Eigenschaften der Mikroalgenkultivierung mit handelsüblicher Luft

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3792 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Luftkissenverpackungen (AC) sind weltweit weit verbreitet. ACs sind luftgefüllte, doppelte Kunststoffverpackungslösungen, die häufig zum Schutz von Wertgegenständen in Versandverpackungen während des Transports verwendet werden. Hier berichten wir über eine Laboruntersuchung, bei der ACs als Mikroalgen-Photobioreaktor (PBR) eingesetzt wurden. Ein solcher PBR behebt von Natur aus viele der betrieblichen Probleme, die typischerweise bei offenen Laufteichen und geschlossenen Photobioreaktoren auftreten, wie z. B. Wasserverlust durch Verdunstung, externe Kontamination und Raubtiere. Unter Verwendung halbgefüllter ACs wurde die Leistung der Mikroalgenarten Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oculata und Cyclotella cryptica (Diatomee) untersucht und das aschefreie Trockenzellgewicht sowie die Gesamtbiomasseproduktivität auf 2,39 g/L bzw. 298,55 mg/L/ ermittelt. Tag für N. oculata, 0,85 g/L und 141,36 mg/L/Tag für C. vulgaris und 0,67 g/L und 96,08 mg/L/Tag für C. cryptica. Darüber hinaus erreichte C. cryptica eine maximale Lipidproduktivität von 25,54 mg/L/Tag AFDCW und eine Kohlenhydratproduktivität von 53,69 mg/L/Tag AFDCW, während N. oculata eine maximale Proteinproduktivität von 247,42 mg/L/Tag AFDCW erreichte. Daten aus dieser Arbeit werden nützlich sein, um die Anwendbarkeit und das Lebenszyklusprofil von wiederverwendeten und wiederverwendeten ACs als potenzielle Mikroalgen-Photobioreaktoren zu bestimmen, abhängig vom interessierenden Endprodukt, der verwendeten Größenordnung und den Produktionskosten.

Menschliche Aktivitäten wie Überkonsum und Überbevölkerung haben durch Ressourcenverknappung, Zerstörung von Ökosystemen und Lebensräumen sowie Umweltverschmutzung zur Verschlechterung der biophysikalischen Umwelt beigetragen. Dazu gehören unter anderem die Erschöpfung der Wildfangfischbestände und die zunehmende Verschmutzung der Meere durch Plastik. Die Abmilderung dieser schädlichen Auswirkungen erfordert eine nachhaltige Entwicklung auf der Grundlage einer Wasser-Nahrungsmittel-Energie-Nexus-Methodik, die die Vernetzung von Umweltressourcen, -kapazitäten und -abfällen berücksichtigt. Dementsprechend werden die 4R-Nachhaltigkeitskonzepte Reduzieren, Wiederverwenden, Recyceln und Wiederverwenden (Umdenken) häufiger in Ansätze zur Ökobilanzierung (Environmental Life Cycle Assessment, LCA) einbezogen, insbesondere in solche, die Strategien für die Bewirtschaftung von Kunststoffabfällen und die öffentliche Politik formulieren1. Obwohl diese 4R der Nachhaltigkeit keine neuen Konzepte sind, waren sie noch nie so wichtig wie heute in einer Welt, deren geschätzte Bevölkerung von 9,8 Milliarden im Jahr 2050 einen Anstieg von fast 2 Milliarden Menschen in den letzten 30 Jahren widerspiegelt. Unter der Annahme, dass sich die Bevölkerungsentwicklung fortsetzt, wird die Produktion von Mikroalgen zunehmend erforderlich sein, um eine ausreichende Versorgung der Weltbevölkerung mit nahrhaftem Protein und anderen Bioprodukten sicherzustellen2,3.

Im Laufe der Jahre wurden viele technoökonomische Analysen zu Mikroalgen veröffentlicht, die sich auf Treibhausgasbilanzen (THG)4 und Wasserverbrauchsbilanzen5,6 konzentrieren. Obwohl seit Jahrzehnten ein erhebliches Interesse an der großflächigen Kultivierung von Algen besteht und große Anstrengungen unternommen werden, leidet die Branche immer noch unter hohen Produktionskosten, die die Entwicklung innovativer Ideen für Anbau- und Erntemethoden erforderlich machen7. Mikroalgen sind einzellige Organismen, die häufig in der Natur vorkommen und unter vielen verschiedenen Umweltbedingungen gedeihen. Einige dieser Umgebungen können sehr feindselig sein, was zur internen Entwicklung von Überlebensmechanismen führt, um Umweltstressoren entgegenzuwirken. Viele dieser zellulären Stressreaktionen führen zur Biosynthese von Produkten von kommerziellem Interesse, wie Antioxidantien und Carotinoiden unter intensiver UV-Lichteinwirkung, zusammen mit allgemeinen Metaboliten und anderen funktionellen Nährstoffen8. Die kommerzielle Produktion von Mikroalgen erfolgt derzeit mithilfe verschiedener Kultivierungskonzepte, darunter Raceway Ponds (RWP), Röhren, Polyethylen-Plastiktüten, Photobioreaktoren für den Innen- und Außenbereich (PBRs) und Fermenter9,10,11,12. Oft beginnen axenische Mikroalgenkulturen im Freien mit Inokulum, das in Innenräumen gezüchtet wird, wo Raubtiere ausgeschlossen sind und Nährstoffe und Umweltbedingungen kontrolliert werden, und das dann zur Massenproduktion in Außentanks oder Laufbahnen verbracht wird3.

Die Ergebnisse detaillierter „Von der Wiege bis zur Bahre“-Bewertung werden geeignete F&E-Entwicklungs- und Projektverbesserungsstrategien für entstehende innovative Alternativen aufzeigen. Eine solche Mikroalgen-Bioraffinerie-Alternative ist Bubble Farming (BF), bei dem Luftpolsterfolien aus Kunststoff vor Ort mit modifizierten landwirtschaftlichen Geräten hergestellt und dann auf der Landoberfläche platziert werden sollen, wobei jede Blase mit einer bestimmten wässrigen Algenmischung für die spätere Ernte gefüllt wird13 . Die Durchmesser der Folien und einzelnen Blasen werden so dimensioniert, dass sie zur Vegetationsperiode und zum Gelände einer bestimmten Region, zur erwarteten Anwendung und zum gewünschten Endverbrauch passen, wie z. B. Diafuel (Biokraftstoff aus Kieselalgen)14. BF behebt von Natur aus viele der betrieblichen Probleme, die typischerweise bei offenen RWP- und geschlossenen PBR-Systemen auftreten, wie z. B. Wasserverlust durch Verdunstung, externe Kontamination und Raub. Eine weitere Alternative zur Mikroalgen-Bioraffinerie ist der von der NASA15 entwickelte OMEGA-Bioreaktor aus Kunststoff zur Mikroalgen-Abwassersanierung, der in der Nähe von Offshore-Aquakulturkäfigen, küstennah zu Küstengemeinden in unmittelbarer Nähe von Familien-/Agrarunternehmens-Aquakulturfarmen an Land eingesetzt wird (und so die Nutzung von nicht bewirtschaftetem oder brachliegendem Land ermöglicht). und BF/Fruchtwechsel) oder Offshore-Abwasserentsorgung. OMEGA ist ein System zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung von Abwasser, das in großen, schwimmenden, linearen PBRs aus Polyethylen niedriger Dichte enthalten ist, die in Meeresumgebungen eingesetzt werden. Es nutzt Vorwärtsosmose über röhrenförmige Membranwände, um Nährstoffe passiv zu konzentrieren und die Mikroalgenbiomasse für die spätere Umwandlung in Biokraftstoffe oder Düngemittel zu entwässern16 .

