Влияние суточного светового режима на продуктивность культуры Arthrospira platensis Gomont

Influence of diurnal light regimen on Arthrospira platensis Gomont culture productivity

 

Авсиян А.Л.

Anna L. Avsiyan

 

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

 

УДК 582.232:581.121

 

Показано, что в накопительной культуре Arthrospira platensis при свето-темновом режиме продуктивность была в 1,57 раз ниже, чем при постоянном освещении, однако в 1,22 раз выше при расчёте продуктивности за световые периоды. Ночная потеря биомассы составила от 2,76% до 11,64% от биомассы или от 5,34% до 70,61% от продуктивности на разных стадиях роста.

Ключевые слова: Arthrospira platensis; цианобактерии; накопительная культура; продуктивность; свето-темновой режим; ночная потеря биомассы.

 

Введение

Световые условия – один из главнейших факторов, оказывающих влияние на рост микроводорослей как в естественных сообществах, так и при их промышленном культивировании. Помимо интенсивности света и его спектрального состава, большую роль также играет и фотопериод. Первым и очевидным эффектом непостоянного светового режима является ночная потеря биомассы (НПБ), как результат темнового дыхания, также могут изменяться и продукционные характеристики (Torzillo et al., 1991; Rost et al., 2006), и биохимический состав клеток (Тренкеншу, 2016; Ogbonna, Tanaka, 1996). Однако в большинстве лабораторных исследований кинетические характеристики изучаются при постоянном освещении, что не позволяет получить достоверную картину роста фитопланктона при естественном фотопериоде.

На примере различных видов морских и пресноводных микроводорослей показано, что длительность фотопериода оказывает влияние на интенсивность фотосинтеза, продуктивность, скорость деления клеток, потребление углекислого газа. Практически всегда перечисленные показатели при различных светотемновых режимах были выше, чем при непрерывном режиме освещения (Hobson et al., 1979; Скотникова, Пискунова, 1984; Hobson et al., 1985; Wijanarko et al., 2004; Rost et al., 2006). Однако в настоящее время нет единого мнения о механизмах, объясняющих возрастание продуктивности под воздействием фотопериода.

Целью данной работы являлось изучение влияния суточного светового режима на продуктивность культуры Arthrospira platensis и определение величины НПБ на разных этапах накопительного роста культуры.

 

Материалы и методы

В эксперименте использовали альгологически чистую культуру цианопрокариоты Arthrospira platensis Gomont из ЦКП «Коллекция гидробионтов Мирового океана» ИМБИ РАН. Культивирование осуществляли в накопительном режиме на питательной среде Zarrouk (Zarrouk, 1966) в культиваторах плоскопараллельного типа объемом 3 л, с толщиной слоя культуры 5 см. Общий вид унифицированной лабораторной установки для культивирования микроводорослей описан в работе (Тренкеншу и др., 2017). В контрольном варианте выращивание проходило при непрерывном освещении, в опытном варианте – в условиях фотопериода 16:8 (свет : темнота). Освещенность рабочей поверхности культиваторов поддерживалась на уровне 21 кЛк, температура в светлое время составляла 33–35ºС, в темное время – 25–27ºС. Перемешивание культуры осуществляли посредством барботирования воздухом в светлое время. pH культуральной среды в начале культивирования была на уровне 9,2.

Ежедневно в начале и конце темнового периода отбирали пробы, в которых измеряли температуру, pH (с помощью иономера И-160М) и оптическую плотность культуры на длине волны 750 нм. Измерения оптической плотности проводили с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2 в кювете 0,5 см. Полученные значения использовали для расчета концентрации биомассы:

где B – биомасса, г АСВ ∙ л-1D750 – оптическая плотность суспензии на длине волны 750 нм; k – коэффициент пропорциональности (k=1,048).

Ночную потерю биомассы как долю от биомассы в конце светового периода (LB) определяли следующим образом:

Ночную потерю биомассы как долю от продуктивности за предыдущий световой период (LP):

где B'L – плотность биомассы в конце предыдущего светового периода (мг ∙ л-1); BD – плотность биомассы в конце темнового периода (мг АСВ ∙ л-1); B'D – плотность биомассы в конце предыдущего темнового периода (мг ∙ л-1).

