Моделирование влияния света и температуры на скорость роста интенсивной культуры Porphyridium purpureum
##plugins.themes.ibsscustom.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.ibsscustom.article.details##
Аннотация
В работе проведён анализ возможности применения линейных сплайнов при моделировании комплексного воздействия света и температуры на рост микроводоросли Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross. Культуру выращивали в накопительном режиме в плоскопараллельном фотобиореакторе при 27 °С и различной поверхностной облучённости — 3, 16 и 50 Вт м-2, а также при фиксированной облучённости 16 Вт м-2 и трёх значениях температуры — 15, 22 и 27 °С. При увеличении температуры с 15 до 27 °С максимальная продуктивность в линейной фазе возрастала в 1,5 раза, а с ростом интенсивности света с 3 до 50 Вт·м-2 — в 4,4 раза. Введено понятие приведённой облучённости, показывающей, какое количество поглощённой культурой энергии приходится на единицу концентрации хлорофилла а. Продемонстрирована возможность использования линейных сплайнов для количественного описания влияния света и температуры на рост культуры микроводорослей. Верификация модели позволила установить точку перехода от экспоненциального к линейному росту: при варьировании температуры насыщающая приведённая облучённость была одинаковая и составила 0,18 Вт (мг хл а)-1, а при увеличении света возросла с 0,11 до 0,44 Вт (мг хл а)-1. Минимальный приведённый световой поток, при котором возможен рост порфиридиума, составлял около 0,01 Вт (мг хл а)-1. Показано, что тангенс угла наклона линии регрессии зависит от соотношения хлорофилла а и калорийности биомассы, а при лимитировании роста культуры температурой — от эффективности преобразования световой в химическую энергию биомассы. Применение линейных сплайнов позволило достичь оптимального сочетания точности описания экспериментальных точек и возможности расчёта коэффициентов модели, каждый из которых имеет биологический смысл.
Авторы
Библиографические ссылки
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