Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Экологические факторы, влияющие на развитие и распределение микро водорослей 6
1.2. Световой, температурный и питательный режимы микро водорослей 8
1.3. Массовое культивирование микро водорослей и использование их в народном хозяйстве 13
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
3. БИОЛОГО-ЭКОЛОШЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕЛЕНЫХ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ 28
4. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА РОСТ, ПРОДУКТИВНОСТЬ И БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ CHLOREbbA И SCENEDESMUS ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ПОД ОТКРЫТЫМ НЕБОМ
4.1. Влияние различных минеральных питательных сред на рост, продуктивность и биохимический состав Chlorella pyrenoidosa Chick.,YA-1-1 л
4.2. Влияние импульсного концентрированного солнечного света на рост, продуктивность и биохимический состав Chlorella sp.(Р-1) h.str. И Scenedesmus (Тигр) Kuets., YA-2-6 48
5. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА РОСТ, ПРОДУКТИВНОСТЬ И БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ANKISTRODESMUS И CHLAMYDOMONAS ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
5.1. Влияние температуры, освещенности и питательной среды на рост, продуктивность и биохимический состав Ankiatrodesmus anguatus Bern. УА-3-І И A.braunii Brunnth 55
5.2. Влияние азота на рост, продуктивность и биохимический состав Ankistrodeamus anguatus Bern. УА-З-І 63
5.3. Влияние температуры, освещенности и питательной среды на рост, продуктивность и биохимический состав Chlamydomonas reinhardii,449 69
6. БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИДОВ ANKISTBODESMUS И CHLAMYDOMONAS В РАЗЛИЧНЫЕ СЕЗОНЫ ПРИ МАССОВОМ КУЛЬТИВИРОВАНИИ ПОД ОТКРЫТЫМ НЕБОМ 77
7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ CHLAMYDOMONAS REINHARDII, 449 ПРИ РАЗВЕДЕНИИ АМЕРИКАНСКИХ НОРОК 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
ВЫВОДЫ 106
РЕКОМЕНДАЦИИ 108
ЛИТЕРАТУРА 109
ПРИЛОЖЕНИЯ 138
- Экологические факторы, влияющие на развитие и распределение микро водорослей
- ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
- БИОЛОГО-ЭКОЛОШЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕЛЕНЫХ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
- Влияние различных минеральных питательных сред на рост, продуктивность и биохимический состав Chlorella pyrenoidosa Chick.,YA-1-1 л
- Влияние температуры, освещенности и питательной среды на рост, продуктивность и биохимический состав Ankiatrodesmus anguatus Bern. УА-3-І И A.braunii Brunnth
Введение к работе
В Продовольственной програвше СССР доставлена задача в одиннадцатой пятилетке довести среднегодовое производство мяса (в убойной массе) до 17-17,5 млн т, в двенадцатой - до 20-20,5 млн, молока - соответственно до 97-99 и 104-106 млн т, яиц - до 72 и 78-79 млрд штук. Главное условие выполнения этой грандиозной задачи - создание прочной кормовой базы, улучшение качества кормов и обогащение их белкоЕО-витаминяо-минеральяыми добавками.
В Узбекистане в качестве корма сельскохозяйственных животных широко используются отходы хлопковой промышленности: шелуха, шрот и жмых. В них много азотистых веществ, однако они- очень бедны витаминами и другими биологически активными соединениями. Кроме того, в шелуше, шроте и жмыхе содержится госсипол. При длительном, однообразном кормлении, недостатке или отсутствии витаминов в кормах этот алкалоид вызывает отравление и снижает продуктивность животных.