In der vorliegenden Studie wurden die Eigenschaften der Mikroalgenkultivierung unter Verwendung eines wiederverwendeten und wiederverwendeten Kunststoff-Luftkissen-Verpackungsmaterials (AC) als Photobioreaktor bewertet. ACs sind kundenspezifische Verpackungslösungen aus zwei Materialien, die normalerweise aus Polyethylen hergestellt und mit Luft gefüllt versendet werden. ACs werden häufig verwendet, um Wertgegenstände während des Transports in vielen Versandverpackungen zu umgeben und zu schützen. Die typische Klimaanlage besteht aus einer dünnen Kunststofffolie, die recycelbar, aber nicht unbedingt biologisch abbaubar ist. In den letzten Jahren ist eine Verlagerung der Verbraucher von der Verwendung von Luftpolsterfolien hin zu Luftkissen zum Verpacken zu beobachten, vor allem aufgrund der wahrgenommenen Nachhaltigkeit und Benutzerfreundlichkeit. Klimaanlagen beanspruchen außerdem weniger Platz in Lagerhäusern, da sie sich bei der Nutzung typischerweise mit Luft füllen, was die Lagerkosten senkt, die Raumnutzung verbessert und die Wiederverwendung bei späteren Lieferungen ermöglicht. Tatsächlich wird prognostiziert, dass die globale Marktgröße für AC-Verpackungen bis 2025 4,4 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,0 % entspricht17. Dieser weltweite Nachfrageanstieg ist auf den steigenden Bedarf an Schutz der Waren vor rauen Transportbedingungen und Oberflächen zurückzuführen.

Angesichts der Ausweitung der AC-Produktion ist es wichtig, das gebrauchte oder überschüssige Material zu recyceln oder wiederzuverwenden, um den entstehenden Kunststoffabfall zu reduzieren und zu mindern. Eine mögliche Umnutzung von ACs ist die Kultivierung von Mikroalgen. Umgewidmete und wiederverwendete ACs können dazu beitragen, die Kapitalinvestitionen in das Mikroalgen-Bioraffinerieunternehmen zu reduzieren und gleichzeitig für eine isolierte, kontaminationsfreie Umgebung während der Kultivierung zu sorgen. Darüber hinaus lösen versiegelte ACs von Natur aus viele der betrieblichen Probleme, die typischerweise bei der traditionellen offenen RWP- und geschlossenen PBR-Mikroalgen-Bioproduktion auftreten, wie z. B. Wasserverlust durch Verdunstung, externe Kontamination und Raub. Daraufhin wurde nach unserem besten Wissen eine erste Laborbewertung der Mikroalgenkultivierung sowie der Biomasse- und Lipidproduktion von drei Mikroalgenarten (Süßwasser und Meer) durchgeführt, nämlich Chlorella vulgaris UTEX 395, Nannochloropsis oculata CCMP 525 und Diatomee Cyclotella cryptica CCMP 33218 wurde durchgeführt, um festzustellen, ob kommerziell erhältliche und häufig entsorgte ACs ohne Modifikation als Züchterrechte dienen können und mit welchem ​​Produktivitätsniveau.

Die in dieser Studie verwendete Methodik konzentrierte sich zunächst auf einen qualitativen Ansatz, um festzustellen, ob ein positiver CO2- und O2-Gasaustausch über das nicht speziell formulierte Kunststoffmaterial des AC stattfindet. Anschließend erfolgte ein quantitativer Ansatz, bei dem physiologische Veränderungen der in AC-PBRs unter denselben abiotischen Bedingungen (Licht, CO2 (Belüftung/Gasaustausch), pH-Wert, Temperatur, Volumen) kultivierten Algen durch Analyse von Wachstum, biochemischer Zusammensetzung und Fettsäure bestimmt wurden Profile. Darüber hinaus wurden C. cryptica-Tests durchgeführt, um die Auswirkungen der biogenen Kieselsäure aufzuklären, einschließlich aschefreiem Trockengewicht und Stickstoffelementaranalyse. Abschließend wurde eine LC-MS-Analyse (Flüssigkeitschromatographie-Massenspektroskopie) durchgeführt, um die Synthese des hochwertigen Carotinoids Fucoxanthin durch die Kieselalge C. cryptica zu bestimmen. Daten aus dieser Bewertung werden bei der Bestimmung der konzeptionellen Anwendbarkeit und Nützlichkeit von ACs als potenzieller eigenständiger Mikroalgen-PBR sowie bei technisch-ökonomischen LCA-Analysen nützlich sein, wobei die endgültigen wirtschaftlichen und Machbarkeitsentscheidungen vom Wert der ACs abhängen Zielendprodukt (Biomasse, Lipid, Protein oder Kohlenhydrat) entwickelt und der Maßstab verwendet.

Nannochloropsis oculata CCMP 525 (im Folgenden N. oculata) und Cyclotella cryptica CCMP 332 (im Folgenden C. cryptica) wurden vom National Center for Marine Algae and Microbiota (NCMA) (Bigelow Laboratory for Ocean Sciences, Maine, USA) bezogen. N. oculata wurde in mit Makronährstoffen modifiziertem F/2-Meeresmedium (Phyto Technology Laboratories, USA) gehalten. C. cryptica wurde in makronährstoffmodifiziertem L1-Meeresmedium (NCMA) gehalten. Chlorella vulgaris UTEX 395 (im Folgenden C. vulgaris) wurde aus der Algenkultursammlung der University of Texas (Austin, USA) erworben und in Bold's Basal Medium (BBM, Phyto Technology Laboratories, USA) gehalten. Der pH-Wert aller Medien wurde mit einem pH-Meter (Orion 3 Star, Thermo Fisher, USA) auf 7,5 eingestellt. Zur Inokulumvorbereitung wurden die Algenstämme in den jeweiligen Medien unter Verwendung von 125-mL-Erlenmeyerkolben mit einem Arbeitsvolumen von 50 mL unter kontinuierlichem Weißlicht mit einer Intensität von 100 µmol/m2s in einem Inkubationsschüttler (Excella E24, New Brunswick Scientific, Eppendorf, Deutschland) bei 150 U/min bei 23 °C für 3–4 Tage (log-Phase).

