ALGAE BIOTECHNOLOGY IN AQUACULTURE

БИОТЕХНОЛОГИЯ ВОДОРОСЛЕЙ В АКВАКУЛЬТУРЕ

Обзорная статья

Руденко Р.А.^1, *, Ткачева И.В.²

¹ Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Россия;

² Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

* Корреспондирующий автор (6195756[at]mail.ru)

Аннотация

Микроводоросли - это очень разнообразная группа одноклеточных организмов, состоящая из простейших эукариот и прокариотических цианобактерий или сине-зеленых водорослей. Микроводоросли обладают уникальным экологическим статусом; будучи практически повсеместными в эвфотических водных нишах, они могут занимать экстремальные места обитания, начиная от тропических коралловых рифов и заканчивая полярными регионами, и вносят вклад в половину фотосинтетической активности земного шара. Кроме того, они составляют основу пищевой цепи для более 70% мировой биомассы. Микроводоросли являются ценным экологическим и биотехнологическим ресурсом, и цель этого обзора - изучить использование технологий in vitro для сохранения и устойчивого использования этой замечательной группы организмов. В первой части обзора оценивается важность методов in vitro в поддержании и сохранении микроводорослей и описывается центральная роль коллекций культур в прикладных исследованиях водорослей. Во второй части исследуется применение технологий микроводорослей in vitro, особенно в контексте аквакультуры и биотехнологии. Особое внимание уделяется использованию экономически важных продуктов из водорослей, включая корм для аквакультуры, производство биомассы для сектора здравоохранения, зеленые удобрения, пигменты, витамины, антиоксиданты и антимикробные агенты. Также оценивается вклад микроводорослей в исследования окружающей среды; например, они играют важную роль в качестве индикаторных организмов при оценке воздействия на окружающую среду. Точно так же для тестирования экотоксичности используются специальные коллекционные штаммы микроводорослей.

Ключевые слова: микроводоросли, аквакультура, кормление, рацион, рыбоводство.

ALGAE BIOTECHNOLOGY IN AQUACULTURE

Review article

Rudenko R.A.^1,*, Tkacheva I.V.²

¹ Don State Agrarian University, Persianovsky, Rostov Oblast, Russia;

² Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia

* Corresponding author (6195756[at]mail.ru)

Abstract

Microalgae are a very diverse group of unicellular organisms consisting of protozoan eukaryotes and prokaryotic cyanobacteria or blue-green algae. Microalgae have a unique ecological status; while being almost ubiquitous in euphotic zones, they can occupy extreme habitats, ranging from tropical coral reefs to polar regions, and contribute to half of the photosynthetic activity of the globe. In addition, they form the basis of the food chain for more than 70% of the world's biomass. Microalgae are a valuable ecological and biotechnological resource, and the purpose of this review is to study the use of in vitro technologies for the conservation and sustainable use of this remarkable group of organisms. The first part of the review assesses the importance of in vitro methods in the maintenance and preservation of microalgae and describes the central role of culture collections in applied algae research. The second part examines the application of microalgae technologies in vitro, particularly in the context of aquaculture and biotechnology. Special attention is paid to the use of economically important algae products, including feed for aquaculture, biomass production for the health sector, green fertilizers, pigments, vitamins, antioxidants and antimicrobial agents. The contribution of microalgae to environmental studies is also evaluated; for example, they play an important role as indicator organisms in environmental impact assessment. Similarly, special collection strains of microalgae are used to test ecotoxicity.

Keywords: microalgae, aquaculture, feeding, diet, fish farming.

Введение

Приведенный обзор имеет высокую актуальность в сфере товарного производства и кормления рыбы, поскольку в существующей литературе автору не удалось найти подобной информации.

Микроводоросли - это микроскопические пресноводные или морские организмы, которые играют ключевую роль в природе в качестве источника пищи для высших животных (зоопланктон, рыба), для переноса питательных веществ в водных пищевых сетях и для балансового обмена CO2 между океаном и атмосферой. Микроводоросли - это микроскопические пресноводные или морские организмы. Они представляют собой очень разнообразную группу, размер которой варьируется от нескольких сотых миллиметра до нескольких десятых миллиметра, принимает множество различных форм и существует поодиночке, цепочками или группами. Микроводоросли занимают очень широкий спектр местообитаний, включая формы, которые живут на открытом воздухе, в воде (фитопланктон) или на поверхности (бентос) и адаптированы к экстремальным физическим и химическим условиям (экстремальные температуры, соленость, pH). Хорошо известные природные явления, связанные с микроводорослями, включают цветение зеленых водорослей в пресноводных прудах или озерах летом и «красные приливы» в море.

