Čepička et al. Vesmír 89 (2010) Co jsou řasy?

Transkript

1 Čepička et al. Vesmír 89 (2010) Co jsou řasy?

2 Collecting spirulina from a lake in Chad (photo J. Maley). Spirulina cakes (dihé) on sale in a local market in Chad (photo J. Maley).

3 Aztecs harvesting algae from lakes in the Valley of Mexico. Drawing in Human Nature, March (article by Peter T. Furst). An illustration from the Florentine Codex ( ) showing how the Aztecs harvested Spirulina (Arthrospira) off lakes by skimming the surface with ropes

4 Indie Hawai - Cyanotech

5 Výběr kmenů pro velkoplošné kultury fyziologická kritéria: eurytermní kmeny kmeny s minimální fotoinhibicí kmeny s minimální respirační rychlostí za tmy kmeny tolerující vysoké koncentrace O 2 kmeny tolerující osmotický stres Arthrospira platensis

6 Otevřené vs. uzavřené systémy fotobioreaktory = uzavřené systémy

7 Otevřené nádrže lze rozdělit do čtyř typů: kruhové nádrže, agitaci provádí rotující rameno podlouhlé nádrže kultivační nádrže s určitým sklonem přirozené nádrže Kruhové nádrže míchány rotujícím ramenem, Chlorella (Taiwan)

8 Podlouhlé nádrže Nejjednodušší konstrukce jsou mělké jámy v zemi, překryté nepropustnou fólií. Sede Boker (Izrael) V zemi vyhloubená nádrž, překrytá polyetylenovu fólií Madras (Indie)

9 Experimentální nádrže - podlouhlé Sede Boker (Izrael) Dortmund Technion-Heifa (Izrael) Bloemfontein (JAR)

10 Velké produkční jednotky Podlouhlé nádrže na pěstování Arthrospira o celkové ploše m 2 Earthrise Company, Kalifornie

11 Kultivační nádrže s určitým sklonem Kultivační jednotky se skládají z kaskádovitě uspořádaných skleněných ploch, po kterých stéká řasová suspenze a je opět pumpována vzhůru (během dne za vysoké světelné intenzity). Během noci je řasová suspenze skladována v nádrži, provzdušňována a míchána (Třeboň) Kultivační nádrž ve svahu, řasová suspenze meandruje od nejvyššího bodu k nejnižšímu, odkud je pumpována zpět nahoru. Sausal

12 Velkoplošné kultivace MBÚ AVČR Třeboň Opatovický Mlýn

13 Přírodní nádrže Jezero Twin Taung, Barma jezero Texcoco, Mexiko Stará mapa (1720) jezera Texcoco

14 Arthrospira Spirulina A. platensis A. maxima aktivní pohyb bez kalyptry příčné přehrádky sotva znatelné

15 -linolenová kyselina 18:3n-6 (GLA) nenasycená mastná kyselina (PUFA) účinně snižuje hladinu cholesterolu využití při léčení atopických ekzémů zmírnění příznaků premenstruačního syndromu předpokládá se také pozitivní vliv na srdeční choroby, Parkinsonovu nemoc a roztroušenou sklerózu 1968 se zjistilo, že Arthrospira je jedinečná v obsahu GLA (nejbohatší řasový zdroj).

16 200 tablet/18 USD 180 tablet/33usd

17

18 Chlorella Jednobuněčná zelená kokální řasa, kulovitý až elipsoidní tvar, parietální chloroplast s pyrenoidem. Vysoká růstová rychlost oblíbený modelový organismus. Na chlorele pan Melvin Calvin studoval temnostní fázi fotosyntézy. Chlorella má ze všech dosud studovaných organismů nejvyšší obsah chlorofylu. Které druhy se používají pro velkoplošné kultivace?

19 Kultivace Chlorella Kruhovité kultivační nádrže (Taiwan) Kultivační jednotky v Třeboni USA, Japonsko, Taiwan, Holandsko, Německo, Israel, Česká republika, Bulharsko.