Das für alle drei hier untersuchten Mikroalgenarten ausgewählte AC-PBR war ein kommerziell erhältliches AC-Verpackungsmaterial, das typischerweise in Versandkartons zu finden ist. Um die Konsistenz während der Studie sicherzustellen, wurde eine ausreichende Anzahl luftgefüllter Klimaanlagen erworben (AIRplus von STOROpack), die jeweils 90 mm × 180 mm × 0,0254 mm (3,543 × 7,087 × 0,001 Zoll) groß waren und aus klarem Polyethylen niedriger Dichte bestanden (LDPE). Einige dieser ACs wurden für die hier besprochenen Forschungsarbeiten vor Ort behalten und andere wurden Kollegen der Dr. Hari Singh Gour University in Indien für ihre Forschungsuntersuchungen zur Verfügung gestellt19. Jeder AC-PBR kann theoretisch ca. 380 ml Flüssigkeit aufnehmen. Obwohl vorläufige Experimente, die bei 1/4, 1/2 und 3/4 Kapazität durchgeführt wurden, ungefähr äquivalente Ergebnisse der optischen Dichte (OD680 nm) für alle getesteten Algenarten ergaben, wurden die konsistentesten Ergebnisse bei halber Kapazität erhalten (ergänzende Daten). Daher wurde in dieser Studie die 1/2 gefüllte (~ 190 ml) AC-PBR-Konfiguration ausgewählt.

Der erste Schritt zur Bestimmung, ob es tatsächlich zu Wachstum kommen wird und auf welchem ​​Produktivitätsniveau, bestand darin, festzustellen, ob ein CO2- und O2-Gasaustausch über die AC-PBR-Oberfläche stattfinden würde. Qualitative Ergebnisse des CO2- und O2-Gasaustauschs über die AC-PBR-Oberfläche werden im Abschnitt „Bestimmung des Gasaustauschs in AC-PBR“ berichtet.

CO2: Zwei AC-PBRs wurden mit komprimiertem reinem CO2-Gas von Airgas (USA) gefüllt, heißversiegelt und unter Wasser getaucht, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind. Ein AC-PBR (ursprünglich auf 250 ml gefüllt) wurde bei 23 °C auf den Labortisch gestellt, um zu beobachten, ob CO2 über Nacht unter einem positiven Gradienten über den LDPE-Kunststoff in die Atmosphäre diffundierte. Der zweite AC-PBR (ursprünglich mit CO2 auf 300 ml gefüllt) wurde in einen abgedeckten Behälter mit Wasser mit einem anfänglichen pH-Wert von 7,1 getaucht. Das Gesamtvolumen im Behälter betrug 5,5 l, ohne dass Blasen aus dem AC-PBR austraten oder sich an der Oberfläche festsetzten.

O2: Zwei AC-PBRs wurden mit komprimiertem reinem O2-Gas von Bernzomatic (USA) gefüllt, heißversiegelt und unter Wasser getaucht, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind. Ein AC-PBR wurde auf der Labortischplatte platziert, um visuell zu beobachten, ob O2 über Nacht unter einem positiven Gradienten über den LDPE-Kunststoff in die Atmosphäre diffundiert. Der zweite AC-PBR wurde in einen abgedeckten Wasserbehälter mit einem Gesamtvolumen von 3,0 l getaucht, ohne dass Blasen aus dem AC-PBR austraten oder an der Oberfläche hafteten.

Die meisten Mikroalgenuntersuchungen beschreiben PBRs mit irgendeiner Form der aktiven und kontinuierlichen Abgabe von gefiltertem komprimiertem CO2-Gas als Kohlenstoffquelle. Obwohl die Ergebnisse des AC-CO2-Gasaustauschs vielversprechend waren, blieben Bedenken bestehen, ob während der gesamten Kultivierungsperiode allein durch den Gasaustausch über die AC-PBR-Oberfläche genügend CO2 vorhanden sein würde. Ein vorläufiger Test von C. vulgaris ergab, dass die Mikroalgen zwar optisch grün blieben, das Wachstum jedoch, gemessen mit OD680 nm, im 10-tägigen Testzeitraum ohne zusätzliche CO2-Ergänzung nur um 10,8 % zunahm. Um das Wachstum der Algenstämme zu fördern, haben wir den AC-PBRs von C. vulgaris und N. oculata Natriumbicarbonat (NaHCO3 = 48 g/L) zugesetzt. Dieses Verfahren wurde weiter modifiziert, indem zunächst gefiltertes komprimiertes CO2-Gas eingeblasen wurde, bis die Lösungssättigung erreicht war (d. h. der pH-Wert sank stabil), gefolgt von der Titration des Mediums mit gesättigter Natriumbicarbonatlösung auf einen pH-Wert von 7.

Die richtige Lichtintensität ist ein wichtiger Parameter, um sicherzustellen, dass die für die Photosynthese erforderliche Energiequelle nicht nur durch die AC-PBR-Kunststoffoberfläche dringt, sondern auch weit genug in das Innere eindringt, um jegliche Abschattungseffekte von Zelle zu Zelle zu reduzieren20. Ein tragbares Lichtmessgerät (Modell CA813, AEMC Instruments) wurde verwendet, um die Lichtintensität in Lumen pro Meter (Lux) an der Oberfläche des AC PBR zu messen. Testläufe wurden an C. vulgaris und N. oculata unter drei Bedingungen durchgeführt: (1) Ein Licht (Airand CT-X01A600-18 Natural White LED-Lichter) bei 77 µmol/m2s, kein Schütteln mit 16:8 h (Licht:Dunkel). ) Photoperiode; (2) Ein Licht auf einem Schütteltisch bei 75 U/min und 65 µmol/m2s mit 24-stündiger (kontinuierlicher) Beleuchtung; und (3) Zwei Lichter mit insgesamt 180 µmol/m2s mit einer Photoperiode von 16:8 Stunden (Hell:Dunkel). Erste Ergebnisse mit nicht CO2-verstärktem Medium zeigten keine signifikanten OD-Unterschiede zwischen dem Schütteltisch und der Ein-Licht-Konfiguration ohne Schüttler, aber die Ergebnisse mit zwei Lichtern ohne Schüttler waren etwas besser als bei der Ein-Licht-Konfiguration (Daten nicht gezeigt). Daher wurden zwei Reihen von LED-Leuchten als Basis-Testkonfiguration für die Innenbeleuchtung ausgewählt.

Zur Unterstützung des Ziels, festzustellen, ob es tatsächlich zu Zellwachstum im AC-PBR kommt und mit welchem ​​Produktivitätsniveau, wurden zwei Durchläufe mit jeder der drei ausgewählten Mikroalgenarten in den jeweiligen Medien durchgeführt. Für alle untersuchten Arten wurde ein anfängliches Inokulum (OD680 nm = 0,6–0,8) von 10 % (v/v) verwendet. Sobald in den Schüttelkulturflaschen eine geeignete zelluläre OD erreicht wurde, wurde jede Algensuspension geerntet und zu frisch zubereitetem Medium gegeben, wie im Abschnitt „Mikroalgenkultivierung“ beschrieben. Vor der Zugabe der Algen wurde das Medium durch Einblasen von gefiltertem komprimiertem CO2-Gas angereichert, bis die Lösungssättigung erreicht war (d. h. der sinkende pH-Wert stabilisierte sich), gefolgt von der Zugabe von gesättigtem Natriumbicarbonat (NaHCO3 = 48 g/L), bis ein neutraler pH-Wert erreicht war . Das Endvolumen wurde stöchiometrisch mit Makronährstofflösung basierend auf der Menge an zugesetztem NaHCO3 erhöht.