Биотехнология микроводорослей включает:

• Углеродно-нейтральное производство биотоплива и производство биоэнергии;
• Улавливание и биоконверсия диоксида углерода (CO2) в промышленных процессах;
• Ингредиенты для здоровья и благополучия человека, включая эфирные масла омега-3, антиоксиданты и пигменты;
• Ингредиенты для кормов для аквакультуры и сельского хозяйства;
• Биоремедиация и повышение ценности сельскохозяйственных и промышленных стоков.
• Производители энергии и тяжелая промышленность, производящие CO2 в качестве побочного продукта (включая электростанции, работающие на ископаемом топливе и биомассе)
• Предприятия по очистке городских сточных вод;
• Крупные животноводческие предприятия, выбрасывающие сточные воды (как в сельском хозяйстве, так и в аквакультуре). 

Применение микроводорослей

1. Аква-корм

Микроводоросли повсеместно используются в качестве источника корма в промышленных инкубаторах для выращивания молоди морской рыбы и моллюсков. Во всем мире существуют тысячи морских рыбоводных заводов, ежегодно производящих миллиарды мальков и моллюсков. Для этой цели было принято относительно небольшое количество (~ 6-10) видов микроводорослей, которые легко выращивать. В большинстве случаев микроводоросли выращиваются на месте персоналом инкубатория и передаются в живом виде личинкам рыб / моллюсков. В соответствии с этим сценарием возможности продаж инкубаториям в основном состоят из оборудования и расходных материалов, необходимых для производства микроводорослей: фотобиореакторов, насосов, освещения, питательных смесей и т. д. Тем не менее, для инкубаториев растет потребность в покупке патентованных концентратов микроводорослей для упрощения операции на месте. Эти концентраты поставляются компаниями, специализирующимися на крупномасштабном производстве и переработке микроводорослей.

Проблемы с использованием микроводорослей в качестве корма для аквакультуры:

Высокие затраты, связанные с выращиванием водорослей, риски загрязнения и временные колебания пищевой ценности водорослей по-прежнему создают проблемы для любой аквакультуры, зависящей от массовых культур одноклеточных водорослей. Чтобы преодолеть или уменьшить проблемы и ограничения, связанные с культурами водорослей, различные исследователи пытались заменить водоросли, используя искусственные диеты либо в качестве добавки, либо в качестве основного источника пищи. Для снижения потребности в выращивании водорослей на месте применяются различные подходы, включая использование консервированных водорослей, микрокапсулированных кормов и кормов на основе дрожжей. Есть дополнительные возможности для развития сектора за счет внедрения продуктов более высокого качества, поскольку широко признано, что существующие концентрированные продукты из микроводорослей по-прежнему не подходят для использования в инкубаториях с живыми микроводорослями. 

2. Биологически активные добавки

Наиболее важными видами микроводорослей для этой цели являются Dunaliella salina, Arthrospira sp, Chlorella sp и Aphanizomenon flosaquae. В основном они производятся в открытых прудах или неглубоких каналах, но также и в закрытых фотобиореакторах в более северных широтах, включая Европу. Некоторые цианобактерии, например Arthrospira platensis и A. maxina, также продаются как цельные продукты, поскольку они особенно богаты белком (до 77% сухой массы) и содержат все незаменимые аминокислоты, ряд важных незаменимых жирных кислот (НЖК) и витамины. групп B, C, D и E.

