Modeling the influence of light and temperature on the growth rate of intensive culture of Porphyridium purpureum
##plugins.themes.ibsscustom.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.ibsscustom.article.details##
Abstract
The paper analyzes the possibility of using linear splines in modeling the complex effects of light and temperature on the growth of Porphyridium purpureum (Bory) microalgae Drew et Ross. The culture was grown in a batch mode in a plane-parallel photobioreactor at a fixed temperature of 27 °C and different surface irradiation — 3, 16 and 50 W m-2, as well as at irradiation of 16 W m-2 and three temperature values — 15, 22 and 27 °C. In all experiments the exponential phase continued for 2 days. With an increase in temperature from 15 to 27 °C, the maximum productivity in the linear phase increased 1.5 times, and with an increase in light intensity from 3 to 50 W m-2 — 4.4 times. The possibility of using linear splines to quantify the effect of light and temperature on the growth of microalgae is shown. This approach allowed us to establish a transition point from exponential to linear growth phase. Calculations showed that with varying temperatures the saturation reduced irradiance was the same on all experiences and amounted to 0.18 W mg chl a-1. In case of light intensity growth saturation reduced irradiance increased from 0.11 to 0.44 W mg chl a-1. At any irradiance and temperature, the minimum reduced irradiance flux at which P. purpureum growth is possible was about 0.01 W mg chl a-1. It was shown that the tangent of the slope angle of linear regression at light limitation depends on chlorophyll a content and caloric content of P. purpureum biomass. While temperature limitation tangent of the slope angle depends on the light efficiency of photobiosynthesis. The use of linear splines made it possible to achieve an optimal combination of the accuracy of the description of experimental data and the possibility of calculating the model coefficients each of which has a biological meaning.
Authors
References
Белянин В. Н., Сидько Ф. Я., Тренкеншу А. П. Энергетика фотосинтезирующей культуры микроводорослей. – Новосибирск : Наука, 1980. – 134 c.
Варфоломеев С. Д., Гуревич К. Г. Биокинетика. Практический курс. – Москва : ФАИР-ПРЕСС [и др.], 1999. – 720 с.
Воронова Е. Н., Конюхов И. В., Казимирко Ю. В., Погосян С. И., Рубин А. Б. Изменения состояния фотосинтетического аппарата диатомовой водоросли Thallassiosira weisflogii при фотоадаптации и фотоповреждении // Физиология растений. – 2009. – Т. 56, № 6. – С. 836–843. – https://www.elibrary.ru/kxlbdb
Гололобов Ж. Ю., Морозова И. Л., Степанов В. М. Влияние температуры и pH на стабильность и каталитическую активность сериновой протеиназы Bacillus subtilis, шт. 72 // Биоxимия. – 1991. – Т. 56, № 1. – С. 33–40.
Гудвилович И. Н., Лелеков А. С., Мальцев Е. И., Куликовский М. С., Боровков А. Б. Рост культуры Porphyridium purpureum (Porphyridiales, Rhodophyta) и продукция B-фикоэритрина при различной освещённости // Физиология растений. – 2021. – T. 68, № 1. – С. 103–112. – https://doi.org/10.31857/S0015330320060056
Ковалева И. В., Финенко З. З. Количественные закономерности изменения относительного содержания хлорофилла при совместном действии света и температуры у диатомовых водорослей // Вопросы современной альгологии. – 2019. – № 3. – С. 28–36. – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2019-3(21)-28-36
Лелеков А. С. Кинетические и продукционные характеристики культуры микроводорослей в условиях светолимитирования // Доклады Международной конференции «Математическая биология и биоинформатика» / Ин-т матем. пробл. биологии РАН ; под ред. В. Д. Лахно. – Пущино : ИМПБ РАН, 2024. – Т. 10. – Ст. e51. – https://doi.org/10.17537/icmbb24.21
Лелеков А. С., Клочкова В. С. Моделирование роста и фотоадаптации накопительной культуры Porphyridium purpureum // Математическая биология и биоинформатика. – 2024. – Т. 19, № 1. – С. 169–182. – https://doi.org/10.17537/2024.19.169
Лелеков А. С., Тренкеншу Р. П. Двухкомпонентная модель роста микроводорослей в плотностате // Математическая биология и биоинформатика. – 2021. – Т. 16, № 1. – С. 101–114. – https://doi.org/10.17537/2021.1 6.101
