Альгакультура - Algaculture

Альгакультура - это форма аквакультуры, предполагающая разведение различных видов водорослей .

Большинство намеренно культивируемых водорослей относятся к категории микроводорослей (также называемых фитопланктоном , микрофитами или планктонными водорослями ). Макроводоросли , широко известные как морские водоросли , также имеют много коммерческого и промышленного использования, но из-за их размера и специфических требований среды, в которой они должны расти, они не так легко поддаются выращиванию (это может измениться, однако, с появлением новых культиваторов водорослей, которые в основном представляют собой очистители водорослей, использующие восходящие пузырьки воздуха в небольших контейнерах).

Коммерческое и промышленное выращивание водорослей имеет множество применений, включая производство пищевых ингредиентов, таких как омега-3 жирные кислоты или натуральные пищевые красители и красители , продукты питания , удобрения , биопластики , химическое сырье (сырье), фармацевтические препараты и топливо для водорослей , а также может использоваться как средство борьбы с загрязнением .

Объем мирового производства выращиваемых водных растений, в которых преобладают водоросли, вырос с 13,5 миллионов тонн в 1995 году до чуть более 30 миллионов тонн в 2016 году.

Выращивание, сбор и обработка водорослей

Монокультура

Большинство производителей предпочитают монокультурное производство и делают все возможное, чтобы сохранить чистоту своих культур. Однако микробиологические загрязнители все еще исследуются.

В смешанных культурах один вид становится доминирующим с течением времени, и если считается, что недоминантный вид имеет особую ценность, необходимо получить чистые культуры для выращивания этого вида. Культуры отдельных видов также очень необходимы для исследовательских целей.

Распространенным методом получения чистых культур является серийное разведение . Культиваторы разбавляют либо дикий образец, либо лабораторный образец, содержащий желаемые водоросли, фильтрованной водой и вводят небольшие аликвоты (меры этого раствора) в большое количество небольших контейнеров для выращивания. Разведение следует за микроскопическим исследованием исходной культуры, которое предсказывает, что некоторые из контейнеров для выращивания содержат одну клетку желаемого вида. После подходящего периода на световом столе культиваторы снова используют микроскоп, чтобы определить контейнеры для выращивания более крупных культур.

Другой подход - использовать специальную среду, исключающую другие организмы, в том числе инвазивные водоросли. Например, Dunaliella - это обычно выращиваемый род микроводорослей, который процветает в чрезвычайно соленой воде, которую могут переносить лишь немногие другие организмы.

В качестве альтернативы, для личиночных моллюсков хорошо подходят смешанные культуры водорослей . Во-первых, культиватор фильтрует морскую воду, чтобы удалить водоросли, которые слишком велики для личинок . Затем культиватор добавляет питательные вещества и, возможно, аэрирует результат. Через один-два дня в теплице или на открытом воздухе полученный жидкий суп из смешанных водорослей готов для личинок. Преимущество этого метода - низкие эксплуатационные расходы.

Выращивание водорослей

Смотрите также: Водоросли культиватор и культуры микроводорослей в инкубаторах
Микроводоросли используются для выращивания креветок , которые производят спящие яйца (на фото). Затем из яиц можно вылупиться по мере необходимости и скармливать выращиваемым личинкам рыб и ракообразным.

Вода, углекислый газ , минералы и свет - все это важные факторы при выращивании, и разные водоросли имеют разные потребности. Основная реакция роста водорослей в воде - это углекислый газ + световая энергия + вода = глюкоза + кислород + вода. Это называется автотрофным ростом. Некоторые виды водорослей также можно выращивать без света, эти типы водорослей потребляют сахар (например, глюкозу). Это известно как гетеротрофный рост.

Температура

Температура воды должна быть в диапазоне температур, который будет поддерживать выращивание конкретных видов водорослей, в основном, между 15˚C и 35˚C.

Свет и смешивание

В типичной системе выращивания водорослей, такой как открытый пруд, свет проникает только через верхние 3–4 дюйма (76–102 мм) воды, хотя это зависит от плотности водорослей. По мере роста и размножения водорослей культура становится настолько плотной, что не позволяет свету проникать глубже в воду. Прямой солнечный свет является слишком сильным для большинства водорослей, которые можно использовать только около 1 / 10 количества света они получают от прямого солнечного света; однако, подвергать культуру водорослей воздействию прямого солнечного света (а не затенять их) часто является лучшим способом для сильного роста, поскольку водоросли под поверхностью могут использовать больше менее интенсивного света, создаваемого оттенком водорослей выше.

