Nutritia algelor - bazele ecofiziologice si biotehnologice ale cultivarii dirijate a organismelor acvatice vegetale

Nutritia algelor

Unul dintre procesele fiziologice esentiale in derularea metabolismului organismului vegetal si, in final, in producerea de biomasa, il reprezinta nutritia minerala.

Pe baza unor cercetari minutioase, aprofundate si complexe, care s-au desfasurat de-a lungul unei perioade de peste 100 de ani, specialistii in fiziologie vegetala au ajuns la o cunoastere destul de temeinica a caracteristicilor nutritiei minerale a algelor, a principalelor cerinte ale algelor, atat in raport cu nutrientii principali, cat si cu micronutientii. Aceste cunostinte au stat la baza elaborarii unor retete de medii nutritive pentru alge, medii care si-au dovedit caracterul adecvat in urma a numeroase studii de algologie experimentala.

In nutritia algelor un rol important revine nutrientilor esentiali.

Printre acestia se numara sursele de carbon, de azot mineral si cele de fosfor.

Ca surse de carbon, majoritatea algelor (autotrofe) folosesc dioxidul de carbon dizolvat in apa, respectiv ionul carbonic si cel bicarbonic.

In mediile de crestere, care, in fond constituie solutii apoase, dioxidul de carbon este prezent in diferite forme, functie de pH, de cantitatea de elemente alcaline, de temperatura si de cantitatea de CO₂ din atmosfera, situatie ilustrata de reactiile de mai jos:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^- + H ⁺ → CO₃^-2 + 2H ⁺

Sub valori ale pH-ului mediului numai CO₂ liber prezinta importanta, intre valorile de 7 - 9 bicarbonatii sunt cei mai importanti ca sursa de carbon pentru autotrofe, iar la valori ale pH-ului de peste 9,5 bicarbonatii devin preponderenti in nutritia minerala a algelor.

Au fost puse in evidenta particularitati metabolice care diferentiaza variatele specii de alge. Scenedesmus quadricauda utilizeaza atat CO₂ cat si ionul bicarbonic, pe cand Chlorella foloseste preponderent CO₂; Spirulina platensis realizeaza cresteri importante ale biomasei in medii foarte bogate in ion bicarbonic, dar, la barbotarea suspensiilor cu aer imbogatit in CO₂ se inregistreaza un spor semnificativ al productiei.

Unele alge, printre care Euglena gracilis, Ochromonas malhamensis, sau anumite cianoficee pot converti monoxidul de carbon in dioxid de carbon. In cazul algelor care prezinta si capacitati de nutritie heterotrofa, apreciate drept chemo-organotrofe facultative (de exemplu cele din genul Euglena) heterotrofia este sustinuta de substrate precum etanolul si acetatii, iar in medii acide, de acizii dicarboxilici din ciclul lui Krebs si de catre aminoacizii corespunzatori. Unele linii genetice de Scenedesmus si Chlorella au folosit compusi organici purtatori de energie, precum hexozele (zaharuri), acid acetic/saruri, peptona etc. Nostoc punctiforme poate asimila polizaharide precum amidonul sau inulina. Intrucat moleculele mari nu pot patrunde in majoritatea celulelor algale, pentru a fi metabolizate este necesar ca algele respective sa produca enzime extracelulare; unele alge secreta o proteinaza extracelulara care poate lichefia gelatina, de exemplu.

In ceea ce priveste asigurarea necesarului de azot, unele alge - din cadrul cianoficeelor (respectiv familiile Nostocaceae, Oscillatoriaceae, Rivulariaceae) - pot realiza fixarea directa a azotului molecular (atmosferic), proprietate care a dus la utilizarea unor culturi de alge pentru sporirea productiei de orez in zonele traditionale de cultura a acestor cereale.

Reamintim in acest sens ca, prin introducerea in apa ce acopera terenurile cultivate cu orez a unei suspensii concentrate a algei hormogonale Tolypothrix tenuis s-a obtinut o marire a productiei de orez de ordinul a 28 %, ca urmare a unui aport sporit de azot in agroecosistemul respectiv

Fixarea nitrogenului molecular de catre cianoficeele fototrofe depinde, printre altele, de prezenta in mediu a unor cantitati mici dar adecvate de molibden; acest element este necesar si in cazul ca sursa de azot este constituita de azotati.

Intre asimilarea azotului si fotosinteza exista o conexiune indirecta prin intermediul donorilor de hidrogen.

