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.. no a co má bejt?!! 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 1) Přehled využívání sinic a řas historie - současnost

7 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 4-6 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

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

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

10 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

11 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

12 Využití sinic a řas současnost

13 2) Hlavní produkty kultivace S + Ř

14 Komerční využití produktů sinic a řas potraviny a potravinové doplňky - zdroj proteinů v potravě člověka (Chlorella, Spirulina) 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 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

15 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)

16 World market Makroskopické řasy (především zástupci Rhodophyta, Phaeophyta) sklizeň v místech přirozeného výskytu nebo na konstrukcích v pobřežních vodách Příklad trh s fykokoloidy 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)

17 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

18 Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 1) Potraviny makroskopické řasy Potravinové výrobky z makroskopických řas - 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

19 2) Krmivo pro 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

20 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: vhodná velikost stravitelnost schopnost rychlého růstu netoxické - rozsivky (Nitszschia, Thalasiosira, Navicula) - zelené ř. (Dunaliella, Tetraselmis) - kryptomonády (Rhodomonas, Chroomonas) Chionka jedlá - Hard clam Marcenaria marcenaria

21 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, minerály, popř. vzdušný dusík - 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

22

23 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)

24 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) - konverze 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 je kompenzována produkcí energeticky bohatých sloučenin

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

26

27 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: 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

28 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

29 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

30 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

31 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.

32 5) Produkce významných látek d) Další látky Barviva a produkty pro barvení potravin β-karoten (E160a): produkuje Dunaliella - izoprenoidní látka (tetraterpen), potravinová barviva, produkty zdravé výživa a jako prekurzor vitamínu A Astaxanthin (E161j): produkuje Haematococcus karotenoidní látka (tetraterpen), není prekurzor vit. A, barvení potravin, doplněk zdravé výživy, v aquakulturách pro barvení masa ryb Lutein, zeaxanthin (E161b, E161h) - karoteny - farmacie a pro zlepšení barvy drůbežích produktů, potravinová barviva, pozitivní vliv na zrak..antioxidanty

33 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

34 Děkuji za pozornost