Максимальную продуктивность определяли на линейной стадии роста, аппроксимируя данные следующим уравнением (Лелеков, Тренкеншу, 2007):

 

где B – биомасса, мг ∙ л-1; Pm – максимальная продуктивность, мг ∙ л-1 ∙ ч-1; t – время, ч; Bl – биомасса в начале линейной фазы роста, т.е. при t = tl.

 

Результаты и обсуждение

Продолжительность накопительного культивирования A. platensis в обоих вариантах опыта составила 9 суток. Накопительные кривые роста A. platensis при различном суточном световом режиме представлены на рис. 1.

В обоих вариантах эксперимента максимальная биомасса составила около 2,0 г/л, но при непрерывном освещении она была достигнута на 6 сутки, а при фотопериоде 16 : 8 – на 9 сутки эксперимента. Экспоненциальной фазы роста не удалось выделить из-за её малой продолжительности. На линейной стадии роста в варианте с постоянным освещением продуктивность составляла 16,50 мг ∙ л-1 ∙ ч-1, при фотопериоде – 10,53 мг ∙ л-1 ∙ ч-1, то есть в 1,57 раза меньше, что соответствовало отношению количества полученной световой энергии при постоянном освещении 24 ч и при фотопериоде 16 : 8 ч. Поскольку энергию для синтеза биомассы клетка получает только в период освещения, также рассчитывали продуктивность опытного варианта только в течение световых периодов, исключая темновые. Продуктивность культуры за единицу времени светового периода составила 20,17 мг ∙ л-1 ∙ ч-1 и была в 1,22 раза выше, чем в контрольном варианте.

 

Рис. 1. Динамика плотности культуры A. platensis в накопительном режиме. Белые маркеры – непрерывное освещение, черные маркеры – свето-темновой режим 16 ч 8 ч

Fig. 1. Culture density dynamics in A. platensis batch culture. White markers – constant illumination, black markers – light-dark regimen 16 h : 8 h

 

В литературе встречается несколько гипотез, объясняющих явление увеличения скорости роста низших фототрофов при наличии фотопериода. Например, при непрерывном освещении в клетках могут накапливаться некоторые продукты фотосинтеза, ингибирующие его, отток которых происходит в темновой период (Шушанашвили, Семененко, 1985). Также при наличии фотопериода может повышаться активность рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы, что может быть обусловлено регуляцией механизмов потребления углерода (Rost et al., 2006). Ранее (Лелеков, Тренкеншу, 2007) было показано, что для условий постоянного освещения продуктивность культуры низших фототрофов на линейной фазе роста ограничена скоростью подачи углекислого газа. Можно предположить, что при лимитировании роста культуры микроводорослей концентрацией углекислоты, увеличение продуктивности обусловлено возрастанием концентрации углерода в течение темнового периода за счет темнового дыхания клеток. Также при наличии в суточном цикле темнового периода происходит изменение биохимического состава водорослей, в частности респираторный расход резервных соединений, что, в свою очередь, может приводить к снижению интенсивности дыхания (Тренкеншу, 2016; Ogbonna, Tanaka, 1996).

Для варианта культуры, растущей при фотопериоде 16 ч, определяли НПБ. Величина НПБ на разных стадиях накопительной культуры была различной и составляла от 2,76% до 11,64% от биомассы в конце светового периода, или от 5,34% до 70,61% от продуктивности за предыдущий световой период (табл. 1).

 

Таблица 1. Величина НПБ в течение роста накопительной культуры A. platensis 
при свето-темновом режиме 16 : 8 ч (свет : темнота)

Table 1. Night biomass loss value during A. platensis batch culture growth at light-dark regimen 16h : 8h (light : dark)

Максимальная НПБ наблюдалась на стадии замедления роста, а также в первые сутки культивирования, минимальная – на линейной стадии роста. Выявленные различия в величине НПБ на разных стадиях роста культуры могут быть обусловлены разницей в соотношении синтетических процессов и темнового дыхания.

 

Заключение

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование выявило влияние фотопериода на рост A. platensis по сравнению с непрерывным освещением. При одинаковой максимальной биомассе отличалась максимальная продуктивность культуры, а также было зафиксировано увеличение продуктивности культуры в течение световых периодов при наличии фотопериода в суточном режиме освещения. Выявлены различия в величине НПБ на разных стадиях роста культуры, что может быть обусловлено разницей в соотношении синтетических процессов и темнового дыхания. Полученные результаты позволяют учитывать особенности ростовых и продукционных процессов при культивировании A. platensis в условиях суточного свето-темнового режима.