Vor Beginn des AC-PBR-Tests wurde jedes luftgefüllte AC-PBR 15 Minuten lang unter eine keimtötende UV-C-Lampe gestellt, um das Innenvolumen zu sterilisieren und eine Kontamination zu verhindern. Durch eine kleine Öffnung im AC wurden etwa 190 ml (Arbeitsvolumen) Algenzellsuspension hineinpipettiert, wobei überschüssige Luft entfernt wurde, und der AC-PBR (Gesamtvolumen 380 ml) wurde mit einem externen Vakuumiergerät VacMaster Pro110 wieder verschlossen. Das System wurde auf Undichtigkeiten überprüft.

Die AC-PBRs für jeden Algenstamm wurden unter zwei LED-Reihen mit einer Lichtintensität von 180 µmol/m2s mit einer Photoperiode von 16:8 Stunden (Hell:Dunkel) ohne Schütteln bei 25 °C gehalten. Die Kultivierung wurde durchgeführt, bis jede Alge die frühe stationäre Phase erreichte (C. vulgaris – 6 Tage, N. oculata – 8 Tage und C. cryptica – 7 Tage). Fotos des AC-PBR-Mikroalgen-Kultivierungstestaufbaus für jeden Stamm finden Sie in den ergänzenden Daten.

Das Algenwachstum im Hinblick auf die optische Dichte bei 680 nm (OD680 nm) mit einem Spektrophotometer (DU 730, Beckman Coulter, Brea, CA, USA) und das Trockenzellgewicht (DCW, g/L) wurde für jede Algenart doppelt bewertet21, 22. Alle 24 Stunden wurde die OD für jede Alge gemessen, um eine Wachstumskurve abzuleiten. Nitrat (NO3−), Nitrit (NO2−), Phosphat (PO4−) und pH-Wert wurden alle 24 Stunden mit Teststreifen (Hach Company, Loveland, Colorado, USA und Micro Essential Laboratory (HYDRION), Brooklyn, New York) gemessen , USA). Am Ende der Kultivierung wurden die Algenzellen durch 10-minütiges Zentrifugieren bei 5000 g und 25 °C geerntet und zweimal mit destilliertem Wasser (C. vulgaris) oder 0,9 %iger NaCl-Lösung (N. oculata und C. cryptica) gewaschen Medienkomponenten entfernen. Die resultierende Biomasse wurde dann zum Trocknen über Nacht in einen 50 °C-Ofen gegeben. Der DCW wurde gravimetrisch mit einer digitalen Tischwaage (Mettler Toledo, USA) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:

DCW-Werte werden typischerweise direkt bei Mikroalgenarten mit Aschegehalten < 10 % verwendet. Aufgrund des Beitrags des nicht kohlenstoffhaltigen Siliciumdioxid-Exoskeletts23 enthalten Kieselalgen jedoch typischerweise einen beträchtlichen Anteil an Mineralasche, obwohl selbst Grünalgen einen Aschegehalt von 10 % oder mehr aufweisen können24. Infolgedessen wurde bei Arten mit höheren Ascheanteilen das aschefreie Trockengewicht (AFDCW; g/L) bestimmt, um eine genaue Messung der Konzentration und Produktivität einzelner biochemischer Bestandteile zu gewährleisten, da eine Zusammensetzungsanalyse, die ausschließlich auf DCW-Messungen basiert, das Aschefreie Trockengewicht unterschätzen kann tatsächlicher Betrag25. Für die AFDCW-Messung wurde trockene Biomasse in vorgewogene Waagschalen aus Aluminium gegeben und anschließend erneut gewogen. Anschließend wurden die Pfannen in einen Muffelofen gestellt und 5 Stunden lang bei 475 °C oxidiert (verascht). Nach dem Abkühlen wurden die Proben erneut gewogen und protokolliert. AFDCW % wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

Aufgrund der oben erwähnten Bedenken bezüglich des hohen Aschegehalts wurde in dieser Studie durchgehend AFDCW verwendet und gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:

Für jeden Versuchsaufbau wurden der Gesamtlipidgehalt, der Gesamtkohlenhydratgehalt und der Gesamtproteingehalt mithilfe zuvor veröffentlichter Protokolle26 gemessen. Kurz gesagt, der Zellaufschluss erfolgte mechanisch mit flüssigem Stickstoff, gefolgt von der Zugabe von Chloroform/Methanol (2:1 v/v) unter Verwendung der modifizierten Bligh- und Dyer-Methode zur Lipidfraktionierung und -trennung. Die Gesamtlipide wurden aus der Chloroformphase extrahiert, vakuumgetrocknet und gravimetrisch gemessen. Die Gesamtkohlenhydrate wurden mithilfe der Phenol-Schwefelsäure-Methode mit säurehydrolysierter Biomasse gemessen, und das Gesamtprotein wurde als Rest von 100 % nach Abzug von % Lipid, % Kohlenhydraten und % Asche berechnet27,28. Biomasseproduktivität, Lipidgehalt und Lipidproduktivität wurden anhand der folgenden Formeln berechnet:

Die Probenvorbereitung erfolgte unter Verwendung von Standardprotokollen29 und die FAME-Bestimmung folgte zuvor veröffentlichten Protokollen30. Genauer gesagt wurden die aus Algenzellen extrahierten Gesamtlipide (5–10 mg) in Chloroform gelöst, in ein klares Glasfläschchen überführt und dann 0,6 M methanolische HCl mit C13 als interner Standard in die Glasfläschchen gegeben, die verschlossen und erhitzt wurden 1 Stunde lang bei 85 °C erhitzt, damit die Umesterungsreaktion abläuft. Die Fläschchen wurden dann auf Raumtemperatur abgekühlt, verschlossen und in einem Gefrierschrank bei –20 °C gelagert, bis die FAME-Extraktion unter Verwendung von Hexan mittels GC-MS-Analyse (Agilent Technologies 7200 GC-MS) erfolgte. Die FAME-Zusammensetzung wurde mithilfe der Massenspektralstandard-Referenzdatenbank des NIST (National Institute of Standards and Technology) identifiziert. Die Identifizierung und Quantifizierung von FAME erfolgte durch Analyse der Aufbewahrungszeiten und Verwendung von Bibliothekssuchberichten (NISTIL.S-Datenbank).

Für die Fucoxanthin-Extraktion aus C. cryptica wurden 50 mg lyophilisierte Biomasse mit flüssigem Stickstoff zerkleinert und anschließend die Carotinoide mit Ethanol (100 %) extrahiert. Die Zellsuspension wurde in ein Glasfläschchen überführt und über Nacht bei 4 °C im Dunkeln inkubiert. Der Vorgang wurde wiederholt, bis das Zellpellet farblos wurde. Die Ethanolextrakte wurden dann vakuumgetrocknet und in 1 ml Methanol für die LC-MS unter Verwendung des Agilent Technologies 6460 Triple Quadrupole (QQQ) (Agilent 1100-Serie, K1260 Infinity (2)-Stack) resuspendiert. Die Fucoxanthin-Trennung und -Bestimmung erfolgte auf Grundlage eines zuvor veröffentlichten Protokolls30. Die mobile Phase bestand aus Methanol und Wasser mit einer Flussrate von 0,400 ml/min bei 35 °C mit Gradientenelution in einer C18-Umkehrphasensäule Eclipse Plus (Agilent, Santa Clara, CA, USA) und einem bei 445 nm aufgezeichneten Chromatogramm. Fucoxanthin-Standard (Katalognummer F6932-10 mg, Chargennummer MKCP1541, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) wurde verwendet, um sowohl das Vorhandensein und die Position der eluierten Vorläuferionenfragmente zu bestätigen als auch die Kalibrierungskurve über eine Konzentration zu erstellen Bereich von 1–10 µg/ml (Ergänzende Daten).