Чтобы использовать более глубокие пруды, производители встряхивают воду, циркулируя водоросли, чтобы они не оставались на поверхности. Лопаточные колеса могут перемешивать воду, а сжатый воздух, поступающий снизу, поднимает водоросли из нижних областей. Возбуждение также помогает предотвратить чрезмерное пребывание на солнце.

Другой способ подачи света - это разместить свет в системе. Светящиеся пластины, изготовленные из листов пластика или стекла и помещенные в резервуар, позволяют точно контролировать интенсивность света и распределять его более равномерно. Однако они используются редко из-за высокой стоимости.

Запах и кислород

Запах, связанный с болотами , болотами и другими стоячими водами, может быть связан с недостатком кислорода, вызванным разложением умерших цветений водорослей . В бескислородных условиях бактерии, населяющие культуры водорослей, разрушают органический материал и производят сероводород и аммиак , которые вызывают запах. Эта гипоксия часто приводит к гибели водных животных. В системе, в которой водоросли намеренно выращивают, содержат и собирают, ни эвтрофикации, ни гипоксии не произойдет.

Некоторые живые водоросли и бактерии также производят пахучие химические вещества, особенно некоторые цианобактерии (ранее классифицируемые как сине-зеленые водоросли), такие как Анабаена . Наиболее известными из этих химикатов, вызывающих запах, являются МИБ ( 2-метилизоборнеол ) и геосмин . Они дают затхлый или землистый запах, который может быть довольно сильным. В результате гибели цианобактерий выделяется дополнительный газ, который задерживается в клетках. Эти химические вещества обнаруживаются на очень низких уровнях - в диапазоне частей на миллиард - и являются причиной многих проблем, связанных с "вкусом и запахом" при очистке и распределении питьевой воды . Цианобактерии также могут вырабатывать химические токсины, которые были проблемой в питьевой воде.

Питательные вещества

Такие питательные вещества, как азот (N), фосфор (P) и калий (K), служат удобрением для водорослей и, как правило, необходимы для их роста. Кремнезем и железо, а также несколько микроэлементов также могут считаться важными морскими питательными веществами, поскольку их недостаток может ограничивать рост или продуктивность в данной области. Углекислый газ также важен; обычно для быстрого роста водорослей требуется ввод CO 2 . Эти элементы должны быть растворены в воде в биодоступных формах, чтобы водоросли могли расти.

Методы

Выращивание макроводорослей

Этот раздел представляет собой отрывок из книги « Выращивание морских водорослей» . [ редактировать ]
Подводное земледелие Eucheuma на Филиппинах
Человек стоит на мелководье, собирая на веревке выросшие водоросли.
Фермер , выращивающий водоросли в Нуса-Лембонган (Индонезия), собирает съедобные водоросли, выросшие на веревке.

Выращивание морских водорослей или выращивание ламинарии - это практика выращивания и сбора морских водорослей . В своей простейшей форме он состоит из управления партиями, найденными естественным образом. В своей наиболее продвинутой форме он заключается в полном контроле жизненного цикла водорослей.

Семь наиболее культивируемых таксонов морских водорослей - это виды Eucheuma , Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. И Sargassum fusiforme . Eucheuma и K. alvarezii выращивают для получения каррагинана ( желирующего агента ); Грациларию выращивают на агар ; в то время как остальные выращиваются на пищу. Крупнейшие страны-производители морских водорослей - Китай, Индонезия и Филиппины. Другие известные производители включают Южную Корею, Северную Корею, Японию, Малайзию и Занзибар ( Танзания ). Выращивание морских водорослей часто развивалось как альтернатива для улучшения экономических условий и снижения нагрузки на рыбный промысел и чрезмерной эксплуатации рыбных промыслов.

Мировое производство выращиваемых водных растений, в которых преобладают водоросли, выросло с 13,5 миллионов тонн в 1995 году до чуть более 30 миллионов тонн в 2016 году. По состоянию на 2014 год морские водоросли составляли 27% всей морской аквакультуры . Выращивание морских водорослей - это культура с отрицательным выбросом углерода , с высоким потенциалом смягчения последствий изменения климата . В специальном докладе МГЭИК об океане и криосфере в условиях изменяющегося климата рекомендуется «дальнейшее внимание исследований» в качестве тактики смягчения последствий.

Открытые пруды

Водоем с водосливом, используемый для выращивания микроводорослей. Вода поддерживается в постоянном движении с помощью гребного колеса с приводом .

