Biotechnologie sinic a řas

Transkript

1 Biotechnologie sinic a řas Biotechnologie technologie využívající biologické systémy, živé organizmy nebo jejich části k určité výrobě nebo jejich přeměně či jinému specifickému použití. Miloslav Kitner Katedra botaniky PřF UP Laboratoř molekulárních markerů Šlechtitelů 11, Olomouc - Holice

2 Osnova přednášky 1. Přehled využívání S + Ř člověkem (historie-současnost) 2. Hlavní produkty kultivace S + Ř 3. Kultivace mikroskopických řas - přirozená stanoviště - otevřené systémy - uzavřené systémy 4. Kultivace makroskopických řas 5. Toxiny sinic a řas

3 sinice = cyanobakterie = cyanoprokaryota - fotosyntetizující gramnegativní eubakterie - cyanoprokaryota botanika (nejstarší skupina organismů s FTS) - cyanobakterie ekologie, mikrobiologie, toxikologie. - velikost buněk um - jednobuněčné, vláknité nebo koloniální - artrospory = akinety (překonání nepříznivých podmínek) - heterocyty (fixace molekulárního dusíku) řasy - necévnaté, fotosyntetizující rostliny, obsahující chlorofyl, s jednoduchými rozmnožovacími strukturami V ČR žije kolem 7-8 tisíc druhů řas (cévnatých, vyšších rostlin je podle DOSTÁLa druhů). - z vývojového hlediska říkáme, že sinice jsou prokaryota (bakterie) a řasy eukaryota - tedy organizačně vyspělejší organismy (patří sem dále houby, lišejníky, rostliny, živočichové) - stélka: 1 um 60 m (Macrocystis pyrifera) - ekologie: prakticky všechny biotopy (horká vřídla, Antarktida, odpadní vody) - produkce řady látek, kterými mohou ovlivňovat své okolí (oligosacharidy, organické kyseliny, peptidy, hormony, enzymy, antibiotika, polysacharidy, ale také pachy, pachutě a toxiny)

4 Sinice a řasy..

5 Sinice a řasy.. Významní primární producenti: ~ 52 mld tun organicky vázaného uhlíku / rok ~ 50% -70 % organicky vázaných sloučenin / rok Produkce kyslíku Uvádí se, že kyslík obsažený v našem každém druhém nádechu vznikl produkcí sinic a řas.. bez sinic a řas by život na Zemi neexistoval.

6 Vodní nádrž Švihov (Želivka) vodní květ sinic Přehrada Sedlice u Želivy, srpen

7

8

9

10 Enteromorpha prolifera TUFuEw

11

12 Euglena sanguinea Pigment: astaxanthin - rozpustný v tucích, chemicky se řadí mezi karotennoidy, terpeny - Chrání chloroplast před intenzivním zářením přemístěním pigmentu ze středu buněk k povrchu Je to nejsilnější známý antioxidant, celkově velmi účinně podporuje nervový a kardiovaskulární systém, zvyšuje energii organismu a jeho odolnost.

13

14 Phaeocystis foam - Za vhodných podmínek činnost vln, vítr - pobřeží Severního moře - pobřeží Austrálie (New South Wales)

15 Phaeocystis foam Phaeocystis spp. - zástupci přispívají cca 10% primární produkce moří - Haptophyta, Prymnesiophyta - buňky 8 µm, slizovité kolonie 1 cm - otravy ryb (ucpou žábra) - ucpávají rybářské sítě, na pláži hnijí (dimethylsulfoxid)

16 1) Přehled využívání sinic a řas historie - současnost

17 Sinice a řasy historie-současnost Nostoc, Spirulina, Aphanizomenon - Asie, Afrika, Mexiko (Aztékové) užívány po dlouhá staletí jako jídlo bohaté na živiny historicky doložené zmínky o využití v potravě člověka 2000 př.n.l. Nostoc - hladomor v Číně 50 př.n.l. kosmetika Římanek Dodnes regenerační koupele z makrořas v Irsku minerály, vitamíny, minerální oleje st.n.l - Japonsko a Čína jídla z makroskopických řas (nori Porphyra) 17 st. doložena kultivace řas r. Porphyra Japonsko sběr řas Chondrus, Gelidium, Gracilaria - výroba produktů z agaru

18 18. st. produkce jodu a sody z hnědých řas Laminaria, Macrocystis a Fucus použití jako hnojiva zároveň první pokusy o jejich kultivaci