 

Работа подготовлена по теме государственного задания ФГБУН ИМБИ «Исследование механизмов управления продукционными процессами в биотехнологических комплексах с целью разработки научных основ получения биологически активных веществ и технических продуктов морского генезиса», номер гос. регистрации АААА-А18-118021350003-6»

 

Список литературы

  1. Лелеков А.С., Тренкеншу Р.П. Простейшие модели роста микроводорослей. 4. Экспоненциальная и линейная фазы роста // Экология моря. 2007. Т.74. С.47–49.
  2. Скотникова Г.С., Пискунова А.В. Особенности культивирования штаммов хлореллы с коротким световым периодом в генерационном цикле // Технология и аппаратура для культивирования фотоавтотрофов и культуры тканей (сб. научн. трудов). – М., 1984. – С.18–20.
  3. 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 (дата обращения - 10.10.2018)
  4. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С., Боровков А.Б., Новикова Т.М. Унифицированная установка для лабораторных исследований микроводорослей // Вопросы современной альгологии. 2017. №1 (13). URL: http://algology.ru/1097 (дата обращения - 09.10.2018)
  5. Шушанашвили В.И., Семененко В.Е. Влияние светотемновых периодов и интенсивности света на фотосинтез, прирост биомассы и скорость деления автотрофных клеток эвглены // Физиология растений. 1985. 32, Вып.2. С. 323–331.
  6. Hobson L. A., Hartley F.A., Ketcham D.E. Effects of variations in daylength and temperature on net rates of photosynthesis, dark respiration, and excretion by Isochrysis galbana Parke // Plant Physiol. 1979. 63. P. 947–951.
  7. Hobson L.A., Morris W.J., Guest K.P. Varying photoperiod, ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase and CO2 uptake in Thalassiosira fluviatilis (Bacillariophyceae) // Plant Physiol. 1985. 79. P.833–837.
  8. Ogbonna J.C., Tanaka H. Night biomass loss and changes in biochemical composition of cells during light/dark cyclic culture of Chlorella pyrenoidosa // J. Ferment. Bioeng. 1996. 82, Is.6. P.558–564.
  9. Rost B., Riebesell U., Sültemeyer D. Carbon acquisition of marine phytoplankton: effect of photoperiod length // Limnol. Oceanogr. 2006. 51, №1. P. 12–20.
  10. Torzillo G., Sacchi A., Materassi R., Richmond A. Effect of temperature on yield and night biomass loss in Spirulina platensis grown outdoors in tubular photobioreactors // J. Appl. Phycol. 1991. V.3. P. 103–109.
  11. Wijanarko A., Dianursanti, Witarto A.B., Soemantoho R.W. Effect of photoperiodicity on CO2 fixation by Chlorella vulgaris Buitenzorg in bubble column photobioreactor for food supplement production // Makara, Teknologi. 2004. 8, №2. P. 35–43.
  12. Zarrouk C. Contribution à l’étude d’une cyanophycée. Influence de divers facteurs physiques et chimiques sur la croissance et la photosyntèse de Spirulina maxima (Stech. Et Gardner) Geitler: Ph.D. thesis. – Paris, 1966. – 138 p.

Статья поступила в редакцию 1.11.2018

 

Influence of diurnal light regimen on Arthrospira platensis Gomont culture productivity

Anna L. Avsiyan 

Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS (Sevastopol, Russia)

Arthrospira platensis batch culture grown at light-dark regimen was shown to have 1,57 times lower productivity than at constant illumination, but productivity figured out for light periods only was 1,22 times higher. Night biomass loss was from 2,76% to 11,64% of biomass and from 5,34% to 70,61% of productivity at different growth stages.

Key words: Arthrospira platensis; cyanobacteria; batch culture; productivity; light-dark regimen; night biomass loss. 

 

Об авторе

Авсиян Анна Львовна - Avsiyan Anna L.

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

anna.l.avsiyan@gmail.com

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

 

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Авсиян А.Л. Влияние суточного светового режима на продуктивность культуры Arthrospira platensis Gomont // Вопросы современной альгологии. 2018. № 3 (18). URL: http://algology.ru/1374

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

   

 

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

 

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

 

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ








ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

18 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

ТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ

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



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    Conjugatophyceae(Zygnematophyceae)    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Charophyceae    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    Карское_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    Bacillariophyceae    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    первичная_продукция    Байкал    молекулярно-генетический_анализ    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147