20 Zjištěné léčebné účinky Chlorella chlorofyl protizánětlivé účinky, podporuje hojení ran proti zácpě (vláknina, chlorofyl) eliminace těžkých kovů a jiných jedů léčba chudokrevnosti (chlorofyl, Fe, kyselina listová, vitamin B12) protinádorová aktivita Ch. vulgaris. Růst fibrosarkomu u myší byl inhibován injekcí chlorelového extraktu zlepšuje trávení, podporuje metabolismus obsahuje anti-oxidant - karoten podporuje imunitní systém pomáhá proti hypertenzi

21 Feoforbid v 1977 byly pozorovány vyrážky a svědění kůže po konzumaci Chlorella. Feoforbid vzniká při degradaci chlorofylu. Minimální efektivní dávka, která vyvolá dermatitidu je 25 mg/den. Experimenty na hlodavcích LD50 455mg /kg těles. hmotnosti/den. chlorofyl feofytin feoforbid chlorofyláza Chlorofyláza je do určité míry schopná přežít zvýšenou teplotu zůstává aktivní v řasových buňkách sušených za nízké teploty. Její aktivita se zvyšuje za vlhka (nevhodné skladování).

22 Taiwan 500 tab/25 USD 300 tablet /15 USD USA Chlorelový med - Malaisie Dávkování 6 tablet denně, zvýšit až na 20 Vláknina, Chlorella, probiotické bakterie Česko 225 tablet/240 Kč DDD 15 tab. Rusko

23 Tvorba astaxantinu u Haematococcus

24 Třída: Chlorophyceae řád: Chlamydomonadales Haematococcus syntetizuje chlorofyl a, b a primární karotenoidy typické pro Chlorophyceae a cévnaté rostliny ( -karoten, lutein, violaxantin, neoxantin a zeaxantin). Za určitých růstových podmínek začnou vegetativní buňky syntetizovat astaxantin (sekundární karotenoid) Astaxantin se u Haematococcus vyskytuje ve formě mono- a di-esterů mastných kyselin a tvoří až 95 % sekundárních karotenoidů

25 Haematococcus Životní cyklus Haematococcus pluvialis vhodné médium Po přemístění do vhodného prostředí se z tlustostěnných akinet bičíkaté zoospory, které rostou a dělí se (disperzní fáze). Bičíkovci zastaví dělení po proběhnutí 5 životních cyklů, pak se změní na nepohyblivé kulovité buňky (palmeloidní stádium). Nepohyblivé buňky pokračují v růstu a dělí se tvorbou aplanospor dalších cca 200 hodin. Produkční fáze - dochází k rychlému nárůstu biomasy a zvyšuje se obsah astaxantinu. Buňky stárnoucích kultur vytváří silnou stěnu a mění se v červené odpočívající akinety.

26 Pěstování Haematococcus pluvialis ve 30 litrovém bioreaktoru. Projekt EU: hledání nových zdrojů přírodního astaxantinu pro akvakultury. Využití pro pigmentaci masa lososů a korýšů.

27 Algatech - Israel Velkoplošné kultivace uzavřené fotobioreaktory v Negevské poušti červená fáze akumulace astaxantinu

28 Haematococcus Zelená a červená fáze kultivace

29 Cyanotech - Hawai

30

31 Dunaliella Dunaliella (Chlorophyceae) má vejčité buňky (na bázi širší, v apikální části užší) 2-8 m x 5-15 m s dvěma stejně dlouhými bičíky. Velikost a tvar buněk jsou ovlivněny podmínkami vnějšího prostředí.. The orange color of Laguna Colorada is due to a type of micro-algae (Dunaliella salina) zdroj beta-karotenu

32 Halotolerance Dunaliella preferuje vodní prostředí se salinitou větší než 2M (10 %). Typicky lze jednodruhové kultury Dunaliella nalézt v hypersalinních jezerech jako je Mrtvé Moře (Israel), Great Salt Lake (Utah, USA), Pink Lake (Austrálie). Dosud nebyl zjištěn žádný eukaryontní organismus s vyšší halotolerancí. Pink Lake (západní Austrálie) hypersalinní jezero s Halobacterium