19 Biotechnologie 18. &19. st pálení mořských řas - produkce sody, potaše (K 2 CO 3 ), jodu

20 Sinice a řasy - tradiční využití 1866 Alfred Nobel vynález dynamitu použil diatomit jako absorbent a nosič nitroglycerinu nitroglycerin objevil r chemik Ascanio Sobrero v Turíně Dynamit: vyšší stabilita proti tlaku nebo nárazu oproti samotnému nitroglycerinu nitroglycerin je bezbarvá až nažloutlá olejovitá kapalina mechanicky nestabilní, C exploze původní název Kieselgur-dynamite (Kieselgur - německy křemelina, dynamite řecky plná síly diatomit - křemité schránek různých druhů rozsivek (sladkovodní i mořské) ve směsi s jílem a křemenným prachem (třetihory až současnost) křemelina (rozsivková zemina) nezpevněné volné schránky rozsivek (lehčené tvárnice, izolační hmoty, průmyslové filtry a oleje, tuky a ovocné šťávy) leštivá (diatomová) břidlice křemelina částečně zpevněná, rovnoběžná (vrstevnatá) stavba, používá se pro leštění kovů

21 Sinice a řasy historie-současnost počátek 20. st průmyslové využití alginátů 1940 rozvoj využívání mikroskopických řas při chovu ryb a mušlí (akvakultury) 1960 současnost rozvoj technologií velkoobjemové kultivace sinic a řas reakce demografické předpovědi vývoje lidské populace a předpoklad nedostatku potravin bohatých na bílkoviny výzkum produkce biomasy S+Ř pro pohonné hmoty a hnojiva energetická krize 70 s čištění odpadních vod s následnou konverzí biomasy na methan

22 World market Mikroskopické řasy rozvoj v posledních desetiletích roční obrat: 1.25 x10 9 US $ ročně se zpracuje 5 x10 3 tun kultivace především v uměle vytvořených systémech (mělké nádrže a fotobioreaktory)

23 Využití sinic a řas současnost

24 World market Makroskopické řasy (především zástupci Rhodophyta, Phaeophyta) sklizeň v místech přirozeného výskytu nebo na konstrukcích v pobřežních vodách Příklad trh s fykokoloidy ekonomicky nejvýznamnější produkované látky Agar - roční produkce tun - roční obrat 250 mil USD Algináty - roční obrat 150 mil USD (bez trhu v Číně) Karagenany tun v letech obrat 600 mil USD (bez trhu v Číně)

25 2) Hlavní produkty kultivace S + Ř

26 Komerční využití produktů sinic a řas potraviny a potravinové doplňky - zdroj proteinů v potravě člověka (Chlorella, Spirulina, makrořasy) krmiva - zdroj proteinů a vitamínů v krmivech pro drůbež, dobytek, prasata, ryby, mlže (ústřice) léčiva - β-karoten jako možný lék proti rakovině kůže. Antibiotika při hojení ran. Kyselina γ- linoleová stimulace tvorby prostaglandinu. Regulace syntézy cholesterolu. pigmenty - β-karoten pro barvení potravin a jako potravinový doplněk (provitamin A). Xantofyly v krmivu pro drůbež a ryby. Fykobiliny jako potravinářské barviva, v diagnostice, kosmetice a jako speciální chemikálie. fykokoloidy - algináty, agar, karagen - potravinářský průmysl, kosmetika zdroj dalších chemických látek- glycerol, mastné kyseliny, lipidy vosky, steroly, uhlovodíky, AK, enzymy, vitamíny C a E, polysacharidy, iontoměniče. palivo - uhlovodíky s dlouhým řetězcem, esterifikované lipidy, vodík, bioplyn ostatní - biofertilizace, bioremedice, environmentální technologie

27 Výstupy kultivace sinic a řas 1) Potraviny mikroskopické řasy produkce potravin z mikroskopických řas je omezena na několik druhů: - Spirulina a Chlorella dominují na trhu - vysoký obsah proteinů, vitamínů, a minerálů, výživná hodnota - relativně snadná kultivace - prodej ve formě kapslí, tobolek, pastilek, popř. prášku - doplněk stravy - využití dalších druhů je omezeno jednak problémy s kultivací, ale nárůstem různých food safety omezení - nežádoucí účinky a nejvyšší přípustné denní dávky nejsou stanoveny - Německo potravinový trh: chleba, pivo, jogurty, soft drinky Hlavní pěstované druhy mikroskopických sinic a řas: Pulz & Gross 2004 Appl. Microbiol. Biotechnol. 65

28 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 1) Potraviny makroskopické řasy - Součást tradiční asijské kuchyně - Čína, Japonsko, Korea, Filipíny, několik dalších asijských států - Čína je největší producent roční sklizeň 5 milionů tun/rok (wet mass) - Př. nori = Porphyra spp.- např. pro přípravu sushi - obrat 1,3 mld USD / rok - Zdroj přírodních vitamínů (B, C), minerálů (Fe), bílkovin, esenciálních mastných kyselin -.. pozitivní vliv na lidské zdraví Pulz & Gross 2004 Appl. Microbiol. Biotechnol. 65