Die LC-MS-Ergebnisse wurden auch mit spektrometrischen Messungen verglichen. Für die spektrophotometrische Analyse wurden die Carotinoide in 1 ml Hexan gelöst und die Absorption bei 663 nm und 445 nm abgelesen. Die Fucoxanthin-Konzentration wurde mithilfe einer Fucoxanthin-Kalibrierungskurve (0,2–10 µg/ml) berechnet (Ergänzungsdaten). Die Fucoxanthin-Absorption bei 445 nm wurde durch Subtrahieren der Absorption bei 663 (Chlorophyll-Interferenz) korrigiert. Diese Korrektur ist erforderlich, da die Kalibrierungskurve nur für Fucoxanthin gilt und es möglicherweise zu Überschneidungen zwischen den Absorptionen von Chlorophyll (A und C bei 663) und Fucoxanthin (bei 445) kommt.

Alle Experimente wurden doppelt durchgeführt, wobei der Mittelwert ± Standardabweichung (SD) angegeben wurde. Die Daten wurden mit Graph Pad Prism v 9.4 aufgezeichnet.

Um den Gasaustausch in den AC-PBRs zu bestimmen, wurden die CO2- und O2-Diffusionsraten über den LDPE-Kunststoff qualitativ geschätzt. Der mit CO2 (300 ml) gefüllte AC-PBR war nach ca. 24 Stunden flach, was die Gradientendiffusion des eingeschlossenen CO2 in die Außenluft bestätigt. Darüber hinaus war der in Wasser mit einem anfänglichen pH-Wert von 7,1 getauchte AC-PBR nach etwa 24 Stunden ebenfalls flach und der pH-Wert des Wassers sank auf 5,7, was wiederum die Gradientendiffusion des eingeschlossenen CO2 in das Wasser und die anschließende Bildung von Kohlensäure (H2CO3) bestätigt ). Um festzustellen, ob bei der Luftübertragung eine Richtungsabhängigkeit vorlag, wurde ein separates, mit Luft gefülltes AC-PBR im Anlieferungszustand in ein verschließbares Glasgefäß mit weitem Hals gegeben, wobei das Gefäß mit CO2 gefüllt und verschlossen war. Am nächsten Morgen wurde ebenfalls nach ca. 24 Stunden festgestellt, dass die Höhe des AC-PBR um ca. das Vierfache auf einen Durchmesser größer als die Öffnung des Gefäßes angewachsen war, was die Diffusion unter einem Gradienten des äußeren CO2 nach außen durch das Gefäß bestätigte LDPE AC-Wand in den inneren luftgefüllten Bereich.

In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass die mit reinem O2 gefüllten AC-PBRs nach ca. 24 Stunden ein kleineres Volumen aufwiesen als ursprünglich, jedoch nicht annähernd so flach wie im vorherigen CO2-Test, was die Diffusion des eingeschlossenen O2 in die Außenluft unter einem bestätigt Gradient, aber mit einer viel geringeren Rate als CO2. Das untergetauchte AC-PBR schien auch ein etwas geringeres Volumen zu haben, wobei das Gesamtwasservolumen auf ~ 2,95 l reduziert wurde, was ebenfalls die Diffusion des eingeschlossenen O2 in das Außenwasser unter einem Gradienten bestätigt, jedoch mit einer viel geringeren Geschwindigkeit als CO2. Zu beachten war das Vorhandensein vieler kleiner Blasen an der Oberfläche des AC-PBR, die beim O2-Test unter Wasser vorhanden waren, beim CO2-Test unter Wasser jedoch nicht vorhanden waren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl CO2 als auch O2 unter einem positiven Gradienten über die AC-PBR-Oberfläche diffundieren, wobei CO2 mit einer viel höheren Geschwindigkeit diffundiert. Diese Beobachtung wird durch die Literatur gestützt, wie von Guisheng31 berichtet, der relative Permeabilitätswerte für CO2 und O2 von 10,7 bzw. 3,1 für LDPE bei 30 °C angibt32. Die oben genannten Ergebnisse ergänzten Khans Ergebnisse19, der Weithalsgläser mit Teichwasser füllte und sie mit einem einzelnen Blatt AIRplus AC-Kunststofffolie versiegelte, das über den Rand des Glases gespannt und mit zwei Gummibändern befestigt wurde. Die Ergebnisse nach 50 Tagen zeigten, dass die Algen grün blieben, ohne dass ein Verlust des Wasservolumens beobachtet wurde, was bestätigte, dass die vorhandenen Algen einen ausreichenden Austausch von Gasen (CO2 und O2) erlebt hatten, die für die Photosynthese und Atmung erforderlich waren. Insgesamt rechtfertigten diese kombinierten positiven Ergebnisse die Fortsetzung der Algenkultivierungsstudie in ACs, bei der alle schädlichen Auswirkungen auf die Wachstumsdauer und/oder die Leistung durch den Aufbau von O2-Toxizität und Wasserverlust überwacht würden.

Obwohl wir einen effizienten Gastransfer über die AC-PBR-Oberfläche beobachteten, wurde das jeweilige Medium für jeden Algenstamm zusätzlich zur Blasenbildung von CO2 mit 48 g/L NaHCO3 ergänzt, um sicherzustellen, dass während der gesamten Kultivierungsdauer CO2 vorhanden ist. Dadurch wurde unser CO2-Bikarbonat-Puffersystem etabliert33, das die OD680 nm für C. vulgaris um fast das Vierfache und für N. oculate um fast das Achtfache gegenüber nicht CO2-verstärkten Frisch- und Meeresmedien deutlich erhöhte (Daten nicht gezeigt). Basierend auf diesen Beobachtungen wurde das Verfahren des Einblasens von CO2 und der anschließenden Zugabe von Natriumbicarbonat bis zu einem neutralen pH-Wert für alle getesteten Arten, einschließlich der Kieselalge C. cryptica, zur Grundkonfiguration gemacht.