Cantitatile generale de azot de care au nevoie in conditii de cultivare cloroficeele au fost apreciate la nivele cuprinse intre 6,5 - 8,3 % din greutatea uscata a materiei organice (fara cenusa). S-a mai constatat ca absorbtia excesiva de azot poate fi determinata experimental, daca algele sunt crescute in medii deficitare in mangan, bor sau zinc; pe aceasta cale au fost obtinute celule de Scenedesmus obliquus care contineau cantitati de azot duble fata de cele normale.

Analiza: Pancreasul endocrin - capilare si acini serosi Referat: Generalitati despre nucleul celulei

Este posibil ca aceasta proprietate a metabolismului microalgelor sa poata fi utilizata in scopul producerii prin cultivare dirijata a unei biomase cu continut mult sporit de proteina, fara cheltuieli suplimentare

Se considera ca, de regula, majoritatea algelor dulcicole folosesc in metabolismul lor, drept sursa "preferabila" de azot - azotatii, in masura mult mai mare decat azotitii sau amoniul. In cazul folosirii unor medii nutritive ce contin NH₄NO₃, culturile de Euglena, Trachelomonas si Phacus, microalge care nu pot utiliza azotatii, ionul de amoniu este asimilat preferential, iar pH-ul mediului scade puternic.

Sunt si unele substante organice cu azot care servesc drept surse convenabile pentru metabolismul azotat al unor alge; dintre acestea, mentionam urea, acidul uric, xantina. Un studiu asupra ciclului ureei la Chlorella a pus in evidenta asimilarea citrulinei, a ornitinei si a alfa-butiratului in locul ureei si a argininei; nici o alga nu a folosit, ca sursa de azot, alantoina sau creatinina (Hutner & Provasoli, 1964).

In ceea ce priveste asimilarea fosforului, s-a constatat ca aceasta are un rol extrem de important in productia de biomasa a microalgelor. Fosforul reprezinta o componenta importanta a acizilor nucleici, a lipidelor, proteinelor, si intermediaza metabolismul carbohidratilor.

Cea mai accesibila/asimilabila forma a fosforului o reprezinta fosfatii. Odata asimilat, fosforul va contribui efectiv la formarea unor compusi organici a caror legatura chimica cu atomii de P este labila, si este capabila de a elibera energie. Asociat cu adenina si cu riboza, acidul fosforic contribuie la formarea adenozin-trifosfatului (ATP), a adenozin-difosfatului (ADP) si a adenozin monofosfatului (AP), componente esentiale ale metabolismului energetic al algelor.

Necesitatile fata de fosfor ale cloroficeelor, desi destul de variate, variaza in general in jurul a 2 - 3 % din greutatea uscata a biomasei.

Deficitul de fosfor in mediul nutritiv duce la acumularea unor mari cantitati de lipide in biomasa respectiva.

Siliciul este un element absolut indispensabil diatomeelor si unor specii de crisoficee sau xantoficee. Prezenta acestui element intervine direct in derularea proceselor de diviziune celulara. Cerintele ecofiziologice fata de acest element sunt destul de diferite de la o specie la alta; pentru Asterionella formosa se citeaza nivelul de 0 mg/l, pentru Melosira italica subsp.subarctica - 0,8 mg/l, iar pentru cresterea normala a speciei Fragilaria crotonensis este necesara o concentratie a siliciului de cel putin 25 mg/l.

Fierul intra in componenta citocromilor si a feredoxinei, elemente ale lanturilor transportului de electroni in fotosinteza, respiratie, fixarea azotului atmosferic; el intervine de asemenea intr-o varietate de reactii enzimatice.

Magneziul are multe atributii de importanta majora in metabolismul celular. Rolul sau principal consta in procesul de agregare a ribozomilor in structuri functionale; Mg este implicat in deplasarea grupelor fosfatice de mare inalt ergice si, de asemenea, este un component important in structura clorofilei.

Manganul intervine in cadrul mecanismelor de transport a electronilor in fotosinteza; in afara de aceasta, el este implicat, la concentratii foarte reduse, in cresterea heterotrofica la Chlorella pyrenoidosa. Manganul actioneaza, de asemenea, in calitate de cofactor pentru cateva enzime.

Cuprul intra in alcatuirea proteinei din structura plastocianinei, care este un component al caii de transport a electronilor intre cele doua fotosisteme. In afara de aceasta, cuprul intra in componenta unor enzime ale plantelor superioare.

