vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.1041SLSIBEvuzbiochemi-1715Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYЭкспресс-метод контроля содержания фотосинтетических пигментов в культуре низших фототрофовExpress method for assessing photosynthetic pigment content in lower phototrophshttps://orcid.org/0000-0002-2120-9589КлочковаВ. С.KlochkovaV. S.

Клочкова Виктория Сергеевна, младший научный сотрудник

299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2

Viktoria S. Klochkova, Junior Researcher

2, Nakhimov Ave., Sevastopol, 299011

vsklochkova@ibss-ras.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7412-8283ГудвиловичИ. Н.GudvilovichI. N.

Гудвилович Ирина Николаевна, к.б.н., старший научный сотрудник

299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2

Irina N. Gudvilovich, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher

2, Nakhimov Ave., Sevastopol, 299011

gudirina@ibss-ras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1213-7963ЛелековА. С.LelekovA. S.

Лелеков Александр Сергеевич, д.б.н., ведущий научный сотрудник

299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2

Alexander S. Lelekov, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher

2, Nakhimov Ave., Sevastopol, 299011

a.lelekov@ibss-ras.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6612-491XБоровковА. Б.BorovkovA. B.

Боровков Андрей Борисович, к.б.н., ведущий научный сотрудник

299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2

Andrei B. Borovkov, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher

2, Nakhimov Ave., Sevastopol, 299011

biotex@ibss-ras.ruФедеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН»РоссияA.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of SciencesRussian Federation20250607202600Принято в печать1715Copyright © Клочкова В.С., Гудвилович И.Н., Лелеков А.С., Боровков А.Б., 20252025Клочкова В.С., Гудвилович И.Н., Лелеков А.С., Боровков А.Б.Klochkova V.S., Gudvilovich I.N., Lelekov A.S., Borovkov A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1715

Целью работы являлась установка количественных закономерностей между сухим веществом, концентрацией фотосинтетических пигментов и оптической плотностью культур низших фототрофов. Объектами исследования стали красная морская микроводоросль Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross и цианопрокариота Arthrospira (Spirulina) platensis North, которые выращивались в открытых бассейнах при естественном освещении. В экспериментах определялись сухое вещество, оптические плотности на длинах волн 545, 620, 680, 750 нм, а также концентрации пигментов (хлорофилл а, В-фикоэритрин и С-фикоцианин) по стандартным биохимическим методикам и по разделению истинных спектров поглощения методом кривых Гаусса. Определены коэффициенты линейной корреляции сухого вещества и оптической плотности D750, которые оказались близки для обоих объектов. Показано, что концентрации пигментов, рассчитанные биохимическими и математическими методами, линейно коррелируют при использовании стандартных коэффициентов экстинкции. Тангенсы углов наклона линейных корреляций для культуры Porphyridium purpureum составили 0,96 для хлорофилла а и 0,99 для В-фикоэритрина, для Arthrospira platensis – 1,46 и 1,3 для хлорофилла а и С-фикоцианина соответственно. Предложен альтернативный подход на основе оптической плотности культур ΔDλ и эмпирически определенного коэффициента. При увеличении длины оптического пути в 2 раза соотношение концентрации пигментов и ΔDλ для Porphyridium purpureum уменьшилось в 2 раза, а для Arthrospira platensis коэффициенты отличаются в 1,8–1,9 раза. Полученные формулы для расчета показателей культур Porphyridium purpureum и Arthrospira platensis позволят производить экспресс-оценку содержания хлорофилла и фикобилипротеинов в биомассе микроводорослей.

This study aims to establish quantitative relationships between dry biomass, photosynthetic pigment concentrations, and optical density in cultures of lower phototrophs. The red marine microalga Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross and the cyanoprokaryote Arthrospira (Spirulina) platensis North were used as model organisms and were cultivated in open ponds under natural illumination. In the experiments, dry biomass was measured together with optical density at 545, 620, 680, and 750 nm. Pigment concentrations (chlorophyll a, B-phycoerythrin, and C-phycocyanin) were determined using standard biochemical assays and by deconvolution of true absorption spectra with Gaussian curve fitting. Linear correlation coefficients between dry biomass and optical density at 750 nm (D750) were determined, and their values were similar for both species. Pigment concentrations calculated by biochemical and mathematical methods showed linear correlations when standard extinction coefficients were applied. For Porphyridium purpureum, the slopes of the linear correlations were 0.96 for chlorophyll a and 0.99 for B-phycoerythrin. For Arthrospira platensis, the corresponding values were 1.46 and 1.3 for chlorophyll a and C-phycocyanin, respectively. An alternative approach was developed based on culture optical density ΔDλ and an empirically determined coefficient. When the optical path length was doubled, the ratio of pigment concentration to ΔDλ decreased twofold for Porphyridium purpureum, whereas for Arthrospira platensis the coefficients differed by a factor of 1.8–1.9. The resulting equations for Porphyridium purpureum and Arthrospira platensis enable rapid estimation of chlorophyll and phycobiliprotein content in microalgal biomass.