Um die Anwendbarkeit von wiederverwendeten und wiederverwendeten AC-PBRs aus Kunststoff für die Mikroalgenkultivierung zu untersuchen, haben wir drei frische und marine Algenstämme ausgewählt: C. vulgaris, N. oculata und C. cryptica. C. vulgaris ist eine grüne Süßwassermodell-Mikroalge, die häufig als Nahrungsergänzungsmittel oder proteinreicher Lebensmittelzusatzstoff verwendet wird und Berichten zufolge auch eine hohe Biomasse und einen hohen intrazellulären Lipidgehalt ansammelt33. N. oculata ist eine photoautotrophe, einzellige, frei schwimmende Meeresgrünalge, die häufig in der Aquakultur als energiereiche Nahrungsquelle für Fischlarven und Rädertiere34,35 verwendet wird. Darüber hinaus gilt sie als vielversprechende Alge für industrielle und nutrazeutische Anwendungen, da sie unter geeigneten Kultivierungsbedingungen hohe Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA) und Carotinoiden wie Astaxanthin, Zeaxanthin und Canthaxanthin anreichern kann. C. cryptica ist eine foto-/heterotrophe einzellige, frei schwimmende, zentrische Meeresdiatomee (Braunalge), die häufig in Aquakulturfuttermitteln verwendet wird36. Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Mengen an PUFA und dem Carotinoid Fucoxanthin anzusammeln, gilt sie als vielversprechende Alge für industrielle und nutrazeutische Anwendungen37,38. Da Kieselalgen darüber hinaus durch eine nahezu reine, amorphe hydratisierte Kieselsäureschale (Frustule) gekennzeichnet sind, können sie auch als potenzielle Quelle biogener Kieselsäure für hochwertige Anwendungen dienen39,40. Schließlich ist auch bekannt, dass C. cryptica β-Chitin-Nanofibrillen (Fasern)3,41 produziert, die bei der Herstellung von Biomembranen und Biokunststoffen Verwendung finden könnten, die eine bessere biologische Abbaubarkeit als Kunststoffe aufweisen42,43,44. Die Herstellung biobasierter Kunststoffe aus natürlichen Ressourcen mit einem hohen Anteil an protein- und kohlenhydratbasierten Polymeren stellt eine biologisch abbaubare Alternative zum Ersatz oder zur Ergänzung herkömmlicher erdölbasierter Kunststoffe dar45,46.

Bemerkenswerterweise konnten sich alle drei Algenstämme anpassen und in AC-PBRs wachsen, wobei N. oculata mit einem OD680 nm von 4,01 ± 0,20 das höchste Wachstumsniveau zeigte, gefolgt von C. vulgaris und C. cryptica (Abb. 1A). . Die Algenstämme zeigten eine 1-tägige Verzögerungsphase (0–1 Tag), gefolgt von Wachstum zwischen dem 2. und 5. Tag. Den Wachstumskurven zufolge erreichte C. vulgaris am 6. Tag die frühe stationäre Phase (Erntezeitpunkt), während N. oculata und C. cryptica wuchsen bis zum 8. bzw. 7. Tag weiter (Abb. 1A). Eine ungefähre Messung des restlichen Nitrats und Phosphats ergab eine Erschöpfung dieser beiden Makronährstoffe in C. vulgaris-Kulturen am 6. Tag, während N. oculata- und C. cryptica-Kulturen am 8. Tag 250 mg/L und 10 mg/L Restnitrat und Phosphat aufwiesen bzw. 7. Tag, was die längere Wachstumsdauer erklärt. Da bekannt ist, dass bestimmte Meeresalgen und Kieselalgen 22–47 % der Gesamtbiomasse Mineralien und Kieselsäure enthalten, haben wir den DCW für alle Algenstämme angepasst, um eine Überschätzung der Biomasse zu vermeiden. Eine Durchsicht der Literatur ergab niedrige Aschewerte für C. vulgaris von etwa ~ 5–6 %47,48, daher wurde in Übereinstimmung mit gängigen Forschungspraktiken hier keine Anpassung bezüglich des Ascheanteils vorgenommen (d. h. AFDCW (g) = DCW (g). )). Eine Überprüfung der Literatur für N. oculata und Nannochloropsis sp. ergab konstante Aschegehalte von 24,5 bzw. 27,3 %49,50; Daher wurde für diese Analyse hier ein Durchschnittswert von 25,9 % Aschegehalt verwendet. Die Untersuchung der Literatur zu Kieselalgen ergab, dass Hildebrand26 acht verschiedene Kieselalgenarten mit Aschegehalten von 49 bis 59 % verglich, wobei Kieselalgen im Durchschnitt den doppelten Aschegehalt einer Vielzahl nicht verkieselter Algen und den vierfachen Gehalt zweier untersuchter Chlamydomonas-Arten aufwiesen. Aufgrund des größeren Größenwerts und der Schwankung des Siliciumdioxidgehalts, die bei der Berechnung des organischen Gehalts im Trockengewicht der Diatomeenarten festgestellt wurden, wurden für C. cryptica direkte Doppelmessungen des AFDCW % durchgeführt, wobei der in der Literatur angegebene mittlere Aschegehaltswert von 45,4 % verwendet wurde.

(A) Wachstumskurve (OD680 nm); und (B) Aschefreies Trockenzellgewicht (AFDCW; g/L) und Biomasseproduktivität (mg/L d) von C. vulgaris, N. oculata und C. cryptica, kultiviert in AC-PBR.

Insgesamt erreichte N. oculata die höchste AFDCW- und Biomasseproduktivität von 2,39 g/L und 298,55 mg/L/Tag, gefolgt von C. vulgaris mit 0,85 g/L und 141,36 mg/L/Tag und C. cryptica mit 0,67 g/L und 96,08 mg/L/Tag (Abb. 1B). Die veröffentlichten Ausgangswerte der Algenbiomasseproduktivität für traditionelles RWP und PBR liegen typischerweise im Bereich von 0,5–1 g/L bzw. 2–6 g/L51. Daher war die beobachtete AC-PBR-Biomasseproduktivität der Algenstämme mit der für Indoor-PBRs und RWPs berichteten Produktivität vergleichbar (Tabelle 1)52,53,54, was das Potenzial einer kosteneffektiven Nutzung von ACs als PBRs, die dienen könnten, glaubhaft macht als „Set and Forget“-System zur nährstoffreichen Algenkultivierung.

Je nach Art besteht die Mikroalgenbiomasse hauptsächlich aus Kohlenhydraten (4–64 %), Lipiden (4–45 %) und Proteinen (6–71 %)55. Wie bereits erwähnt, kann die Einbeziehung des Aschegehalts in die biochemische Zusammensetzung zu einer Überschätzung der Makromoleküle führen. Daher wurden das Gesamtprotein, die Gesamtkohlenhydrate und die Gesamtlipide zusammen mit ihren jeweiligen Produktivitäten auf AFDCW-Basis berechnet (Abb. 2A, B). Der maximale Lipidgehalt (26,58 ± 0,30 % AFDCW) wurde bei C. cryptica erreicht, gefolgt von C. vulgaris mit 17,66 ± 0,30 % AFDCW und N. oculata mit 6,82 ± 0,21 % AFDCW (Abb. 2A). In ähnlicher Weise wurde die maximale Lipidproduktivität (25,54 ± 0,33 mg/L/Tag AFDCW) von C. cryptica erreicht, dicht gefolgt von C. vulgaris mit 24,96 ± 0,31 mg/L/Tag und dann N. oculata mit 20,35 ± 0,51 mg/Tag. L/Tag (Abb. 2B). Es ist zu beachten, dass C. vulgaris, das eine niedrigere Biomassekonzentration als N. oculata und eine höhere Biomassekonzentration als C. cryptica aufwies, eine Lipidproduktivität aufwies, die sich nicht wesentlich von der von beiden unterscheidet (Abb. 2B). Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, war das Nitrat in Kulturen von C. vulgaris vollständig erschöpft, während das modifizierte F/2-Medium von N. oculata und das L1-Medium von C. cryptica am Ende der Kultivierung etwas Restnitrat (50–250 mg/l) aufwiesen Zyklus. Tatsächlich haben frühere Studien berichtet, dass Stickstoffmangel bei mehreren Algen die Biosynthese intrazellulärer Lipide auslöst. Daher könnte der Anstieg des Lipidgehalts der Algenarten auf einen Stickstoffmangel zurückzuführen sein56,57.

