1+2 – Přehled využívání sinic a řas+Hlavní produkty - isb

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
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
sinice
= cyanobakterie = cyanoprokaryota
- fotosyntetizující gramnegativní eubakterie
- cyanoprokaryota – botanika (nejstarší
skupina organismů s FTS)
- cyanobakterie – ekologie, mikrobiologie,
toxikologie.
- velikost buněk - 1-10 um
- jednobuněčné, vláknité nebo koloniální
- artrospory = akinety (překonání nepříznivých
podmínek)
- heterocyty (fixace molekulárního dusíku)
- 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)
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 3 500 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)
Sinice a řasy …..
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.
1) Přehled využívání sinic a řas
historie - současnost
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
•18. st. – produkce jodu a sody z hnědých řas Laminaria, Macrocystis
a Fucus
• použití jako hnojiva
• zároveň první pokusy o jejich kultivaci
Biotechnologie 18. &19. st – pálení mořských řas
- produkce sody, potaše (K2CO3), jodu
Sinice a řasy - tradiční využití
• 1866 – Alfred Nobel – vynález dynamitu
• použil diatomit jako absorbent a nosič nitroglycerinu
• nitroglycerin objevil r. 1847 chemik Ascanio Sobrero v Turíně
Dynamit:
• vyšší stabilita proti tlaku nebo nárazu oproti samotnému nitroglycerinu
• nitroglycerin je bezbarvá až nažloutlá olejovitá kapalina
• mechanicky nestabilní, 50-60°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,
(vrstevnatá) stavba, používá se pro leštění kovů
rovnoběžná
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
Využití sinic a řas – současnost
2) Hlavní produkty kultivace S + Ř
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
World market
Mikroskopické řasy
– rozvoj v posledních desetiletích
– roční obrat: 1.25 x109 US $
– ročně se zpracuje 5 x103 tun
– kultivace především v uměle vytvořených systémech
(mělké nádrže a fotobioreaktory)
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 7.500 tun
- roční obrat 250 mil USD
Algináty
- roční obrat 150 mil USD (bez trhu v Číně)
Karagenany
- 50.000 tun v letech 2007-2008
- obrat 600 mil USD (bez trhu v Číně)
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
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
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas
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
3) Akvakultura (= technologie chovu měkkýšů, korýšů a ryb)
• roční obrat na světovém trhu: 40-50 x 109 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
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 109 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
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. arachidonová (AA; all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenoic acid)
Kys. gamma-linolenová (GLA;all-cis-6,9,12-octadecatrienoic 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)
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
5) Produkce významných látek
b) Energeticky významné látky – produkce lipidů
dávivec
Jatropha curcas
řepka
světlice barvířská
Carthamus tinctorius
skočec
Ricinus communis
zimostráz
Simmondsia chinensis
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
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 = 200-300 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 404 – alginát vápenatý E 405 – propan-1,2-diol-alginát
•
E 403 – alginát amonný
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
Agar
- Chemické složení: směs agarosy a agaropektinu
- Využití:
- kultivační medium mikroorganismů
- potravinářství: „E 406“
- 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
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.
• 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
• 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
Děkuji za pozornost