микроводорослиспектр поглощенияоптическая плотностьбиомассахлорофилл афикобилипротеиныmicroalgaeabsorption spectrumoptical densitybiomasschlorophyll aphycobiliproteinsРабота выполнена при поддержке грантов Российского научного фонда № 24-26-20131 «Разработка научного обоснования промышленного производства функциональных продуктов питания, включающих экстракты микроводоросли порфиридиум» (исследования культуры Porphyridium purpureum) и № 24-16-00245 «Оценка иммуномодулирующих и антиоксидантных свойств водного экстракта фикобилипротеинов (С-фикоцианин, B-фикоэритрин), перспективной кормовой добавки для гигантской устрицы Magallana gigas» (исследования культуры Arthrospira platensis).The Russian Science Foundation supported this work (grant no. 24-26-20131 “Scientific justification for the industrial production of functional food products, including porphyridium microalgae extracts” (study of Porphyridium purpureum culture) and grant no. 24-16-00245 “Evaluation of the immunomodulatory and antioxidant properties of phycobiliproteins aqueous extract (C-phycocyanin, B-phycoerythrin), a promising feed additive for the giant oyster Magallana gigas” (study of Arthrospira platensis culture)).ReferencesКаленик Т.К., Добрынина Е.В., Остапенко В.М., Тори Я., Хироми Ю. Исследование пигментов сине-зеленой водоросли спирулины платенсис для практического использования в технологиях кондитерских изделий // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2019. Т. 81. N 2. С. 170–176. DOI: 10.20914/2310-1202-2019-2-170-176. EDN: MIJHST.Kalenik T.K., Dobrynina E.V., Ostapenko V.M., Torii Y., Hiromi J. Research of pigments of blue-green algae Spirulina platensis for practical use in confectionery technology. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2019;81(2):170-176. (In Russian). DOI: 10.20914/2310-1202-2019-2-170-176.Marzorati S., Schievano A. Idà A., Verotta L. Carotenoids, chlorophylls and phycocyanin from Spirulina: supercritical CO2 and water extraction methods for added value products cascade // Green Chemistry. 2020. Vol. 22, no. 1. P. 187–196. DOI: 10.1039/c9gc03292d.Marzorati S., Schievano A. Idà A., Verotta L. Carotenoids, chlorophylls and phycocyanin from Spirulina: supercritical CO2 and water extraction methods for added value products cascade. Green Chemistry. 2020;22(1):187-196. DOI: 10.1039/c9gc03292d.Cunningham F.X., Dennenberg R.J., Mustardy L., Jursinic P.A., Gantt E. Stoichiometry of photosystem I, photosystem II, and phycobilisomes in the red alga Porphyridium cruentum as a function of growth irradiance // Plant Physiology. 1989. Vol. 91, no. 3. P. 1179–1187. DOI: 10.1104/pp.91.3.1179.Cunningham F.X., Dennenberg R.J., Mustardy L., Jursinic P.A., Gantt E. Stoichiometry of photosystem I, photosystem II, and phycobilisomes in the red alga Porphyridium cruentum as a function of growth irradiance. Plant Physiology. 1989;91(3):1179-1187. DOI: 10.1104/pp.91.3.1179.Шкреблик У.Д, Дмитрович Н.П. Накопление основных пигментов в клетках водоросли Porphyridium purpureum в зависимости от условий культивирования // Инновационные технологии в промышленности и образовании: материалы I Междунар. науч. конф. (г. Пинск, 14 декабря 2023 г.). Пинск: Изд-во ПолесГУ, 2023. С. 390–392. EDN: VFELCR.Shkreblik U.D., Dmitrovich N.P. Accumulation of basic pigments in cells of the alga Porphyridium purpureum depending on the conditions of cultivation. In: Innovative technologies in industry and education: Proc. 1 st Int. Sci. Conf. 14 December 2023, Pinsk. Pinsk: Polessky State University; 2023, p. 390-392. (In Russian). EDN: VFELCR.Markina Z.V. Flow cytometry as a method to study marine unicellular algae: development, problems, and prospects // Russian Journal of Marine Biology. 2019. Vol. 45, no. 5. P. 333–340. DOI: 10.1134/S1063074019050079. EDN: ADMOJP.Markina Z.V. Flow cytometry as a method to study marine unicellular algae: development, problems, and prospects. Russian Journal of Marine Biology. 2019;45(5):333-340. DOI: 10.1134/S1063074019050079. EDN: ADMOJP.Рылькова О.А., Харчук И.А., Лелеков А.С., Лишаев В.