(A) Biochemische Zusammensetzung (%); und (B) Produktivität (mg/L d) von C. vulgaris, N. oculata und C. cryptica, kultiviert in AC-PBR.

Es wurde berichtet, dass Algen bei frühem Nährstoffstress zunächst Kohlenhydrate synthetisieren und anschließend bei längerem Stress auf die Lipidbiosynthese umsteigen58. Aufgrund der großen Menge an Kieselsäure in der Biomasse der C. cryptica-Kieselalge konnten wir die Standardmethode mit Phenolschwefelsäure und den Bradford-Assay nicht zur Messung des Gesamtkohlenhydrat- bzw. Proteingehalts verwenden und entschieden uns daher für die Elementaranalyse (CHNS). Der Proteingehalt in der Kieselalge wurde anhand des Umrechnungsfaktors Stickstoff zu Protein (NtP) geschätzt. Der häufig verwendete NtP-Umrechnungswert beträgt 6,25, basierend auf Getreide mit einer üblichen Elementzusammensetzung von C40H62N10O12 für Protein59, wobei der Stickstoffgehalt der Formel 16 % beträgt und sein Kehrwert (1/0,16) 6,2560,61 entspricht. Spätere Untersuchungen ergaben jedoch, dass dieser Wert möglicherweise zu hoch ist und dass für die Algenbiomasse ein durchschnittlicher Faktor von 4,78 verwendet werden sollte, wobei für die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum 4,68 gemessen wurden62. Die CHNS-Analysedaten zeigten einen Stickstoffgehalt von 2,05 ± 0,07 % in der C. cryptica-Biomasse, was einem Gesamtproteingehalt von 9,6 % des DCW entspricht. Der AFDCW-Kohlenhydratgehalt wurde dann durch Subtraktion des gesamten AFDCW-Lipids und des gesamten Protein-AFDCW-Gehalts berechnet. Die höchste AFDCW-basierte Kohlenhydratproduktivität wurde bei C. cryptica mit 53,69 ± 0,19 mg/L/Tag beobachtet, gefolgt von N. oculata mit 30,78 ± 1,81 mg/L/Tag und C. vulgaris mit 22,61 ± 2,72 mg/L/Tag (Abb. 2B). Die höchste AFDCW-basierte Proteinproduktivität wurde bei N. oculata mit 247,42 ± 14,16 mg/L/Tag beobachtet, gefolgt von C. vulgaris mit 93,80 ± 1,74 mg/L/Tag und C. cryptica mit 16,85 ± 0,03 mg/L/Tag ( Abb. 2B). Insgesamt sind die biochemischen Produktivitätswerte von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten vergleichbar mit denen, die in der Literatur für diese in Indoor-PBRs kultivierten Stämme angegeben werden, was das Potenzial von AC-PBR als kostengünstiges, nachhaltiges Anbausystem, das zur Wiederverwendung von Kunststoffen beiträgt, unterstreicht (Tabelle 1).

Die Bestimmung des FAME-Profils von C. vulgaris, N. oculata und C. cryptica, die in AC-PBRs kultiviert wurden, wurde durchgeführt, um Veränderungen im Fettsäureprofil zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass das FAME-Profil von C. vulgaris hauptsächlich Palmitinsäure (16:0), Hexadecatriensäure (16:3), Ölsäure (18:1), Linolsäure (C18:2) und Stearinsäure (C18:0) umfasst ), was mit zuvor veröffentlichten Studien6,58 übereinstimmt (Abb. 3). Gesättigte Fettsäuren (SFA, keine Doppelbindungen), einfach ungesättigte Fettsäuren (MUFA, eine Doppelbindung) und mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA, zwei oder mehr Doppelbindungen) machten 34,25 %, 43,62 % und 22,14 % der Gesamtfettsäure aus Inhalt bzw. Wie bereits erwähnt, war Nitrat in C. vulgaris-Kulturen abgereichert, was offenbar zur beobachteten Anreicherung von C18:1 führte, das eine entscheidende Rolle beim Löschen reaktiver Sauerstoffspezies spielt, die während des Nährstoffmangels entstehen26. Darüber hinaus wird bei Nährstoffmangel ein höherer MUFA- und PUFA-Gehalt begünstigt, da sie Vorläufer für die Membranlipidbiosynthese sind und die Membranmodulation unterstützen. Das N. oculata-FAME-Profil umfasste hauptsächlich C16:0, C16:3, C18:1 und C18:2 mit geringen Mengen an Eicosapentaensäure (EPA) C20:5 und C24:1 (Abb. 3). SFA, MUFA und PUFA machten 34,96 %, 39,57 % bzw. 25,47 % der gesamten Fettsäuren aus. Diese Ergebnisse stimmen mit dem zuvor gemeldeten FAME-Profil für Nannochloropsis sp.30,34 überein. Die Membranlipide von N. oculata enthalten langkettige (LC) PUFA, einschließlich EPA, C20:4 und C24:1, die zum Vorhandensein dieser Fettsäuren in der Algenbiomasse beitragen. Schließlich umfasste das FAME-Profil von C. cryptica hauptsächlich C14:0, C16:0, C16:1, C16:2, C16:3, C20:5 und Docosahexaensäure (DHA) C22:6 (Abb. 3). SFA, MUFA und PUFA machten 40,63 %, 35,94 % bzw. 23,43 % der gesamten Fettsäuren aus. Diese Ergebnisse stimmen mit den in der Literatur gefundenen Gehalten an Kieselalgen überein, einschließlich des Vorhandenseins von DHA (0,74 %), relativ hoher EPA-Werte (7,58 %) und Spuren von C18-Fettsäuren63,64.

Relatives FAME-Profil (%) von C. vulgaris, N. oculata und C. cryptica, kultiviert in AC-PBR.

In Endanwendungen produzieren MUFA unter Berücksichtigung der Fließfähigkeit bei niedrigen Temperaturen und der Oxidationsstabilität einen besseren Biodiesel, während sich PUFA wie DHA und EPA bei Endprodukten, die in der Pharma- und Kosmetikindustrie sowie in der Pharma- und Kosmetikindustrie verwendet werden, als vorteilhaft für die menschliche Gesundheit erwiesen haben in Nahrungsergänzungsmitteln für das Carotinoid Fucoxanthin. Alle drei Stämme zeigten eine vergleichbare Lipidproduktivität für die Produktion von Biokraftstoffen, Nutrazeutika und Biokunststoffen über die proteinreichen C. vulgaris44,65 und N. oculata oder die β-Chitin-Nanofibrillen von C. cryptica. Darüber hinaus könnte die verbleibende Algenbiomasse, die reich an Proteinen ist, je nach verwendetem Nebenprodukt-Extraktionsverfahren als Ausgangsstoff für die Ergänzung von Tier- und Aquakulturfutter dienen und zum menschlichen Ernährungsbedarf beitragen, der durch Bevölkerungszuwächse und Veränderungen verursacht wird im Klima und die abnehmende Verfügbarkeit von Ackerland für die Landwirtschaft42,66.