Источником высокобелковой биомассы, богатой витаминами и другими физиологически активными веществами, являются зеленые микроводоросли (хлорелла, сценедесмус, анкистродесмус и др.). В последние годы изучению физиолого-биохимических особенностей микроводорослей, вопросам культивирования и использования их в сельскохозяйственной практике уделяют большое внимание как отечественные (Музафаров и др., 1972, 1976а; Таубаев и др., 1972; Музафаров и їаубаев, 1974; Трубачев и др., 1976, I960; Калашников и др., 1978; Васигов, 1979; Аманов и др., 1980; Алимжанов и др., 1981), так и зарубежные (Salageanu, 1973; Георгиев и др., 1979; Дилов, 1980; Soeder, 1980; Becker, 1981) авторы. Объектами этих исследований служили отдельные виды протококковых водорослей из родов Chioreiia и Scenedesmus . Вместе с тем, из-
- 4 -вестно огромное количество других видов и форм, перспективных для массового выращивания и использования в различных областях народного хозяйства.
Дальнейшее развитие методов производственного культивирования микроводорослей связано с необходимостью выявления новых перспективных местных видов и штаммов микроводорослей, изучения влияния различных экологических факторов на их рост, продуктивность и биохимический состав. Нужно разработать оптимальный режим промышленного культивирования микроводорослей с учетом местных климатических условий. Б связи с этим перед нами были поставлены следующие задачи:
изучить биолого-экологические особенности зеленых микроводорослей из родов Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, Chlamydomonas, выращиваемых в различных условиях;
выяснить влияние питательных сред, импульсного концентрированного солнечного света (ИКОС) на рост, продуктивность и биохимический состав хлореллы и сцеяедесмуса при культивировании под открытым небом;
установить световой, температурный оптимум и подходящие питательные среды, а также наиболее благоприятные формы азота для роста, продуктивности и накопления ценных биохимических компонентов в биомассе анкистродесмуса и хламидомонады;
4) разработать методы массового культивирования Ankistro
desmus angustus УА-З-І, A.braunii,Chlamydomonas reinhardizM49 В
установках под открытым небом и изучить их биохимический- состав;
5) определить возможности использования биомассы Chlamydo
monas reinhardii , 449 в качестве кормовой добавки и биологичес
кого стимулятора роста и развития норок.
Б работе приводятся сведения о биолого-экологических осо-
- 5 -бенностях видов и штаммов микроводорослей из родов Ankistrodes-тив и Chlamydomonas при интенсивном и массовом культивировании в условиях Узбекистана. Описаны закономерности изменения.роста и продуктивности зеленых микроводорослей, содержания в них каротина и липидов, фракционного и аминокислотного состава белков в зависимости от внешних факторов. Установлены оптимальные режимы культивирования для интенсивного роста микроводорослей, максимального накопления их биомассы и важнейших ее компонентов. Разработаны методы массового культивирования Ankistrodeemus angustus УА-3-І, A.braunii и Chlamydomonas reinhardii , 449 в установках под открытым небом в условиях Узбекистана. Показана возможность использования пасты Chlamydomonas reinhardii , 449 как кормовой добавки, а также биологического стимулятора роста и развития американских норок. Включение хламидомонады в рацион норок оказывает стимулирующее влияние на их физиологические процессы: повышает обмен веществ, ускоряет рост и развитие. Экономическая эффективность применения пасты хламидомонады составляет 8 руй в год от каждой норки.
Экологические факторы, влияющие на развитие и распределение микро водорослей
Развитие, распределение, продуктивность и химический состав водорослей зависят от экологических факторов (температура, свет, питательные вещества, химический состав воды, колебания ее уровня, сила течения и др.).
Альгофлору и видовой состав водорослей в водоемах и почвах СССР изучали многие авторы (Киселев, 1931; Еленкия, 1936; Генералова, 1947; Гурвич, Павлова, 1954; Степанова, 1955; Музафаров, 1958, I960, 1965; Мусаев, I960; Мусаев и др., 1963; Скабичевский, I960; Эргашев, 1968, 1974, 1979; Шаларь, 1971, 1972; Коган, 1972, 1973; Кучкарова, 1974; Музафаров, Эргашев, 1975; Кулумба-ева, 1982; и др.).