Potasiul actioneaza in calitate de cofactor pentru o mare varietate de enzime, si este necesar tuturor algelor. Amintim ca, in cadrul unei analize asupra compozitiei chimice globale a algelor (Healey, 1973) s-a constatat ca - intre cele 18 elemente chimice evidentiate, potasiul ocupa locul al 6-lea (in ordine descrescatoare, dupa H, C, O, N, Si), cu o concentratie medie de ordinul a 17,3 micrograme/mg substanta uscata.

Sodiul este necesar multor specii de alge, dar nu tuturor. O parte dintre cianoficee asimileaza si folosesc in metabolismul lor sodiul. Una dintre speciile care necesita cantitati relativ mari de sodiu este Spirulina platensis; necesarul de Na al speciei Anabaena cylindrica nu poate fi satisfacut de K, Li, Rb sau Cs. Prezenta sodiului in mediul nutritiv stimuleaza cresterea autotrofa, nu pe cea heterotrofa, la Chlorella pyrenoidosa. Necesitatile fata de sodiu ale cianoficeelor marine depasesc cu mult pe cele ale speciilor de apa dulce.

In cadrul analizei compozitiei elementale a algelor, mentionate anterior (Healey, 1973), sodiul ocupa locul al 8-lea in ordinea descrescanda, avand o concentratie medie de ordinul a 6,1 micrograme/mg de substanta uscata.

Rezultate foarte interesante pentru cunoasterea particularitatilor nutritiei minerale a algelor au fost obtinute prin urmarirea efectelor deficitului controlat al unei substante sau a alteia in mediul nutritiv. Un efect general este reflectarea deficitului elementului respectiv in concentratia sa in biomasa. De asemenea, deficitul unui nutrient este acompaniat de modificari in cantitatile altor elemente din continutul biomasei. Astfel, la Chlorella pyrenoidosa deficitul de fosfor duce la valori mai mici ale cantitatii de potasiu; la Anacystis nidulans deficitul de fosfor induce scaderea continutului de azot din biomasa.

Chlorella pyrenoidosa crescuta intr-un mediu nutritiv cu cantitati sub-optimale de potasiu acumuleaza cantitati mai mari de sodiu.

Un prim efect general al deficitului de nutrienti in mediul de crestere al algelor consta in scaderea continutului de pigmenti fotosintetici. Cantitati diminuate de clorofila au fost raportate la un numar mare de specii de alge crescute in medii nutritive deficitare in N, P, S, Si, Mg, Fe, K si Mo. In mod similar, la cianoficee si algele rosii, cantitatile de biliproteine fotosintetic active depind in mare masura de insuficienta unor nutrienti in mediul de crestere. O anumita exceptie o prezinta manganul, a carui deficit nu determina scaderea cantitatii de clorofila la algele verzi sau la Euglena gracilis crescute autotrof.

Un al doilea efect general al carentei unor nutrienti la alge consta in acumularea unor compusi de stocare a carbonului.

De obicei, acesti compusi sunt reprezentati de hidratii de carbon, acumularea carora a fost stabilita in cazul deficitului de N, P, S, Mg si Fe. Deficitul de potasiu a dus la acumularea de hidrati de carbon la Chlorella vulgaris, dar acest efect nu a fost pus in evidenta in cadrul culturilor experimentale de Cyclotella cryptica ; la acesta specie, nici carenta calciului sau manganului nu a determinat acumularea peste normal a hidratilor de carbon.

Deficitul de azot din mediul nutritiv a determinat acumularea de lipide la mai multe specii de alge, dar nu si la cianoficee ori rodoficee.

Cel de al treilea efect general al insuficientei unor nutrienti este scaderea continutului de proteine. Acest efect a fost constatat in cazul carentei N, P, Si, Mg, Zn. In mod surprinzator, biomasa de Astasia longa intr-un mediu limitat in sulf nu a prezentat o diminuare a proteinelor. Insuficienta in N, P, S, Mg si Zn duce la intreruperea sintezei ARN si la o scadere semnificativa a cantitatii de ARN in celule.

In afara de impactul deficitului unor nutrienti asupra compozitiei biomasei algale, au fost puse in evidenta si unele influente asupra metabolismului algal. Dintre acestea, amintim urmatoarele:

Cresterea capacitatii celulelor de a absorbi din mediu elementul deficitar;

Sporirea in fapt a cantitatilor de nutrienti efectiv asimilate;

Cresterea, in cazul unor anumite carente, a abilitatii algelor de a asimila nutrientul deficitar din compusi organici;

Scaderea generala a ratei fotosintezei.