Fucoxanthin ist ein wichtiges marines Carotinoid, das sowohl in Makroalgen (Algen) als auch in Mikroalgen reichlich vorkommt und etwa 10 % der geschätzten Gesamtproduktion an Carotinoiden in der Natur ausmacht67,68. In Mikroalgen, insbesondere in Kieselalgen wie C. cryptica, ist orangefarbenes Fucoxanthin (C42H58O6) eines der wichtigsten photosynthetischen Zellpigmente und Nicht-Provitamin-A-Carotinoide, die von der Zelle verwendet werden, um Licht zu sammeln und Energie zu übertragen69,70, zusammen mit den anderen beiden Hauptpigmenten Photosynthetische lichtsammelnde Pigmente sind Chlorophyll a (chl a) und Chlorophyll c (chl c)8. In den letzten Jahren wurde Fucoxanthin als Nahrungsergänzungsmittel im Hinblick auf seine entzündungshemmenden, tumorhemmenden, fettleibigen, diabetischen und malariatherapeutischen Wirkungen untersucht71. Derzeit wird Fucoxanthin hauptsächlich aus langsam wachsenden Meeresalgen mit geringem Fucoxanthin-Gehalt hergestellt. Schneller wachsende Mikroalgen sind aufgrund ihrer einfacheren Kultivierungs- und Skalierbarkeitseigenschaften eine wichtige alternative Option für die Fucoxanthin-Produktion72. Die LC-MS-Analyse von in AC-PBR kultiviertem C. cryptica zeigte eine Fucoxanthin-Konzentration von 0,868 mg/g DCW (0,474 mg/g AFDCW) und eine Fucoxanthin-Produktivität von 0,570 mg/L d (0,311 mg/L d AFDCW) ( Abb. 4). Die LC-MS-Ergebnisse waren mit den spektrophotometrischen Fucoxanthin-Konzentrationsergebnissen (0,822 mg/g DCW) vergleichbar, die sich als viel einfachere und schnellere Methode zum Nachweis von Fucoxanthin in Kieselalgenproben erwiesen. Der berechnete DCW-Fucoxanthin-Produktivitätswert von 0,570 mg/L d war mehr als das Doppelte des oberen Bereichswerts von ~ 0,23 mg/L d für 13 Diatomeen, einschließlich C. cryptica (CCMP 333; ~ 0,12 mg/L d), die in Erlenmeyerkolben kultiviert wurden in modifiziertem SK-Medium bei einer geringeren Lichtintensität von 30 µmol/m2s und einer längeren Kultivierungsdauer von 14 Tagen37.

Fucoxanthin-Konzentration (mg/g DCW) und Produktivität (mg/L d) in C. cryptica, kultiviert in AC-PBR.

Die Kultivierung von Mikroalgen zur Herstellung eines einzigen Bioprodukts war bisher nur begrenzt wirtschaftlich erfolgreich. Diese Erkenntnis treibt eine Verlagerung des Fokus des gesamten Unternehmens hin zu einer Multiprodukt-Bioraffineriestruktur voran, in der gezielte Produkte, Nebenprodukte und Systemverbesserungen im Design positiv zum Gesamterfolg des Betriebs beitragen, indem sie den Endergebnisprozess verbessern Wirtschaft. In dieser Studie führten wir eine Laborbewertung von ACs als kostengünstigen und arbeitssparenden Züchterrechten für den Anbau von C. vulgaris, N. oculata und der Kieselalge C. cryptica durch. Wiederverwendete und wiederverwendete ACs (1) Reduzieren und mindern Sie die Herstellung und den Abfall von Kunststoffen und tragen Sie so zu den Nachhaltigkeitsbemühungen bei; (2) Reduzierung der Kapitalinvestitionen in Bioraffinerien; und (3) Bereitstellung einer isolierten, kontaminationsfreien Umgebung während des Algenwachstums und der Bioproduktsynthese. Die generierten Daten ließen sich gut mit den traditionellen PBR-Werten vergleichen, die in der Literatur für die Algenbiomasse-, Lipid- und Fucoxanthin-Produktivität gefunden wurden, und bildeten somit einen Bezugspunkt für andere in Betracht gezogene PBRs für Plastiktüten auf Polyethylenbasis mit unterschiedlichem Design und unterschiedlichen Konfigurationen. Letztendlich hängen die Anwendbarkeit und der Nutzen von ACs vom Optimierungsgrad der entwickelten Produkte, dem genutzten Umfang und der Gesamtwirtschaftlichkeit ab. Für AC-PBRs sind mehrere direkte Einsatzmöglichkeiten vorgesehen, darunter die Herstellung hochwertiger Produkte/Moleküle und die Untersuchung alternativer Kultivierungswege, wie z. B. die Kultivierung von Mikroalgen-Biofilmen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind im Online-Datenrepository von Box.com verfügbar, https://usf.app.box.com/s/3nctk2w36hwn7cjwqk7v4a4lpnxduuv6.

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Diese Arbeit wurde zum Teil vom USF College of Marine Science (CMS), Dr. Philippidis‘ Biokraftstoff- und Bioproduktlabor am Patel College of Global Sustainability der USF unterstützt; die USF-Kernanlage für chemische Reinigung, Analyse und Screening durch Zugang zu LC-MS/MS-Q-TOF-, GC-MS/MS- und Lyophilisierungsgeräten; CMS Environmental Chemistry Laboratory der USF für Stickstoff- und Kohlenstoffisotopen- und Massenzusammensetzungsmessungen mittels CF-EA-IRMS; das Bigelow National Center for Marine Algae and Microbiota für aschefreie Trockengewichtstests; und Dialytics, Inc. Die Autoren danken Dr. Richard Gordon für seine Einführung in Bubble Farming.

College of Marine Science, University of South Florida, St. Petersburg, FL, USA

Clifford R. Merz

Abteilung für Zell-, Mikrobiologie und Molekularbiologie, University of South Florida, Tampa, FL, USA

Neha Arora

Patel College of Global Sustainability, University of South Florida, Tampa, FL, USA

Michael Welch, Enlin Lo und George P. Philippidis

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CRM: Konzeptualisierung, Überwachung, Projektverwaltung, Ressourcen, Finanzierungsbeschaffung, Untersuchung, Tests zur Überwachung des Algenwachstums, Verfassen, Überprüfen und Bearbeiten des Originalentwurfs des Manuskripts. NA: Methodik, Algenkultivierung, Fucoxanthin-Messungen, Überprüfung und Bearbeitung von Manuskripten, MW: Laboruntersuchungen, Tests und Ernte zur Überwachung des Algenkultivierungswachstums. EL: Biochemische Zusammensetzung und FAME-Messungen. GPP: Endgültige Überprüfung und Bearbeitung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Clifford R. Merz.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Merz, CR, Arora, N., Welch, M. et al. Eigenschaften der Mikroalgenkultivierung mit handelsüblichem Luftkissen-Verpackungsmaterial als Photobioreaktor. Sci Rep 13, 3792 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30080-6

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Eingegangen: 17. August 2022

Angenommen: 15. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30080-6

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