Исследование влияния величины рабочего слоя фотобиореактора на скорость роста культуры Tetraselmis viridis

При моделировании влияния света на скорость роста оптически плотных культур микроводорослей большинство авторов используют классический закон Бугера – Ламберта – Бера, при этом недостаточную точность описания экспериментальных данных компенсируют посредством введения эмпирических поправочных коэффициентов. Такие коэффициенты учитывают светорассеяние с ростом плотности культуры, но лишены биологического смысла. В качестве альтернативы предложена аналитическая модель, описывающая пространственное распределение светового потока в культуре микроводорослей. Модель основана не на физике поглощения и рассеяния света в коллоидных растворах, а на экспериментально наблюдаемом линейном росте микроводорослей: интенсивность светового потока гиперболически снижается с ростом биомассы и экспоненциально – при увеличении оптического пути. Для верификации проведен эксперимент по выращиванию Tetraselmis viridis в накопительном режиме в фотобиореакторах с различной толщиной слоя при одинаковой поверхностной облученности. Установлено, что в каждом опытном варианте присутствует продолжительная линейная фаза роста, обусловленная световым лимитированием. Получены зависимости коэффициента пропускания от оптического пути и биомассы. Экспериментальные данные фитированы предлагаемой моделью и уравнением Бугера – Ламберта – Бера – обе модели показали достаточную точность. Получена количественная взаимосвязь продуктивности культуры Tetraselmis viridis на линейном участке кривой роста от толщины рабочего слоя культиватора. Предложенные выражения справедливы только для условий светолимитирования. Результаты моделирования свидетельствуют об адекватности предлагаемого теоретического подхода, имеют как научную, так и практическую значимость, заключающуюся в возможности прогнозирования урожая тетраселмиса при его промышленном культивировании.

1. Тренкеншу Р.П. Влияние света на макромолекулярный состав микроводорослей в непрерывной культуре невысокой плотности (часть 1) // Вопросы современной альгологии. 2017. № 2. Режим доступа: http://algology.ru/1180 (дата обращения: 15.11.2024). EDN: YLQQPJ.

2. Ho S.-H., Chen C.-Y., Chang J.-S. Effect of light intensity and nitrogen starvation on CO 2 fixation and lipid/carbohydrate production of an indigenous microalga Scenedesmus obliquus CNW-N // Bioresource Technology. 2012. Vol. 113. P. 244–252. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.11.133.

3. Nzayisenga J.C., Farge X., Groll S.L., Sellstedt A. Efects of light intensity on growth and lipid production in microalgae grown in wastewater // Biotechnology for Biofuels. 2020. Vol. 13. P. 4. DOI: 10.1186/s13068-019-1646-x.

4. Li S., Huang J., Ji L., Chen C., Wu P., Zhang W., et al. Assessment of light distribution model for marine red microalga Porphyridium purpureum for sustainable production in photobioreactor // Algal Research. 2021. Vol. 58. P. 102390. DOI: 10.1016/j.algal.2021.102390.

5. Белянин В.Н., Сидько Ф.Я., Тренкеншу А.П. Энергетика фотосинтезирующей культуры микроводорослей. Новосибирск: Наука, 1980. 136 с.

6. Huesemann M., Crowe B., Waller P., Chavis A., Hobbs S., Edmundson S., Wigmosta M. A validated model to predict microalgae growth in outdoor pond cultures subjected to fluctuating light intensities and water temperatures // Algal Research. 2016. Vol. 13. P. 195–206. DOI: 10.1016/j.algal.2015.11.008.

7. Yun Y.-S., Park J.M. Attenuation of monochromatic and polychromatic lights in Chlorella vulgaris suspensions // Applied Microbiology and Biotechnology. 2001. Vol. 55. P. 765–770. DOI: 10.1007/s002530100639.

8. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С. Моделирование роста микроводорослей в культуре. Белгород: ООО «Константа», 2017. 152 с.

9. Tcherkez G.G., Farquhar G.D., Andrews T.J. Despite slow catalysis and confused substrate specificity, all ribulose bisphosphate carboxylases may be nearly perfectly optimized // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006. Vol. 103, no. 19. P. 7246–7251. DOI: 10.1073/pnas.0600605103.

10. Losh J.L., Young J.N., Morel F.M. Rubisco is a small fraction of total protein in marine phytoplankton // New Phytologist. 2013. Vol. 198, no. 1. P. 52–58. DOI: 10.1111/nph.12143.

11. Лелеков А.С., Клочкова В.С. Моделирование роста и фотоадаптации накопительной культуры Porphyridium purpureum // Математическая биология и биоинформатика. 2024. Т. 19. N 1. С. 169–182. DOI: 10.17537/2024.19.169. EDN: NKDUQO.

12. 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.

13. Verma M.L., Kishor K., Sharma D., Kumar S., Sharma K.D. Chapter 10 – Microbial production of omega-3 polyunsaturated fatty acids // Biotechnological Production of Bioactive Compounds / eds M.L. Verma, A.K. Chandel. Elsevier, 2020. P. 293–326. DOI: 10.1016/b978-0-444-64323-0.00010-2.

14. Isdepsky A., Borowitzka M.A. In-pond strain selection of euryhaline Tetraselmis sp. strains for reliable long-term outdoor culture as potential sources of biofuel and other products // Journal of Applied Phycology. 2019. Vol. 31, no. 6. P. 3359–3370. DOI: 10.1007/s10811-019-01873-y.

15. Al-Hamar B., Inbamani A.R., Komona S.A., Fouzi M., Ben-Hamadou R., Pereira H., et al. Bioprospecting autochthonous marine microalgae strain from the Arabian Gulf Seawater, Kuwait for sustainable biofuel feedstocks // Kuwait Journal of Science. 2022. Vol. 49, no. 2. P. 1–25. DOI: 10.48129/kjs.11367.

16. Терсков И.А., Тренкеншу Р.П., Белянин В.Н. Светозависимый рост водоросли Platymonas viridis в непрерывной культуре // Известия Академии наук СССР. Серия биологическая. 1981. Т. 2. N 10. С. 103–108.

17. Тренкеншу Р.П. Влияние света на рост микроводорослей в непрерывной культуре невысокой плотности // Вопросы современной альгологии. 2019. N 1. С. 1–7. DOI: 10.33624/2311-0147-2019-1(19)-1-7. EDN: DDEMDF.

18. Лелеков А.С., Тренкеншу Р.П. Двухкомпонентная модель роста микроводорослей в плотностате // Математическая биология и биоинформатика. 2021. Т. 16. N 1. С. 101–114. DOI: 10.17537/2021.16.101. EDN: DFFWGP.

19. Jebali A., Acién F.G., Rodriguez Barradas E., Olguín E.J., Sayadi S., Molina Grima E. Pilot-scale outdoor production of Scenedesmus sp. in raceways using flue gases and centrate from anaerobic digestion as the sole culture medium // Bioresource Technology. 2018. Vol. 262. P. 1–8. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.04.057.

20. Shayesteh H., Raeisossadati M., Vadiveloo A., Bahri P., Moheimani N. Culture depth effect on Scenedesmus sp. growth, photo physiology and nutrient removal rate in anaerobically digested abattoir effluent // Journal of Applied Phycology. 2023. Vol. 35. P. 567–580. DOI: 10.1007/s10811-023-02915-2.