Optimization of cultivation conditions for selected microalgae species focused on biomass and valuable substances production

Mgr. Tomáš Zavřel, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Řasy a sinice (jejichž mikroskopické druhy jsou často označovány společným termínem mikrořasy) mají globální význam jako organismy zodpovědné za okysličení zemské atmosféry v prehistorické době. Také dnes jsou významnými hráči v globálních geochemických cyklech uhlíku, dusíku, fosforu, síry nebo křemíku. Jsou také bohatými zdroji nejrůznějších látek, které mohou být využitelné ve farmacii, kosmetice, ve výživě či chemickém nebo energetickém průmyslu. Dále jsou využívané v zemědělství, ekotoxikologii, dočišťování odpadních vod nebo zachytávání oxidu uhličitého. Biotechnologický potenciál mikrořas závisí na mnoha faktorech, jako jsou množství a kvalita světla, teplota, pH, míchání a bublání buněčné kultury, typ a koncentrace živin, a také fáze dne a fáze buněčného růstu. Na produkci biomasy mikrořas nebo odvozených sekundárních produktů je dnes zaměřeno mnoho společností, s čímž souvisí také zájem o optimalizaci primárních nebo sekundárních produkčních postupů. V disertační práci je podán přehled nejnovějších poznatků v oblasti buněčné fyziologie mikrořas, jejich biotechnologických aplikací a také metod týkajících se kultivace a optimalizace. Hlavní přínosy práce zahrnují vývoj platformy pro optimalizaci růstu a produkce mikrořas, sestávající ze specifického využití laboratorního fotobioreaktoru a jeho propojení s hmotnostním spektrometrem s membránovým vstupem. Možnosti platformy jsou demonstrovány na příkladu charakterizace a optimalizace růstu a produkce modelové sinice Synechocystis sp. PCC 6803. Detailní znalost růstových nároků tohoto organismu je důležitá nejen pro vlastní porozumění sinici samotné, ale také pro plánování specifických experimentů s tímto kmenem, např. během stresových studií. Růstové charakterizace a optimalizace jsou prováděny v kvazi-kontinuálním režimu a jsou založeny na předchozích detailních kultivačních studiích ve vsádkovém režimu. Pro příklad optimalizace produkce byl vybrán etylen, nejvíce využívaná látka pocházející z ropy. Produkce etylenu modelovou sinicí Synechocystis sp. PCC 6803 byla optimalizována v závislosti na světelných podmínkách. Disertační práce přináší nové metodologické postupy doplňující doposud publikované optimalizační strategie. Možnosti metodologické základny jsou demonstrovány na růstové a produkční optimalizaci modelových kmenů sinic; nicméně vyvinutá platforma může být využita pro optimalizaci dalších kmenů mikrořas.

Abstract:

Algae and cyanobacteria (of which the microscopic species are often called by common term microalgae) are of great global importance. They have been largely responsible for changing the prehistoric Earth atmosphere to oxygenic and also nowadays they play indispensable roles in global geochemical cycles of carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur or silicon. They represent rich sources of various compounds, of which many can be used in pharmaceutics, cosmetics as well as in food, chemical or energetic industries. Their applications include also the environmental exploitations; they are used in agriculture, ecotoxicology, for wastewater treatment or carbon dioxide sequestration. The biotechnological potential of microalgae depends on many external factors, including light quality and quantity, temperature, pH, cell culture mixing and bubbling, nutrients types and concentrations and also phase of the day or phase of the culture growth. Since many companies focus on commercial production of microalgae biomass or specific microalgae-derived products, special interest is paid to primary or secondary production optimization. In this thesis, state of the art in the fields of microalgae physiology, biotechnological applications as well as microalgae cultivation and optimization techniques is provided. The main contributions of the thesis consist of development of microalgae growth and production optimization platform, based on specific utilization of laboratory scale flat-panel photobioreactor and its connection with Membrane Inlet Mass Spectrometer. The possibilities of this platform are demonstrated on growth and production characterization and optimization of model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Detail knowledge of growth demands of this organism is important not only for its better understanding, but also for proper experimental planning related to specific intensions, including e.g. stress-related studies. The growth characterization and optimization is performed in quasi-continuous regime, and it is based on results of preceding batch cultivation studies. As an example of production optimization, ethylene, as the most widely used oil-originating substance was selected. Ethylene production by Synechocystis sp. PCC 6803 was optimized for highest production yields with respect to light conditions. This thesis provides novel methodological input to previously established optimization strategies. The possibilities of methodological base are demonstrated on growth and production optimization of the model cyanobacterial strains; however, the developed platform itself can be used for other microalgae strains characterization and optimization.

Keywords

řasy, sinice, charakterizace, optimalizace, růst, produkce, fotobioreaktor, etylen, biotechnologie, Synechocystis, Cyanothece, růstová křivka, exponenciální růst, quasi-kontinuální kultivace algae, cyanobacteria, characterization, optimization, growth, production, photobioreactor, ethylene, biotechnology, growth curve, exponential growth, quasi-continuous cultivation

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 4. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 23. 6. 2015
• Vedoucí: Ing. Jan Červený, Ph.D.
• Oponent: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc., prof. RNDr. Jiří Masojídek, CSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biologie (čtyřleté) / Anatomie a fyziologie rostlin