Н., Жондарева Я.Д. Особенности предварительной пробоподготовки культуры Arthrospira (Spirulina) platensis при исследовании ассоциированной с ней микрофлоры методами проточной цитометрии и сканирующей электронной микроскопии // Морской биологический журнал. 2024. Т. 9. N 4. С. 81–95. DOI: 10.21072/mbj.2024.09.4.06. EDN: USFZQH.Rylkova O.A., Kharchuk I.A., Lelekov A.S., Lishaev V.N., Zhondareva Ya.D. Specifics of sample preparation of Arthrospira (Spirulina) platensis culture in the study of associated microflora by flow cytometry and scanning electron microscopy. Marine Biological Journal. 2024;9(4):81-95. (In Russian). DOI: 10.21072/mbj.2024.09.4.06. EDN: USFZQH.Воронова О.К. Методика определения сухой биомассы микроводорослей в условиях интенсивного культивирования // Альгология. 1994. Т. 4. N 4. С. 59–62.Voronova O.K. Methodology for determining the dry biomass of microalgae under conditions of intensive cultivation. Al’gologiya. 1994;4(4):59-62. (In Russian).Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В. Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиореакторе // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2015. Т. 21. N 4. C. 653–659. DOI: 10.17277/vestnik.2015.04.pp.653-659. EDN: VAVKBL.Nagornov S.A., Meshcheryakova Yu.V. Research into conditions of chlorella vulgaris microalgae cultivation in a tubular photobioreactor. Transaction of the Tambov State Technical University. 2015;21(4):653-659. (In Russian). DOI: 10.17277/vestnik.2015.04.pp.653-659. EDN: VAVKBL.Phytoplankton pigments in oceanography: guidelines to modern methods / eds S.W. Jeffrey, R.F.C. Mantoura, S.W. Wright. Paris: UNESCO Publ., 1997. 671 p.Jeffrey S.W., Mantoura R.F.C., Wright S.W. Phytoplankton pigments in oceanography: guidelines to modern methods. Paris: UNESCO Publ.; 1997, 671 p.Kusumaningtyas P., Gultom S.D., Usman. Production of photosynthetic pigments from Spirulina platensis under different light intensities // Berkala Sainstek. 2023. Vol. 11, no. 3. P. 161–165. DOI: 10.19184/bst.v11i3.38474.Kusumaningtyas P., Gultom S.D., Usman. Production of photosynthetic pigments from Spirulina platensis under different light intensities. Berkala Sainstek. 2023;11(3):161-165. DOI: 10.19184/bst.v11i3.38474.Железнова С.Н., Клочкова В.С., Геворгиз Р.Г. Оценка плотности культуры Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross по рассеянию света суспензией клеток // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2021. Т. 6. N 4. С. 548–553. EDN: ARVTPH.Zheleznova S.N., Klochkova V.S., Gevorgiz R.G. Determination of culture Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross density by light scattering by cell suspension. Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty. 2021;6(4):548-553. (In Russian). EDN: ARVTPH.Lu L., Yang G., Zhu B., Pan K. A comparative study on three quantitating methods of microalgal biomass // Indian Journal of Geo Marine Sciences. 2017. Vol. 46, no. 11. P. 2265–2272.Lu L., Yang G., Zhu B., Pan K. A comparative study on three quantitating methods of microalgal biomass. Indian Journal of Geo Marine Sciences. 2017;46(11):2265-2272.Hoepffner N., Sathyendranath S. Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton // Marine Ecology Progress Series. 1991. Vol. 73, no. 1. P. 11–23. DOI: 10.3354/MEPS073011.Hoepffner N., Sathyendranath S. Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton. Marine Ecology Progress Series. 1991;73(1):11-23. DOI: 10.3354/MEPS073011.Küpper H., Seibert S., Parameswaran A. Fast, sensitive, and inexpensive alternative to analytical pigment HPLC: quantification of chlorophylls and carotenoids in crude extracts by fitting with Gauss peak spectra // Analytical Chemistry. 2007. Vol. 79, no. 20. P. 7611–7627. DOI: 10.1021/ac070236m.Küpper H., Seibert S., Parameswaran A. Fast, sensitive, and inexpensive alternative to analytical pigment HPLC: quantification of chlorophylls and carotenoids in crude extracts by fitting with Gauss peak spectra. Analytical Chemistry. 