Пруды и озера в виде гоночных трасс открыты для непогоды. Открытые водоемы очень уязвимы для заражения другими микроорганизмами, такими как другие виды водорослей или бактерии. Таким образом, культиваторы обычно выбирают закрытые системы для выращивания монокультур. Открытые системы также не позволяют контролировать температуру и освещение. Вегетационный период в значительной степени зависит от местоположения и, за исключением тропических областей, ограничен более теплыми месяцами.

Системы открытых водоемов дешевле строить, требуя как минимум траншеи или пруда. Большие пруды имеют самые большие производственные мощности по сравнению с другими системами сопоставимой стоимости. Кроме того, при выращивании в открытом пруду можно использовать необычные условия, подходящие только для определенных водорослей. Например, Dunaliella salina растут в очень соленой воде; эти необычные среды исключают другие типы организмов, позволяя выращивать чистые культуры в открытых водоемах. Открытое культивирование также может работать, если существует система сбора только желаемых водорослей или если пруды часто повторно инокулируют до того, как инвазивные организмы смогут значительно размножиться. Последний подход часто используется фермерами, выращивающими хлореллу , поскольку условия роста хлореллы не исключают наличие конкурирующих водорослей.

Первый подход может быть использован в случае некоторых цепочечных диатомовых водорослей, поскольку они могут быть отфильтрованы из потока воды, протекающей через выпускную трубу . « Наволочка » из тонкоячеистой ткани обвязывается над сливной трубой, позволяя другим водорослям улетучиваться. Цепные диатомеи содержатся в мешках и кормят личинок креветок (в восточных инкубаториях ) и засевают новые резервуары или пруды.

Ограждение пруда прозрачным или полупрозрачным барьером эффективно превращает его в теплицу. Это решает многие проблемы, связанные с открытой системой. Это позволяет выращивать больше видов, это позволяет выращиваемым видам оставаться доминирующими и продлевает вегетационный период - при нагревании пруд может плодоносить круглый год. Открытые водоемы использовали для удаления свинца с использованием живых Spirulina (Arthospira) sp .

Фотобиореакторы

Водоросли также можно выращивать в фотобиореакторе (PBR). PBR - это биореактор, который включает в себя источник света. Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR; однако этот термин чаще используется для обозначения закрытой системы, а не открытого резервуара или пруда.

Поскольку системы PBR закрыты, культиватор должен обеспечивать все питательные вещества, включая CO.
2.

PBR может работать в « периодическом режиме», который включает пополнение запасов реактора после каждого сбора урожая, но также можно выращивать и собирать урожай непрерывно. Непрерывная работа требует точного контроля всех элементов, чтобы предотвратить немедленное разрушение. Фермер обеспечивает стерилизованную воду, питательные вещества, воздух и углекислый газ с правильными дозами. Это позволяет реактору работать в течение длительного времени. Преимущество состоит в том, что водоросли, которые растут в « логарифмической фазе », обычно содержат больше питательных веществ, чем старые « стареющие » водоросли. Культивирование водорослей - это выращивание водорослей в прудах или других ресурсах. Максимальная продуктивность достигается, когда «скорость обмена» (время обмена одного объема жидкости) равно «времени удвоения» (по массе или объему) водорослей.

PBR могут удерживать культуру в суспензии или могут обеспечивать субстрат, на котором культура может образовывать биопленку. PBR на основе биопленки имеют то преимущество, что они могут давать гораздо более высокие урожаи для данного объема воды, но они могут страдать от проблем, связанных с отделением клеток от субстрата из-за потока воды, необходимого для транспортировки газов и питательных веществ в культуру.

К различным типам PBR в суспендированной культуре относятся:

PBR биопленки включают PBR уплотненного слоя и пористого субстрата. ПБС с насадочным слоем могут иметь различную форму, в том числе плоскую или трубчатую. В биореакторах с пористым субстратом (PSBR) биопленка подвергается воздействию воздуха и получает воду и питательные вещества за счет капиллярного действия через сам субстрат. Это позволяет избежать проблем, связанных со взвешиванием клеток, поскольку вода не проходит через поверхность биопленки. Культура может быть заражена переносимыми по воздуху организмами, но защита от других организмов - одна из функций биопленки.

Сбор урожая

Водоросли можно собирать с помощью микрогрохотов, центрифугирования , флокуляции и пенной флотации .

Прерывание подачи углекислого газа может привести к флокуляции водорослей, что называется «автофлокуляцией».

«Хитозан», коммерческий флокулянт, более широко используемый для очистки воды, намного дороже. Порошкообразные оболочки ракообразных обрабатываются для получения хитина , полисахарида, содержащегося в панцирях, из которого хитозан получают путем деацетилирования. Для более солоноватой или соленой воды требуется большее количество флокулянта. Флокуляция часто обходится слишком дорого для крупных операций.