29 2) Krmivo pro domácí zvířata - velice malé dávky mikrořas (Chlorella, Scenedesmus, Spirulina) v krmivech stimulují imunitní systém hospodářských zvířat - aditiva v krmivech drůbeže - potravinové doplňky domácích mazlíčků (pet market) - lesklá, bohatá, zdravá srst výstavních zvířat (psi, kočky, koně, papoušci ) - tradiční využití makroskopických řas - př.ulva spp., Porphyra spp., Palmaria palmata, Gracilaria spp. - Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas

30 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 3) Akvakultura (= technologie chovu měkkýšů, korýšů a ryb) roční obrat na světovém trhu: x 10 9 US $ Živé kultury řas jako potrava: - mlžů (ústřice, hřebenatky, slávky, chionka jedlá) - korýšů - ryb - zooplanktonu ~ ryb - vlastnosti využívaných druhů: vhodná velikost stravitelnost schopnost rychlého růstu netoxické - rozsivky (Nitszschia, Thalasiosira, Navicula) - zelené ř. (Dunaliella, Tetraselmis) - kryptomonády (Rhodomonas, Chroomonas) Chionka jedlá - Hard clam Marcenaria marcenaria

31 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 4) Biofertilizery - hnojiva použití makrořas jako hnojiv má tradici v přímořských oblastech jejich výskytu - používají se přímo stélky makrořas nebo jejich extrakty - zlepšují vlastnosti půdy - schopnost vázat vodu, jsou zdrojem živin - roční obrat na světovém trhu: 5 x 10 9 US $ - Anabaena, Nostoc význam při pěstování rýže v tropech a subtropech vazba vzdušného dusíku - výzkum obsahu růstových hormonů - zlepšují růst kořenů, stonků, listů, vliv na kvetení

32

33

34 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 5) Produkce významných látek a) esenciální mastné kyseliny = vitamín F (PUFA polyunsaturated fatty acids) - mikrořasy jsou primárním zdrojem vitamínu F v potravních řetězcích - podstatná složka tzv. rybího tuku (v rybách se hromadí přes potravní řetězec) - prevence kardiovaskulárních chorob, snižuje vysoký krevní tlak - zvyšování imunity - protizánětlivé účinky - kosmetický průmysl krémy, ethanolové extrakty výživa a ochranné účinky Kys. gamma-linolenová (GLA;all-cis-6,9,12-octadecatrienoic acid) Kys. arachidonová (AA; all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenoic acid) Kys. eikosapantaenová (EPA; all-cis-5,8,11,14,17-eicosapentaenoic acid ) Kys. dokosahexaenová (DHA; all-cis-4,7,10,13,16,19-docosahexaenoic acid)

35 5) Produkce významných látek b) Energeticky významné látky 1) Bioplyn: Anaerobní fermentace biomasy řas v bioplynových fermentorech - Chaluhy např. Macrocystis pro anaerobní produkci bioplynu, tj. metanu s výtěžností 0,4-0,56 m3 z kg (~ kukuřice 0,2 m3 z kg) Problémem je odpad s vysokým obsahem chloridů. 2) produkce lipidů (triacylglyceridy) - některé druhy jsou schopny produkovat velké množství lipidů, které jsou při jejich kultivaci získávány a konvertovány na bionaftu Př: Botryococcus braunii 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%. - tvoří vodní květy plovoucí na povrchu vody - v buňkách zřetelné olejové kapky, ty se časem uvolňují a plavou v médiu. - nízká růstová rychlost

36 5) Produkce významných látek b) Energeticky významné látky produkce lipidů dávivec Jatropha curcas řepka světlice barvířská Carthamus tinctorius skočec Ricinus communis zimostráz Simmondsia chinensis

37

38 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 5) Produkce významných látek c) Polysacharidy - makrořasy: tradiční zdroj - agar, algináty, karagenany - ekonomicky nejdůležitější výrobky vůbec - gely a zahušťovadla - problémy při kultivaci: znečištění moří (není kontrolovaná kultivace), limity produkce - mikrořasy - rozvoj v posledních letech s pokroky ve výzkumu a biotechnologiích - transgenní kultury, protoplastové kultury, buněčné kultury makrořas