33 Glycerolový cyklus Calvinův cyklus glykolýza

34 Extenzivní kultivace The large open ponds used for the culture of Dunaliella salina at Hutt Lagoon, Western Australia, by Congnis Nutrition and Health. The largest ponds are about 250 ha in area. Sea salt salinas with halobacteria and Dunaliella, San Francisco Bay, California, 1999

35 Biopaliva z řas alternativa fosilním palivům řasy nezabírají zemědělskou půdu některé řasy lze pěstovat na mořské nebo odpadní vodě řasy mají vysokou růstovou rychlost biodiesel metan etanol, butanol rostlinný olej = crude vegetable oil

36 Botryococcus braunii

37 Botryococcus Vodní květ koloniální zelená řasa (Trebouxiophyceae), velikost kolonií 30µm 2mm. Typická organizace kolonií. Buňky usazeny uvnitř pohárků matrix, která je inpregnovaná lipidy (až 85% sušiny) z toho uhlovodíky tvoří (až 35 %), součástí olejových břidlic - Ordovik.

38 Výroba paliva z Botryococcus braunii -botryococceny (izoprenoidy) chemická přeměna na palivo krakování = pyrolýza dlouhé uhlovodíky + organické molekuly (kerogeny) jsou štěpeny na prekurzory (C-C vazba)

39 Akumulace lipidů v buňkách řas a produkce bionafty Některé rozsivky (např. Amphora, Navicula, Nitzschia) přeměňují značnou část fixovaného C na lipidy (až 72 % sušiny) Produkce lipidů může zvýšena pokud jsou řasy vystaveny stresu (nedostatek N; příp. kombinace nedostatku N a Si u rozsivek 2-3násobné zvýšení obsahu lipidů). Další pokusy byly dělány na Isochrysis (Haptophyta=Primnesiophyta). Produkce lipidů ve venkovní velkoplošné kultivaci představovala 6 g. m -2. d -1. Pokus probíhal 45 dní. Pokud by bylo možné udržet produkci celý rok, výtěžek by představoval 21 tun. ha -1. rok -1. Amphora Isochrysis Navicula

40 Produkce biopaliv z rostlinných olejů - transesterifikace biopaliva methylestery MK ethylestery MK = biodiesel (typicky produkován z rostlinných olejů)

41 Biomethanizace - metan anaerobní rozklad biomasy pomocí methanogenních bakterií Pokusy byly prováděny jak s makro-, tak s mikrořasami (např. Arthrospira maxima, Phaeodactylum tricornutum). Řasy většinou poskytovaly vyšší výtěžek methanu než cévnaté rostliny % dostupného C bylo přeměněno na metan. Arthrospira maxima

42 Přímá produkce energeticky bohatých látek Etanol z glycerolu Za optimálních růstových podmínek může halofytní zelený bičíkovec Dunaliella vyprodukovat až 8 g glycerolu. m -2. d -1. Glycerol jako takový nepředstavuje vhodné kapalné palivo. (teplo získané spálením 1 g glycerolu je 4,3 kcal, spálením 1 g benzínu získáme 11,4 kcal). Glycerol může být přeměněn na energetičtější palivo bakteriální fermentací (Bacillus sp.) Paliva vzniklá fermentací mají vyšší obsah energie (etanol 7,1 kcal. g 1 ). Alganol Dunaliella

43 Solazyme Part of was a test, in collaboration with the U.S Navy, which placed 100% algae fuel into 300- meter Maersk container vessel. This 100% algae fuel was used in a test to sail from Northern Europe to Indonesia. This voyage was highly successful. Using 300 tons of algae based fuel, these carriers made the one month voyage US Navy successfully demonstrated Solazyme s 100% algal-derived jet fuel, Solajet(R) HRJ-5, in an MH-60S Seahawk helicopter test flight in a 50/50 blend with petroleum-derived jet fuel. This is the first defense aircraft in history to fly on algae fuel.

44 Nanotechnologie Losic et al. (2009); Pérez-Cabero et al. (2008)

45

46 Bio-Fuel Growing Eco Pods Rejuvenate Stalled Boston Project