К другим химическим флокулянтам относятся квасцы и хлорид железа .

При пенной флотации культиватор превращает воду в пену, а затем снимает водоросли сверху.

Ультразвук и другие методы сбора урожая в настоящее время находятся в стадии разработки.

Добыча нефти

Основная статья: Топливо из водорослей

Масла из водорослей имеют множество коммерческих и промышленных применений, и их извлекают разными способами. Оценки стоимости извлечения масла из микроводорослей различаются, но, вероятно, будут примерно в три раза выше, чем стоимость извлечения пальмового масла .

Физическое извлечение

На первом этапе экстракции масло необходимо отделить от остальных водорослей. Самый простой метод - механическое дробление . Когда водоросли высушены, они сохраняют содержание масла, которое затем можно « отжать » с помощью пресса для масла . Различные штаммы водорослей требуют различных методов отжима масла, включая использование винта, экспеллера и поршня. Многие коммерческие производители растительного масла используют комбинацию механического прессования и химических растворителей для извлечения масла. Это использование часто также применяется для добычи масла из водорослей.

Осмотический шок - это внезапное снижение осмотического давления , которое может привести к разрыву клеток в растворе. Осмотический шок иногда используется для высвобождения клеточных компонентов, таких как масло.

Ультразвуковая экстракция, раздел сонохимии , может значительно ускорить процессы экстракции. Используя ультразвуковой реактор, ультразвуковые волны используются для создания кавитационных пузырьков в материале растворителя. Когда эти пузырьки схлопываются около стенок клеток, возникающие в результате ударные волны и струи жидкости заставляют стенки этих клеток разрушаться и высвобождать их содержимое в растворитель. Обработка ультразвуком может улучшить базовую ферментативную экстракцию.

Химическая экстракция

При экстракции масел часто используются химические растворители . Обратной стороной использования растворителей для экстракции масла являются опасности, связанные с работой с химическими веществами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать воздействия паров и контакта с кожей, которые могут нанести серьезный вред здоровью. Химические растворители также представляют опасность взрыва.

Обычно в качестве химического растворителя используется гексан , который широко используется в пищевой промышленности и является относительно недорогим. Бензол и эфир также могут разделять масло. Бензол классифицируется как канцероген .

Другой метод экстракции химическим растворителем - это экстракция Сокслета . В этом методе масла из водорослей экстрагируются путем многократной промывки или перколяции органическим растворителем, таким как гексан или петролейный эфир , при кипячении с обратным холодильником в специальной стеклянной посуде. Ценность этого метода в том, что растворитель повторно используется для каждого цикла.

Ферментативная экстракция использует ферменты для разрушения клеточных стенок водой, выступающей в качестве растворителя. Это значительно упрощает фракционирование масла. Стоимость этого процесса экстракции, по оценкам, намного выше, чем экстракция гексаном.

Сверхкритический CO 2 также можно использовать в качестве растворителя. В этом методе CO 2 сжижается под давлением и нагревается до такой степени, что он становится сверхкритическим (имеющим свойства как жидкости, так и газа), что позволяет ему действовать как растворитель.

Другие методы все еще разрабатываются, в том числе для извлечения определенных типов масел, например, с высоким уровнем производства длинноцепочечных высоконенасыщенных жирных кислот.

Коллекции водорослей

Определенные штаммы водорослей можно получить из коллекций культур водорослей, при этом более 500 коллекций культур зарегистрированы Всемирной федерацией коллекций культур.

Использование водорослей

Дульсе - одна из многих съедобных водорослей.

Еда

В пищу выращивают несколько видов водорослей.