Лелеков А. С., Тренкеншу Р. П. Моделирование динамики макромолекулярного состава микроводорослей в накопительной культуре // Компьютерные исследования и моделирование. – 2023. – Т. 15, № 3. – С. 739–756. – https://doi.org/10.20537/2076-7633-2023-15-3-739-756
Макаров М. В., Воскобойников Г. М. Влияние освещения и температуры на макроводоросли Баренцева моря // Вопросы современной альгологии. – 2017. – № 3. – http://algology.ru/1183
Осипов В. А., Абдурахманов Г. М., Гаджиев А. А., Братковская Л. Б., Заядан Б. К. Использование флуоресценции хлорофилла «а» для биотестирования водной среды // Юг России: экология, развитие. – 2012. – Т. 7, № 2. – С. 93–100. – https://www.elibrary.ru/plrcbx
Соломонова Е. С., Акимов А. И. Оценка физиологического состояния микроводорослей с помощью цитометрических и флуоресцентных показателей // Физиология растений. – 2021. – Т. 68, № 5. – С. 553–560. – https://doi.org/10.31857/S0015330321050201
Терсков И. А., Тренкеншу Р. П., Белянин В. Н. Светозависимый рост водоросли Platymonas viridis в непрерывной культуре // Известия Сибирского отделения АН СССР. Серия биологических наук. – 1981. – № 10, вып. 2. – С. 103–108. – URL: https://repository.marine-research.ru/handle/299011/14595
Тренкеншу Р. П. Кинетика субстратзависимых реакций при различной организации метаболических систем. – Севастополь : ЭКОСИ – Гидрофизика, 2005. – 89 с. – https://repository.marine-research.ru/handle/299011/6620
Тренкеншу Р. П., Лелеков А. С. Моделирование роста микроводорослей в культуре. – Белгород : КОНСТАНТА, 2017. – 152 с. – https://repository.marine-research.ru/handle/2 99011/2073
Харчук И. А. Оценка жизнеспособности трех видов микроводорослей после воздействия низких температур с криопротекторами // Вопросы современной альгологии. – 2017. – № 1. – Ст. 29. – http://algology.ru/1133
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, № 1. – С. 122–131. – https://doi.org/10.18287/2541-7525-2024-30-1-122-131
Шибзухова К. А., Чивкунова О. Б., Лобакова Е. С. Влияние низкой температуры и азотного голодания на морфо-физиологические характеристики двух штаммов зелёных микроводорослей рода Lobosphaera sp. (Chlorophyta, Trebouxiophyceae) // Физиология растений. – 2023. – T. 70, № 3. – C. 301–310. – https://doi.org/10.31857/S0015330322600772
Шоман Н. Ю., Акимов А. И. Особенности температурной адаптации Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp. и Skeletonema costatum (Bacillariophyceae) при разной освещённости // Ботанический журнал. – 2022. – T. 107, № 3. – С. 237–246. – https://doi.org/10.31857/S0006813622030048
Béchet Q., Laviale M., Arsapin N., Bonnefond H., Bernard O. Modeling the impact of high temperatures on microalgal viability and photosynthetic activity // Biotechnology for Biofuels. – 2017. – Vol. 10. – Art. 136. – https://doi.org/10.1186/s1 3068-017-0823-z
Bitaubé Pérez E., Caro Pina I., Pérez Rodríguez L. Kinetic model for growth of Phaeodactylum tricornutum in intensive culture photobioreactor // Biochemical Engineering Journal. – 2008. – Vol. 40, iss. 3. – P. 520–525. – https://doi.org/10.1016/j.bej.200 8.02.007
Castro-Varela P., Sáez K., Gómez P. I. Effect of urea on growth and biochemical composition of Porphyridium purpureum (Rhodophyta) and scaling-up under non-optimal outdoor conditions // Phycologia. – 2021. – Vol. 60, iss. 6. – P. 572–581. – https://doi.org/10.1080/00318884.2021.19533 05
Chang J., Le K., Song X., Jiao K., Zeng X., Ling X., Shi T., Tang X., Sun Y., Lin L. Scale-up cultivation enhanced arachidonic acid accumulation by red microalgae Porphyridium purpureum // Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2017. – Vol. 40. – P. 1763–1773. – https://doi.org/10.1007/s00449-017-1831-x
Droop M. R. 25 years of algal growth kinetics a personal view // Botanica Marina. – 1983. – Vol. 26, iss. 3. – P. 99–112. – https://doi.org/10.1515/botm.1983.26.3.99
Flynn K. J. A mechanistic model for describing dynamic multi-nutrient, light, temperature interaction in phytoplankton // Journal of Plankton Research. – 2001. – Vol. 23, iss. 9. – P. 977– 997. – https://doi.org/10.1093/plankt/23.9.977
