А.О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия (The A. O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS, Sevastopol, Russia),

r.trenkenshu@rambler.ru

Лелеков Александр Сергеевич – Lelekov Alexander S.

кандидат биологических наук
ведущий научный сотрудник, Институт морских биологических исследований  им. А.О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия (The A. O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS, Sevastopol, Russia), Отдел биотехнологий и фиторесурсов

a.lelekov@yandex.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 299011, Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФГБУН ИМБИ; тел. (869)-2550795.

 

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

 

К другим статьям Международной конференции 
«Экологическая физиология водных фототрофов: 
распространение, запасы, химический состав и использование».
VI Сабининские чтения - 2017 

 

 

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

 

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

 








ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

14 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ


АКВАРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
И  ИХ  СОДЕРЖАНИЕ


КОНФЕРЕНЦИИ

АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЙ СЕМИНАР

СТУДЕНЧЕСКИЕ РАБОТЫ

АВТОРЕФЕРАТЫ

РЕЦЕНЗИИ


ПРИЛОЖЕНИЕ к журналу:


ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И МОНОГРАФИИ

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ АЛЬГОЛОГИЯ
СЕГОДНЯ


ИСТОРИЯ АЛЬГОЛОГИИ

КЛАССИКА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АЛЬГОЛОГИИ


ПУБЛИКАЦИИ ПРОШЛЫХ ЛЕТ

ВЕДУЩИЕ АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЕ
ЦЕНТРЫ


СЕКЦИЯ  АЛЬГОЛОГИИ  МОИП

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ РАЗДЕЛ

СЛОВАРИ И ТЕРМИНЫ



НАШИ ПАРТНЕРЫ


ПРЕМИИ

КОНТАКТЫ

Новые публикации



Карта сайта






Рассылки Subscribe.Ru
Журнал "Вопросы современной альгологии"
Подписаться письмом


Облако тегов:
микроводоросли    макроводоросли    пресноводные    морские    симбиотические_водоросли    почвенные    Desmidiales(отд.Сharophyta)    Chlorophyta    Rhodophyta    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Characeae    бентос    планктон    перифитон    кокколитофориды    Экология    Систематика    Флора_и_География    Культивирование    Химический_состав    Минеральное_питание    Ультраструктура    Загрязнение    Биоиндикация    Размножение    Морфогенез    Морфология_и_Морфометрия    Физиология    Морские_травы    Использование    ОПРЕДЕЛИТЕЛИ    Фотосинтез    Фитоценология    Черное_море    Белое_море    Баренцево_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    первичная_продукция    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147