В развитии и распространении водорослей большую роль играют свет и температура. Свет - один из главных факторов, действующих на фотосинтетическую способность водорослей. Снижение интенсивности освещения на 10% ослабляет фотосинтез в среднем на 19,5% (Ильинский, 1966).
Годовая сумма солнечной радиации на поверхности воды зависит от географической широты, состояния атмосферы и сезона. На территории Средней Азии солнечной радиации оольше, чем в тропиках. Это связано с тем, что в Средней Азии в летнее время высота солнца над горизонтом достигает 78, а в зимний период в полдень опускается не ниже 25. Суммарная солнечная радиация за год достигает 150-160 ккал/ем , что в 3 раза оольше, чем в Ленинградской области, и в 1,5 раза Оольше, чем в Закавказье (Борисов, 1967).
В Узбекистане в два раза больше солнечного сияния, чем в европейской части СССР. Так, в Москве продолжительность солнечного сияния составляет всего 1954 ч. в год, тогда как в Ташкенте - 2870, в Самарканде - 2916, Термезе - 3043, а в самой северной части Средней Азии, в Каракалпакии, - 2900. Теплых дней в году в Средней Азии насчитывается 236 (Эргашев, 1977).
"Полезная" интенсивность солнечной радиации в Средней Азии приходится на конец весны - начало лета. В это время температура воды в реках и каналах достигает І4-І7С, в водохранилищах, озерах и прудах - 22-26С, дренажной сети и коллекторах - 28-30С.
В них встречаются многочисленные виды водорослей, среди которых преобладают: Ankistrodesmus acicularis, Scenedesmus bijugatus, S. quadricauda, Ohlorococcum infusicmum, Chlorella vulgaris и др. (Эргашев, 1968). В рыбоводных прудах и некоторых водохра нилищах, где вода нагревается до 32С, обнаруживаются Соепосос cus planctonica Korsch., Inkistrodesmus braimii Brunnth., Scene desmus opoliensis Richter, Pediastrum duplex и др. (Эргашев, 1974).
Объекты и методы исследования
Объектами исследования служили Chlorella вр.(Р-1) h.str. Chiorella vulgaris Beyer, , 15? из коллекции Института физиологии растении АН СССР; Chlorella pyrenoidoaa Chick. YA-1-1, Scenedesmus obliquus ( Turp. )Kuetz., YA-2-6 из коллекции лаборатории водных культур Института микробиологии АН УзССР; Ankiatro-desmus braunii Brunnth. из коллекции Биологического института ЛГУ; Ankistrodesmus anguatua Bern., YA-3-1 из лаборатории биологических основ охраны водоемов Института микробиологии АН УзССР; Chlamydomanae reinhardii Dang., 449 (отселектированный штамм) из Института медико-биологических проблем Минздрава СССР.
Бее водоросли были альгологически чистыми. В накопительной культуре в условиях лаборатории их выращивали в эрленмей-еровских колбах на специальной светоустановке, освещаемой снизу люминесцентными дневными лампами. Бремя от времени колбы встряхивали вручную и продували углекислым газом из баллона.
В тех случаях, когда требовалось большое количество посевного материала, водоросли выращивали в 1,5-литровых колбах, 10-и 20-литровых бутылях в теплице, отопляемой в зимнее время. Для перемешивания суспензии колбы и бутыли через каждые 30 мин. взбалтывали. Углекислый газ в них пропускали из баллона через 5-Ю мин.
В лабораторных условиях водоросли выращивали в стеклянных сосудах, предложенных Институтом физиологии растений АН СССР (Владимирова, Семененко, 1962). Сосуды помещали в термостатированную камеру, где терморегулировка осуществлялась с использованием ультратермостата УТ-І5. Воздух для перемешивания, содержащий 1-2/6 углекислого газа, барботировался микрокомпрессором.