2007;79(20):7611-7627. DOI: 10.1021/ac070236m.Merzlyak M.N., Naqvi K.R. On recording the true absorption and scattering spectrum of a turbid sample: application to cell suspensions of the cyanobacterium Anabaena variabilis // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2000. Vol. 58, no. 2-3. P. 123–129. DOI: 10.1016/s1011-1344(00)00114-7.Merzlyak M.N., Naqvi K.R. On recording the true absorption and scattering spectrum of a turbid sample: application to cell suspensions of the cyanobacterium Anabaena variabilis. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2000;58(2-3):123-129. DOI: 10.1016/s1011-1344(00)00114-7.Тренкеншу Р.П., Терсков И.А., Сидько Ф.Я. Плотные культуры морских микроводорослей // Известия Сибирского отделения Академии наук СССР. Серия биологических наук. 1981. N 5-1. С. 75–82. EDN: YPOVDM.Trenkenshu R.P., Terskov I.A., Sidko F.Ya. Dense cultures of marine microalgae. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya Akademii nauk SSSR. Seriya biologicheskih nauk. 1981;5-1:75-82. (In Russian). EDN: YPOVDM.Хлебович В.В. Критическая соленость биологических процессов. Л.: Наука, 1974. 235 с.Khlebovich V.V. Critical salinity of biological processes. Leningrad: Nauka; 1974, 235 p. (In Russian).Лелеков А.С., Чернышев Д.Н., Клочкова В.С. Количественные закономерности роста накопительной культуры Arthrospira platensis // Математическая биология и биоинформатика. 2022. Т. 17. N 1. С. 156–170. DOI: 10.17537/2022.17.156. EDN: XTTLPU.Lelekov A.S., Chernyshev D.N., Klochkova V.S. Quantitative regularities of growth of Arthrospira platensis batch culture. Matematicheskaya biologiya i bioinformatika. 2022;17(1):156-170. (In Russian). DOI: 10.17537/2022.17.156. EDN: XTTLPU.Чернышёв Д.Н., Клочкова В.С., Лелеков А.С. Модель декомпозиции нативного спектра поглощения культуры Porphyridium purpureum // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2024. Т. 30. N 1. С. 122–131. DOI: 10.18287/2541-7525-2024-30-1-122-131. EDN: GWCZBG.Chernyshyov D.N., Klochkova V.S., Lelekov A.S. Model of decomposition of the native absorption spectrum of Porphyridium purpureum culture. Vestnik of Samara University. Natural Science Series. 2024;30(1):122-131. (In Russian). DOI: 10.18287/2541-7525-2024-30-1-122-131. EDN: GWCZBG.Стадничук И.Н. Фикобилипротеины. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1990. 196 c.Stadnichuk I.N. Phycobiliproteins. Moscow: All-Union Institute of Scientific and Technical Information of the USSR Academy of Sciences; 1990, 196 p. (In Russian).Duyens L.N.M. The flattering of the absorption spectrum of suspensions, as compared to that of solutions // Biochimica et Biophysica Acta. 1956. Vol. 19. P. 1–12. DOI: 10.1016/0006-3002(56)90380-8.Duyens L.N.M. The flattering of the absorption spectrum of suspensions, as compared to that of solutions. Biochimica et Biophysica Acta. 1956;19:1-12. DOI: 10.1016/0006-3002(56)90380-8.Wu H., Li T., Lv J., Chen Z., Wu J., Wang N., et al. Growth and biochemical composition characteristics of Arthrospira platensis induced by simultaneous nitrogen deficiency and seawater-supplemented medium in an outdoor raceway pond in winter // Foods. 2021. Vol. 10, no. 12. P. 2974. DOI: 10.3390/foods10122974.Wu H., Li T., Lv J., Chen Z., Wu J., Wang N., et al. Growth and biochemical composition characteristics of Arthrospira platensis induced by simultaneous nitrogen deficiency and seawater-supplemented medium in an outdoor raceway pond in winter. Foods. 2021;10(12):2974. DOI: 10.3390/foods10122974.Borovkov A.B., Gudvilovich I.N., Lelekov A.S., Avsiyan A.L. Effect of specific irradiance on productivity and pigment and protein production of Porphyridium purpureum (Rhodophyta) semi-continuous culture // Bioresource Technology. 2023. Vol. 374. P. 128771. DOI: 10.1016/j.biortech.2023.128771.Borovkov A.B., Gudvilovich I.N., Lelekov A.S., Avsiyan A.L. Effect of specific irradiance on productivity and pigment and protein production of Porphyridium purpureum (Rhodophyta) semi-continuous culture. Bioresource Technology. 2023;374:128771. DOI: 10.1016/j.biortech.2023.128771.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.