3. ПНЖК и ВНЖК

Омега-3 - это натуральные масла морского происхождения, содержащие длинноцепочечные жирные кислоты серии n-3, такие как DHA (докозагексаеновая кислота) и EPA (эйкозапентаеновая кислота). Эти жирные кислоты считаются незаменимыми с точки зрения питания, поскольку они не могут быть синтезированы человеком и выполняют важные физиологические функции. Микроводоросли являются основным источником масел омега-3 в морской пищевой цепи, где они накапливаются, особенно в тканях жирных рыб, таких как анчоусы и сардины. Основным источником коммерчески доступных масел омега-3 в настоящее время является выловленная морская рыба, такая как жир печени трески, на долю которого приходится около 85% рынка по объему. Однако поставкам омега-3 из морских источников угрожают неблагоприятные условия окружающей среды, которые способствовали снижению уровней DHA в рыбьем жире, особенно из рыб южноамериканских вод, которые являются основными поставщиками рыбьего жира, а также истощают мировые рыбные запасы. Эти неблагоприятные экологические факторы в сочетании с истощением рыбных запасов способствуют росту мирового рынка омега-3 на основе водорослей, на долю которого в настоящее время приходится около 3% всего рынка омега-3. Масла омега-3 на основе микроводорослей также привлекают вегетарианцев, и этот подсектор рынка водорослевых масел растет. 

Очистка сточных вод

В настоящее время хорошо известно, что микроводоросли обладают высоким потенциалом снижения содержания питательных веществ и органических веществ из сточных вод. Он широко используется для фиторемедиации в аквакультуре. Сообщалось о процентном удалении 75%, 84% и 89% аммиака, нитрита и фосфора соответственно. Комбинация очистки сточных вод и фиксации углекислого газа из водорослей обеспечивает преимущества в виде экономии химикатов для очистки воды и, как следствие, экологических выгод. Кроме того, предусмотрен путь для удаления ионов азота, фосфора и металлов из сточных вод, и этот путь обеспечивает биомассу водорослей, которую можно в дальнейшем использовать для производства биотоплива или других инновационных продуктов.