  • Пурпурная умывальница ( Porphyra ), пожалуй, самая широко одомашненная морская водоросль. В Азии он используется в нори ( Япония ) и гим ( Корея ). В Уэльсе из него делают лавровый хлеб , традиционную еду, а в Ирландии его собирают и превращают в желе путем тушения или варки . Приготовление также может включать обжаривание или нагревание листьев в небольшом количестве воды и взбивание вилкой до получения розоватого желе. Сбор также происходит на западном побережье Северной Америки , на Гавайях и в Новой Зеландии .
  • Дульсе ( Palmaria palmata ) - красный вид, продаваемый в Ирландии и Атлантической Канаде . Его едят сырым, свежим, сушеным или приготовленным, как шпинат .
  • Спирулина ( Arthrospira platensis ) - сине-зеленые микроводоросли, долгое время использовавшиеся в качестве источника пищи в Восточной Африке и доколониальной Мексике. Спирулина с высоким содержанием белка и других питательных веществ находит применение в качестве пищевой добавки и при недоедании. Спирулина хорошо растет в открытых системах, и коммерческие производители сочли ее хорошо подходящей для выращивания. Одна из крупнейших производственных площадок - озеро Тескоко в центральной Мексике. Растения производят множество питательных веществ и большое количество белка . Спирулина часто используется в коммерческих целях в качестве пищевой добавки.
  • Хлорелла , еще одна популярная микроводоросль, по питанию похожа на спирулину. Хлорелла очень популярна в Японии . Он также используется в качестве пищевой добавки с возможным влиянием на скорость метаболизма.
  • Ирландский мох ( Chondrus crispus ), который часто путают с Mastocarpus stellatus , является источником каррагинана , который используется в качестве загустителя в пудингах быстрого приготовления, соусах и молочных продуктах, таких как мороженое. Ирландский мох также используется пивоварами в качестве осветляющего средства.
  • Морской салат ( Ulva lactuca ) используется в Шотландии , где его добавляют в супы и салаты.
  • Дабберлоки или баддерлоки (Alaria esculenta ) едят в свежем или приготовленном виде в Гренландии , Исландии , Шотландии и Ирландии.
  • Aphanizomenon flos-aquae - это цианобактерия, похожая на спирулину, которая используется в качестве пищевой добавки.
  • Экстракты и масла из водорослей также используются в качестве добавок в различных пищевых продуктах. Растения также производят жирные кислоты Омега-3 и Омега-6 , которые обычно содержатся в рыбьем жире и которые, как было доказано, имеют положительную пользу для здоровья.
  • Виды Sargassum - важная группа морских водорослей. В этих водорослях много флоротанинов .
  • Кочаюйо ( Durvillaea antarctica ) едят в салатах и ​​севиче в Перу и Чили.
  • И микроводоросли, и макроводоросли используются для изготовления агара (см. Ниже), который используется в качестве желирующего агента в пищевых продуктах.

Лабораторные манипуляции

Австралийские ученые из Университета Флиндерса в Аделаиде экспериментируют с использованием морских микроводорослей для производства белков для потребления человеком, создавая такие продукты, как « икра », веганские гамбургеры, поддельное мясо , джемы и другие пищевые спреды . Управляя микроводорослями в лаборатории , можно увеличить содержание белка и других питательных веществ , а также изменить вкус, чтобы сделать их более вкусными. Эти продукты оставляют гораздо более легкий углеродный след, чем другие формы белка, поскольку микроводоросли поглощают, а не производят углекислый газ , который способствует образованию парниковых газов .

Удобрение и агар

На протяжении веков морские водоросли использовались в качестве удобрения . Это также отличный источник калия для производства калия и нитрата калия . Так же можно использовать некоторые микроводоросли.

И микроводоросли, и макроводоросли используются для приготовления агара .

Контроль загрязнения

В связи с озабоченностью по поводу глобального потепления ведется поиск новых методов тщательного и эффективного улавливания CO 2 . Углекислый газ, который производит установка, сжигающая углеродное топливо, может поступать в открытые или закрытые системы водорослей, фиксируя CO 2 и ускоряя рост водорослей. Неочищенные сточные воды могут поставлять дополнительные питательные вещества, превращая, таким образом, два загрязнителя в ценные товары.

Выращивание водорослей изучается на предмет связывания урана / плутония и очистки стоков удобрений.

Производство энергии

Бизнес, научные круги и правительства изучают возможность использования водорослей для производства бензина, биодизеля, биогаза и других видов топлива. Сами водоросли можно использовать в качестве биотоплива, а также использовать для создания водорода. См. Топливо из водорослей .

Другое использование

Хлорелла , особенно трансгенный штамм, несущий дополнительный ген редуктазы ртути , изучалась как средство восстановления окружающей среды из-за ее способности снижать содержание ртути.2+
 к менее токсичной элементарной ртути.

Культивируемые водоросли служат для многих других целей, включая косметику, корм для животных, производство биопластов, производство красителей и красителей, производство химического сырья и фармацевтических ингредиентов.

Смотрите также

Источники

Определение логотипа бесплатных произведений культуры notext.svg Эта статья включает текст из бесплатного контента . Лицензировано в соответствии с заявлением / разрешением CC BY-SA 3.0 IGO License на Wikimedia Commons . Текст взят из Кратко, Состояние мирового рыболовства и аквакультуры, 2018 г. , ФАО, ФАО. Чтобы узнать, как добавить открытый текст лицензии в статьи Википедии, см. Эту страницу с инструкциями . Информацию о повторном использовании текста из Википедии см. В условиях использования .

использованная литература

внешние ссылки