Goldman J. C., Carpenter E. J. A kinetic approach to the effect of temperature on algal growth // Limnology and Oceanography. – 1974. – Vol. 19, iss. 5. – P. 756–766. – https://doi.org/10.4319/lo.1974.19.5.0756
Guihéneuf F., Stengel D. B. Towards the biorefinery concept: interaction of light, temperature and nitrogen for optimizing the co-production of high-value compounds in Porphyridium purpureum // Algal Research. – 2015. – Vol. 10. – P. 152–163. – https://doi.org/10.1016/j.algal.2015.04.025
Huesemann M., Edmundson S., Gao S., Negi S., Dale T., Gutknecht A., Daligault H. E., Carr C. K., Freeman J., Kern T., Starkenburg S. R., Gleasner C. D., Louie W., Kruk R., McGuire S. DISCOVR strain pipeline screening. Pt. I. Maximum specific growth rate as a function of temperature and salinity for 38 candidate microalgae for biofuels production // Algal Research. – 2023. – Vol. 71. – Art. 102996. – https://doi.org/10.1016/j.algal.2023.102996
Krichen E., Rapaport A., Floc’h E., Fouilland E. A new kinetics model to predict the growth of microalgae subjected to fluctuating availability of light // Algal Research. – 2021. – Vol. 58. – Art. 102362. – https://doi.org/10.1016/j.algal.2021.102362
Loganathan G., Valérie O., Lefsrud M. Factors affecting growth of various microalgal species
// Environmental Engineering Science. – 2018. – Vol. 35, iss. 10. – P. 1037–1048. – https://doi.org/10.1089/EES.2017.0521
Ma C., Zhang Y. Bo, Ho S. H., Xing D. F., Ren N. Qi, Liu B. F. Cell growth and lipid accumulation of a microalgal mutant Scenedesmus sp. Z-4 by combining light/dark cycle with temperature variation // Biotechnology for Biofuels. – 2017. – Vol. 10. – Art. 260. – https://doi.org/10.1186/s13068-017-0948-0
Padmanabhan Yu., Padmanabhan P. Improvements in conventional modeling practices for effective simulation and understanding of microalgal growth in photobioreactors: an experimental study // Biotechnology and Bioprocess Engineering. – 2021. – Vol. 26, iss. 3. – P. 483–500. – https://doi.org/10.1007/s12257-020-0293-1
Schoeters F., Spit J., Swinnen E., De Cuyper A., Vleugels R., Noyens I., Van Miert S. Pilot-scale cultivation of the red alga Porphyridium purpureum over a two-year period in a greenhouse // Journal of Applied Phycology. – 2023. – Vol. 35, iss. 5. – P. 2095–2109. – https://doi.org/10.1007/s10811-023-03045-5
Singh S. P., Singh P. Effect of temperature and light on the growth of algae species: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 50. – P. 431–444. – https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.024
Xu Y., Jiao K., Zhong H., Wu S., Ho S. H., Zeng X., Li J., Tang X., Sun Y., Lin L. Induced cultivation pattern enhanced the phycoerythrin production in red alga Porphyridium purpureum
// Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2020. – Vol. 43, iss. 2. – P. 347–355. – https://doi.org/10.1007/s00449-019-02230-6
Yin H. C., Sui J. K., Han T. L., Liu T. Z., Wang H. Integration bioprocess of B-phycoerythrin and exopolysaccharides production from photosynthetic microalga Porphyridium cruentum // Frontiers in Marine Science. – 2022. – Vol. 8. – Art. 836370. – https://doi.org/10.3389/fmars.2021.836370
Yustinadiar N., Manurung R., Suantika G. Enhanced biomass productivity of microalgae Nannochloropsis sp. in an airlift photobioreactor using low-frequency flashing light with blue LED // Bioresources and Bioprocessing. – 2020. – Vol. 7. – Art. 43. – https://doi.org/10.11 86/s40643-020-00331-9
Zheng Y., Xue C., Chen H., He C., Wang Q. Low-temperature adaptation of the snow alga Chlamydomonas nivalis is associated with the photosynthetic system regulatory process // Frontiers in Microbiology. – 2020. – Vol. 11. – Art. 1233. – https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01233
Zhou H., Wang J., Zhang Z., Lan C. Q. High cell density culture of microalgae in horizontal thin-layer algal reactor: Modeling of light attenuation and cell growth kinetics // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 496. – Art. 154175. – https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154175