Источником света служили лампы ДРЛ-250 и 400. Разное освещение создавали изменением расстояния между лампами и сосудами. А.ап-gustus YA-3-1 и A.braunii выращивали при температуре 20 и 30С, интенсивности Освещения 5 И 10 ТЫС.ЛК, Chlaraydomonae reinhardii Dang. . 449 " ПРИ температуре 30 и 35С, интенсивности освещения 10 и 15 тыс.лк.
Под открытым небом водоросли культивировали в горизонтальной установке лоткового типа, разработанной Биологическим институтом ЛГУ (Пиневич, Верзилин, 1963; рис.2.1). Она представляет собой прямоугольник длиной 10 м, шириной 0,8 м и глубиной 10-12 см, выстилаемый полиэтиленовой пленкой или пластиком. Вдоль установки посредине монтируется разделительная доска, концы которой не доходят до боковых коротких сторон ее на 30-40 см. Поперечными рейками доска прикрепляется к бортам установки. Для ликвидации зазора между разделительной доской и дном нижняя часть ее обивается резиновой трубкой. Перемешивание суспензии осуществляется при помощи насоса 36 МЦ 4-12. СО2 подается из баллона через штуцер, приваренный- под крылчатку трубы.
Биолого-эколошческие особенности зеленых микроводорослей
Зеленые микро водоросли, составляющие довольно большую группу низших растений, широко распространены в природе. Они обитают в различных водоемах, почвах, на каменистых скалах, заборах, коре деревьев, снежном и ледяном покрове.
Встречаются одноклеточные, многоклеточные, колониальные и цеяобиальные формы водорослей. Мы исследовали представителей отдела зеленых водорослей, класса протококковых (хлорелла, сцене-десмус, анкистродесмус) и из вольвоксовых - хламидомонаду. Они различаются формой и строением клеток.
В последнее время большое внимание как объектам производственного культивирования уделяется не только хлорелле и сцене-десмусу, но и представителям других родов - Ankistrodesmus и Chiarnydomonas. (Бердыкулов и др., I960). Эти водоросли хорошо приспособлены к изменяющимся условиям, переносят охлаждение до нескольких десятков градусов, не погибают от высушивания.
В условиях Узбекистана для массового культивирования использовались в основном представители родов Chioreiia и scenedesmus. В результате наших исследований в массовую культуру введены новые формы зеленых водорослей из родов Ankistrodesmus и Chiarnydomonas. Их можно с успехом культивировать в условиях, не пригодных для выращивания хлореллы и сценедесмуса.
Chlorella pyrenoidosa Chick. YA-1-1. Термофильный штамм, выделенный из почв хлопковых полей в окрестностях г.Ташкента. При выращивании в установках под открытым небом строение их клеток зависит от условий культивирования (питательная среда). На концентрированной питательной среде (среда Тамия) размер клеток хлореллы в стационарной фазе достигает 11,5-13,0 мкм (рис.3.1).
Влияние различных минеральных питательных сред на рост, продуктивность и биохимический состав Chlorella pyrenoidosa Chick.,YA-1-1 л
Микроводоросли, в отличие от наземных высших растений, обладают большой лабильностью и приспособляемостью. При изменении режима культивирования в широком диапазоне изменяются морфологическое строение клеток, скорость роста, деление, продуктивность и химический состав микро водорослей. Содержание витаминов, белков, жиров, углеводов и других веществ в биомассе микроводо-рослей зависит от питательной среды и других факторов (температура, свет) ( Moyse , 1956; Миг, 1969; Kessler , 1974; Будрене, Янкявичюс, 1977; Георгиев и др., 1979; Никитина, 1979; Шнюкова, 1980; и др.).
При культивировании хлореллы с повышенной концентрацией сульфатов магния (35,94 г/л), калия (25,42 г/л), натрия (20,75 г/л) накопление хлорофилла и белка уменьшается соответственно на 18 и 14$, а жира - повышается на 12% (Оганесян и др., 1977а).
При выращивании хлореллы на среде без азота и магния содержание аминокислот повышается на 60%, а синтез РНК в биомассе снижается на 70% (Трубачев и др., 1980).
