А.А. Чекушкин1, А.С. Гулин2, А.С. Лелеков3

1–6 ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАН» (г. Севастополь, Россия)
 

Постановка проблемы. Культивирование микроводорослей в условиях естественного освещения является основным способом получения их биомассы в промышленных масштабах. Скорость роста микроводорослей в основном определяется интенсивностью света и температурой. В лабораторных условиях при накопительном способе культивирования освещенность поверхности фотобиореактора обычно поддерживается постоянной. При нахождении культуры в условиях естественного освещения количество световой энергии, получаемое клетками, периодически изменяется в широком диапазоне, достигая 400–500 Вт/м2 (100–120 клк) в районе г. Севастополя. Температура культуральной среды определяет поступление питательных веществ в клетку, конформацию макромолекул, кинетику биохимических реакций. Оптический метод контроля роста культуры микроводорослей является наиболее простым в применении и широко распространен среди исследователей. Одним из элементов предлагаемой системы контроля микроводорослей является датчик оптической плотности. Известные ныне различные датчики оптической плотности имеют однотипную конструкцию и не могут быть использованы для контроля роста цианобактерии A. platensis в полупромышленных условиях, поскольку в конструкциях датчиков применяются светодиоды инфракрасного спектра, а в данном диапазоне большой вклад в поглощение света вносит растворенное органическое вещество.

Цель. Разработать готовое устройство, позволяющее регистрировать биомассу A. platensis при ее полупромышленном культивировании, температуру культуральной среды и поверхностную облученность; предложить максимально простую конструкцию, состоящую из широкодоступных комплектующих.

Результаты. Предложена конструкция устройства на базе платформы Arduino для получения данных о биомассе микроводорослей, температуре культуральной суспензии и облученности поверхности бассейна при полупромышленном культивировании A. platensis. Разработаны конструкции датчиков, сняты калибровочные кривые и произведен расчет поправочных коэффициентов, которые необходимы для использования данного устройства. Отмечено, что устройство включает в себя датчик температуры, облученности и оптической плотности, подключенные к платформе Arduino Mega, а данные с датчиков выводятся на LCD-экран и записываются на Micro SD карту.

Практическая значимость. Представленная разработка характеризуется мобильностью и надежностью конструкции. За счет применения доступной платформы Arduino, а также распространенных комплектующих устройство имеет низкую стоимость изготовления. Возможность непрерывного контроля основных параметров роста микроводорослей позволяет использовать устройство как в полупромышленных и лабораторных исследованиях, так и в экспедиционных условиях для получения данных о росте различных видов и штаммов микроводорослей, не покидая водоема.

Чекушкин А.А., Гулин А.С., Лелеков А.С. Система контроля роста культуры Arthrospira platensis в полупромышленных условиях // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 3. С. 23–31. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202303-03

1. Минюк Г.С., Дробецкая И.В., Чубчикова И.Н., Терентьева Н.В. Одноклеточные водоросли как возобновляемый биологический ресурс: обзор // Морской экологический журнал. 2008. Т. 7 (2). С. 5–23.
2. 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.
3. Lafarga, T.; Fernandez-Sevilla, J.M.; Gonzalez-Lopez, C.; Acien-Fernandez, F.G. Spirulina for the food and functional food Industries. Food Res. Int. 2020. V. 137. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109356.
4. 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. Journal of Applied Phycology. 1991. V. 3, P. 103–109. DOI: https://doi.org/ 10.1007/BF00003691.
5. Jallet D., Caballero M. A., Gallina A. A., Youngblood M., Peers G. Photosynthetic physiology and biomass partitioning in the model diatom Phaeodactylum tricornutum grown in a sinusoidal light regime. Algal Research. 2016. V. 18. Р. 51–60. DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2016.05.014.
6. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика: Практический курс. М.: ФАИР – ПРЕСС/ 1999. C. 720.
7. Borowitzka M. A., Borowitzka L. J. Microalgal biotechnology. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 1998. P. 480.
8. Sandnes J.M., Ringstad T., Wenner D., Heyerdahl P.H., Källqvist T., Gislerød H.R. Real-time monitoring and automatic density control of large-scale microalgal cultures using near infrared (NIR) optical density sensors. J. Biotech. 2006. V. 122. P. 209–215. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2005.08.034.
9. Fei J., Murat K., Kimberly L.O. Multi-Wavelength Based Optical Density Sensor for Autonomous Monitoring of Microalgae. Sensors. 2015. V. 15, P. 22234–22248. DOI: https://doi.org/10.3390/s150922234.
10. Briassoulis D., Panagakis P., Chionidis M., Tzenos D., Lalos A., Tsinos C., Berberidis K., Jacobsen A. An experimental helical-tubular photobioreactor for continuous production of Nannochloropsis sp. Bioresour. Technol. 2010. V. 101. P. 6768–6777. DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-015-6876-7.
11. Yao Y. Development of an algal optical density sensor. ASABE, 2013.
12. Nedbal L., Trtílek M., Červený J., Komárek O., Pakrasi H.B. A photobioreactor system for precision cultivation of photoautotrophic microorganisms and for high-content analysis of suspension dynamics. Biotechnol. Bioeng. 2008. V. 100. P. 902–910.
13. Никитина З.К., Насибов Э.М., Гордонова И.К., Савин П.С. Влияние условий культивирования Aspergillus fumigatus на секрецию коллагенолитических протеаз // Технологии живых систем. 2023. T. 20. № 2. С. 53-62. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700997-202302-06.