39 Algináty - polysacharidové extrakty buněčných stěn hnědých řas třídy Phaeophyceae: Macrocystis pyrifera, Ascophyllum nodosum a Laminaria spp. - chemické složení: kyselina alginová = polysacharid tvořený dvěma složkami β-d-manurátem a α-l-guluronátem -hydrokoloidy, tj. vysokomolekulární látky charakterizované schopností pevně a stabilně vázat značná množství vody = násobek hmotnosti alginátu dnešní využití alginátů: aditivum k dehydratovaným látkám výroba papíru a textilu kosmetika medicína biokompatibilní gely imobilizace buněk, enzymů léčba hlubokých ran - alginátové krytí (alginát se při kontaktu se sekretem rány změní v gel s vlastnostmi vlhkého krytí; současně se sekretem algináty nasávají zbytky odumřelých buněk, bakterií a hnisu a uzavírají je do vznikajícího gelu) stomatologie rychle tuhnoucí otiskovací hmoty (korunky, můstky, snímatelné náhrady) potraviny, pochutiny, doplňky výživy odtučňovací slim drinks, zmrzlina (stabilizátory disperzí), zahušťovadla náplní do pečiva, rosoly, gely s vysokou stabilitou i při teplotách pečení E 400 kyselina alginová E 401 alginát sodný E 402 alginát draselný E 403 alginát amonný E 404 alginát vápenatý E 405 propan-1,2-diol-alginát

40 Agar - Ziskává se z polysacharidové buněčné stěny ruduch extrakcí horkou vodou - druhy: Gracilaria lichenoides, Gelidium sp., Euchema sp. - Chemické složení: polygalaktan, směs agarosy a agaropektinu - Agarosa: - lineární polymer - základ agarobiosa = disacharid (D-galaktosa + 3,6-anhydro-L-galaktopyranosa) - Agaropektin - zastoupen v menším poměru oproti agarose - jde o heterogenní směs menších molekul (řetězců agarobiosy), které jsou modifikovány kyselými sulfátovými a pyruvátovými skupinami

41 Agar - Chemické složení: směs agarosy a agaropektinu - Využití: - kultivační medium mikroorganismů - potravinářství: E zahušťující a želírující látka, - stabilizátor a emulgátor - využití při výrobě pekařských, masných, mléčných a cukrářských výrobků, želé, tavených sýr apod. - agar je považován za látku bezpečnou, bez alergických reakcí - v ČR je používání agaru povoleno v nezbytném množství ke všem potravinám s výjimkou dětské výživy - kulinářské pochoutky - ve vyšším množství se používá jako projímadlo - čistá agarosa molekulární biologie separace DNA, PCR produktů

42 Karagenany - polysacharidy získané z mořských ruduch (Rhodophyceae) extrakcí v zásaditém prostředí, zejména rodů Euchema, Chondrus a Gigartina. - Jejich složení, resp. struktura je velmi variabilní v závislosti na místě původu. -Základní strukturální jednotkou je D-galaktopyranosa se sulfátovými skupinami. - významná schopnost reagovat s bílkovinami a vytvářet gel, který je odolný vůči zmrazování i tání, a to bez změny struktury či ztráty vody. - Použití: - kosmetický a farmaceutický průmysl např. pro tělové a čistící krémy, deodoranty - U citlivých osob může karagenan v kosmetických přípravcích způsobit kopřivku nebo špatnou snášenlivost výrobku - potravinářský průmysl - stabilizátor (E 407) do zmrzlin, zmrazených náplní a krémů, ve směsi s lecitinem pro zlepšení objemu a struktury pšeničného chleba. - příprava šunek, uzených mas, specialit, vložek pro různé druhy masných výrobků - příprava paštik s vyšším obsahem přidané vody a případně i s vyšším obsahem přidaného tuku; - výroba běžných druhů masných výrobků s vyšším obsahem přidané vody; - studené omáčky.

43 5) Produkce významných látek d) Další látky Karotenoidní barviva (tetraterpeny) barviva a produkty pro barvení potravin, antioxidanty, potravinové doplňky β-karoten (E160a): produkuje Dunaliella prekurzor vitamínu A Astaxanthin (E161j): produkuje Haematococcus není prekurzor vit. A, v aquakulturách pro barvení masa ryb Lutein, zeaxanthin (E161b, E161h) zlepšení barvy drůbežích produktů, potravinová barviva, pozitivní vliv na zrak

44 5) Produkce významných látek d) Další látky Produkce stabilních radioizotopů Kultivace za striktních podmínek v mediu se zdrojem izotopů C, H, N Využití pro vědecké a medicínské účely Léky protinádorové látky cytostatika antihelmintika z vláknitých řas Spirogyra, Oedogonium antivirální aktivita látky izolované ze sinic, rozsivek, vláknitých spájivek (Spirogyra) Toxiny viz dál Vodní květy sladkovodních sinic Vodní květy mořských řas

45 Ozdravné a regenerační koupele Např. v západním Irsku je historicky doloženo, že seaweed baths mají pozitivní účinky na pokožku a užívají se při léčbě artritidy, revmatických onemocnění - antioxidanty, minerály, vitamíny, oleje

46 Ozdravné a regenerační koupele