Д.И.Пячюлите и К.К.Янкявичюс (1982), изменяя температуру и содержание питательных веществ в среде, добился изменения темпов роста и аминокислотного состава хлореллы.
Таким образом, знание влияния различных факторов внешней среды позволяет регулировать рост и химический состав ыикроводо - 45 -рослей. Исследований по подбору минеральных питательных сред для роста и развития местного штамма Chlorella pyrenoidosa , УА-І-І под открытым небом, а также изучению биохимического состава его биомассы проводилось недостаточно.
Термофильный штамм Chlorella pyrenoidosa, УА-І-І культивировали в наиболее благоприятный для него период (август) на 4 минеральных питательных средах. Модифицированная питательная среда Тамия оказалась наиболее благоприятной для культивирования Chlorella pyrenoidosa » УА-І-І под открытым небом (табл.4.1.1). При этом плотность культуры составляла 189,5 млн кл/мл, продук-тивность - 28,0 г/м в сутки, содержание каротина - 271,0 мг%, сырого протеина - 53,12%. У хлореллы, выращенной на питательных средах 04 и Тамия, эти показатели различались незначительно, но содержание липидов самым высоким было на питательной среде 04 (19,1%). У хлореллы, выращенной на питательной среде Майерса, показатели роста, продуктивности, содержания каротина, белка и суммы липидов оказались самыми низкими.
Влияние температуры, освещенности и питательной среды на рост, продуктивность и биохимический состав Ankiatrodesmus anguatus Bern. УА-3-І И A.braunii Brunnth
Различные виды и штаммы водорослей, относящихся к родам Ghloreila и Scehedesmus » исследованы достаточно хорошо. Изучены их биологические особенности в лабораторных условиях, в экстенсивных и интенсивных культурах, разработаны методы культивирования в производственных условиях. О других же микроводорослях, в частности о роде анкистродесмус и из вольвоксовых хламидомонаде, известно мало. В то же время, сравнительное изучение их имеет практическое значение.
Г.М.Паламарь-Мордвинцева, Н.В.Костлан (1964), Г.М.Паламарь-Мордвияцева (1966) исследовали полиморфизм клеток Ankistrodesmus braunii Brunnth., вызываемый высокими концентрациями солей в питательной среде, а также влияние различных источников азота на содержание белка в клетках этой водоросли. Ими установлено, что при культивировании A.braunii на питательной среде с высокой концентрацией солей появляются овальные клетки, сходные с клетками хлореллы.
Аналогичную картину наблюдали А.Э.Эргашев и др. (1974) при культивировании A.minutissimus на питательной среде с высокими концентрациями азотсодержащих соединений в условиях высокой температуры.
Л.Д.Кондратьева и Б.В.Громов (1972) изучали продуктивность и некоторые биохимические компоненты клеток трех видов анкистродесмуса в лабораторных условиях: Ankistrodesmus septosus; A.braunii 397; A.sp., 305, выращенных на среде й 6. Среднесуточный прирост биомассы трех видов анкистродесмуса варьировал от 0,6 до 1,0 г/л.
Мы исследовали два вида анкистродесмуса: A. angustue, УА-3-І, выделенный из сточной воды г.Ахангарана (до альгологи-ческого состояния доведен ст.н.с. Х.Бердыкуловым и м.я.с. Д.Нуриевой), и для сравнения A. braunii.
У A. angustus наиболее нормальный рост и состояние клеток достигнуты при выращивании на среде Ягужинского при температуре 20-22С и интенсивности освещения 5-7 тыс.лк. Здесь число клеток культуры составляло 78,2 млн кл/мл - 1,90 г/л сухого вещества (рис.5.1.1). При повышении температуры до 30С и иятея« сивности освещения до 10 тыс.лк с повышением плотности до 150 млн кл/мл (2,24 г/л сухого вещества) состояние культуры ухудшалось и изменялась морфология клеток.