Заключение

Хотя интерес к биотопливу из микроводорослей во всем мире растет, вокруг него много шумихи. По мере развития сектора становится все яснее, что биотопливный компонент микроводорослей станет коммерчески жизнеспособным только в том случае, если биомасса будет полностью использована для производства всех компонентов с добавленной стоимостью. Однако в настоящее время область выработки натуральных продуктов из микроводорослей недостаточно развита, и, за исключением небольшого количества компонентов, практически нет полного анализа затрат на улучшение коммерциализации. Эта область, которая нуждается в согласованной поддержке в краткосрочной перспективе.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шивокене Я.С. Численность и биомасса бактерий пищеварительного тракта прудовых рыб в зависимости от особенностей их питания / Я.С. Шивокене, О.П. Трепшене // Вопросы ихтиологии. - 1995.- Т.25, вып. 5. - С.821-827.
2. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное питание / Б.А. Шендеров. – М.:, 1998. - 413 с.
3. Фермерская аквакультура: Рекомендации. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. – 192 с.
4. Абросимова Н.А. Липидная добавка для корма осетровых рыб / Н.А. Абросимова, Е.Г. Белов, Е.М. Саенко и др.- А.с. N 1585909 /СССР/. – 2010. – ДСП.- 9 с.
5. Антипов В.А. Эффективность и перспективы применения пробиотиков / В.А. Антипов, В.М. Субботин // Ветеринария. – 2009. - №12. – С. 12 – 16.
6. Баденко Л. В. Выращивание двухгодовика севрюги на искусственных кормах с применением антибиотиков / Л. В. Баденко, Ю. С. Велокопытин, Т.Ф. Шувалова // Науно-техн. информ. BHJfpo, 2007, N-С.56-65.
7. Баталова Т.А. Коррекция нормофлоры кишечника человека / Т.А. Баталова, Д.Н. Лазарева, Л.М. Голубева // Материалы науч. – практич. конф. – Уфа, 2013. – С. 14 -17.
8. Бергнер Х.Р. Научные основы питания сельскохозяйственных животных / Х.Р. Бергнер, Х.А. Кетц // Пер. с нем. М.: Колос, 2013.- 597 с.
9. Берман Ш. А. Исследования о роли антибиотиков в кормлении карпа / Ш. А. Берман.- Известия АН Латв. ССР, 2016, N3.- С.151-154.
10. Бондаренко Л.Г. Стартовый комбикорм для рыб / Л.Г. Бондаренко, И.А. Бурцев, Т.А. Орлова.- А.с. N 1084005 /СССР/.- 2017.
11. Butler N. The transition from fossil fuels, Sustainable Energy / N. Butler // Cambridge Energy Forum. 2006.
12. Day J.G. In vitro Culture and Conservation of Microalgae: Applications for Aquaculture, Biotechnology and Environmental Research / John G Day, Erica E, Benson, Roland A, Fleck // In Vitro Cellular & Developmental Biology Plant, 1999. 35(2): 127-136.
13. Olaizola M. Commercial development of microalgal biotechnology: from the test tube to the marketplace / M. Olaizola // Biomolecular Engineering, 2003. 20: 459-466.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shivokene Ya. S. Chislennost' i biomassa bakterijj pishhevaritel'nogo trakta prudovykh ryb v zavisimosti  ot  osobennostejj ikh pitanija [The number and biomass of bacteria in the digestive tract of pond fish, depending on the characteristics of their nutrition] / Ya. S. Shivokene, O. P. Trepshene // Voprosy ikhtiologii [Issues of ichthyology].  - 1995. - Vol. 25, issue 5. - pp. 821-827 [in Russian]
2. Shenderov B. A. Medicinskaja mikrobnaja ehkologija i funkcional'noe pitanie [Medical microbial ecology and functional nutrition] / B. A. Shenderov. - M.: 1998. -413 p. [in Russian]
3. Fermerskaja akvakul'tura: Rekomendacii [Farm aquaculture: Recommendations]. - M.: FGNU "Rosinformagrotekh", 2007. - 192 p. [in Russian]
4. Abrosimova N. A. Lipidnaja dobavka dlja korma osetrovykh ryb [Lipid additive for sturgeon fish feed] / A. Abrosimova, E. G. Belov, E. m. Saenko, et al. - A. S. N 1585909 /USSR/. - 2010 – chipboard.- 9 p. [in Russian]
5. Antipov V. A. Ehffektivnost' i perspektivy primenenija probiotikov [The effectiveness and prospects of the use of probiotics] / V. A. Antipov, V. M. Subbotin // Veterinarija [Veterinary medicine]. - 2009. - No. 12. - pp. 12-16. [in Russian]
6. Badenko L. V. Vyrashhivanie dvukhgodovika sevrjugi na iskusstvennykh kormakh s primeneniem antibiotikov [Growing a two-year­-old sevryuga on artificial feeds with the use of antibiotics] / L. V. Badenko, Yu. S. Velokopytin, T. F. Shuvalova - 2007, N11. - pp. 56-65 [in Russian]
7. Batalova T. A. Korrekcija normoflory kishechnika cheloveka [Correction of the normoflora of the human intestine] / A. Batalova // Materialy nauch. – praktich. konf. [Proceedings of the scientific and practical conference] - Ufa, 2013. - pp. 14 -17 [in Russian]
8. Bergner H. R. Nauchnye osnovy pitanija sel'skokhozjajjstvennykh zhivotnykh [Scientific bases of nutrition of farm animals] / H. R. Bergner, H. A. Ketz / Translation from German. Moscow: Kolos, 2013. - 597 p. [in Russian]
9. Berman Sh. A. Issledovanija o roli antibiotikov v kormlenii karpa [Research on the role of antibiotics in carp feeding].- Izvestia AN Latv. SSR, 2016, N3. - pp. 151-154. [in Russian]
10. Bondarenko L. G. Startovyjj kombikorm dlja ryb. [Starting compound feed for fish] / L. G. Bondarenko, I. A. Burtsev, T. A. Orlova. - A. S. N 1084005 /USSR/.- 2017 [in Russian]
11. Butler N. The transition from fossil fuels, Sustainable Energy / N. Butler // Cambridge Energy Forum. 2006.
12. Day J.G. In vitro Culture and Conservation of Microalgae: Applications for Aquaculture, Biotechnology and Environmental Research / John G Day, Erica E, Benson, Roland A, Fleck // In Vitro Cellular & Developmental Biology Plant, 1999. 35(2): 127-136.
13. Olaizola M. Commercial development of microalgal biotechnology: from the test tube to the marketplace / M. Olaizola // Biomolecular Engineering, 2003. 20: 459-466.