Name: Bewertung der Wirkung von Wachstumsfaktoren auf die Produktion von Chlorophyllen a und b aus Mikroalgen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-10-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 20 s
Description: Erfahren Sie, wie Wachstumsfaktoren die Chlorophyllproduktion bei Chlorella sorokiniana und Haematococcus pluvialis beeinflussen. Diese computergestützte Methode optimiert biotechnologische Prozesse.

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<meta charset="utf8"></head><body>Steigerung der Chlorophyllproduktion in Mikroalgen durch Wachstumsfaktoroptimierung

<ol><li>Ramírez, M. E., Rendón, L., Veléz, Y. Microalgas para la industria alimenticia. , 1ra edición, Universidad Pontífica Bolivariana. 
 <a target="_blank" href="http://hdl.handle.net/20.500.11912/2306">http://hdl.handle.net/20.500.11912/2306</a> (2013).</li>
<li>Khan, M. I., Shin, J. H., Kim, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+promising+future+of+microalgae%3A+Current+status%2C+challenges%2C+and+optimization+of+a+sustainable+and+renewable+industry+for+biofuels%2C+feed%2C+and+other+products%5BTitle%5D)+AND+%22Microb+Cell+Fact%22%5BJournal%5D)">The promising future of microalgae: Current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products.</a> Microb Cell Fact. 17 (1), 36(2018).</li>
<li>Otero-Paternina, A. S. M., Cruz-Casallas, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+the+hydrocarbon+phenanthrene+on+Chlorella+vulgaris+%28Chlorellaceae%29+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biol+Col%22%5BJournal%5D)">Effect of the hydrocarbon phenanthrene on Chlorella vulgaris (Chlorellaceae) growth.</a> Acta Biol Col. 18 (1), 87-98 (2013).</li>
<li>Pancha, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Salinity-induced+oxidative+stress+enhanced+the+biofuel+production+potential+of+microalgae+Scenedesmus+sp.+CCNM+1077%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour+Techno%22%5BJournal%5D)">Salinity-induced oxidative stress enhanced the biofuel production potential of microalgae Scenedesmus sp. CCNM 1077.</a> Bioresour Techno. 189, 341-348 (2015).</li>
<li>Ortiz, M. L., Cortés, C. E., Sánchez, J., Padilla, J., Otero, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluating+microalgae+Chlorella+sorokiniana+growth+in+different+culture+mediums+in+autotrophic+and+mixotrophic+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Orinoquia%22%5BJournal%5D)">Evaluating microalgae Chlorella sorokiniana growth in different culture mediums in autotrophic and mixotrophic conditions.</a> Orinoquia. 16 (1), 11-20 (2012).</li>
<li>Camacho Kurmen, J. E., González, G., Klotz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Astaxanthin+production+in+Haematococcus+pluvialis+under+different+stress+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Nova%22%5BJournal%5D)">Astaxanthin production in Haematococcus pluvialis under different stress conditions.</a> Nova. 11 (19), 94-104 (2013).</li>
<li>Pérez Zambrano, E., Ayala Agudelo, Y. Production of chlorophyll and astaxanthin from Haematococcus pluvialis under nitrogen deficiency stress in a 5-liter Biostat Aplus bioreactor. , Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca. 
 <a target="_blank" href="https://repositorio.unicolmayor.edu.co/handle/unicolmayor/2735">https://repositorio.unicolmayor.edu.co/handle/unicolmayor/2735</a> (2019).</li>
<li>Bischoff, H. W., Bold, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phycological+studies+IV.+Some+soil+algae+from+Enchanted+Rock+and+related+algal+species%5BTitle%5D)+AND+%22University+of+Texas%22%5BJournal%5D)">Phycological studies IV. Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species.</a> University of Texas. 6318, 95(1963).</li>
<li>Cerezo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((LED+characterization+through+the+use+and+programming+of+a+spectrometer%5BTitle%5D)+AND+%22Universidad+Polit%C3%A9cnica+de%22%5BJournal%5D)">LED characterization through the use and programming of a spectrometer.</a> Universidad Politécnica de. 22323, (2013).</li>
<li>Arredondo, B. O. Analytical methods and tools for microalgal biomass evaluation. , CIBNOR. México. 
 <a target="_blank" href="http://dspace.cibnor.mx:8080/handle/123456789/1403">http://dspace.cibnor.mx:8080/handle/123456789/1403</a> (2017).</li>
<li>Couso, I., Vila, M., Vigara, J., Cordero, B. F., Vargas, M. Á <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+carotenoids+and+regulation+of+the+carotenoid+biosynthesis+pathway+in+response+to+high+light+stress+in+the+unicellular+microalga+Chlamydomonas+reinhardtii%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+J+Phycol%22%5BJournal%5D)">Synthesis of carotenoids and regulation of the carotenoid biosynthesis pathway in response to high light stress in the unicellular microalga Chlamydomonas reinhardtii.</a> Eur J Phycol. 47 (3), 223-232 (2012).</li>
<li>Vera-López, F., Martínez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pigments+in+microalgae%3A+Functions%2C+applications%2C+and+overproduction+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22BioTechnology%22%5BJournal%5D)">Pigments in microalgae: Functions, applications, and overproduction techniques.</a> BioTechnology. 25 (5), 35-51 (2021).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>C3H6O</td><td>Meyer</td><td>67-64-1</td><td>Aceton 90%</td></tr><tr><td>15 mL Röhrchen</td><td>Biologix</td><td>10-9502</td><td>Reagenzglas</td></tr><tr><td>2510-DTH</td><td>Branson</td><td>D-73595</td><td>Sonicator</td></tr><tr><td>5 mL Reagenzglas mit Schraubverschluss</td><td>Kimax</td><td>45066-13100</td><td>Reagenzglas</td></tr><tr><td>50 mL Zentrifugenröhrchen</td><td>Biologix</td><td>10-9151</td><td>Reagenzglas</td></tr><tr><td>Aluminiumfolie</td><td>Reynolds</td><td>611 Standard, 12" x 1000 Fuß</td><td>Reagenzglasabdeckung&nbsp;</td></tr><tr><td>CaCl2</td><td>Meyer</td><td>0925-250</td><td></td>Calciumchlorid-Zentrifuge</tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Dynamica</td><td>14 R</td><td>Zentrifuge</td></tr> gekühlt <tr><td>CoCl2</td><td>Merck</td><td>1057-100</td><td>Kobaltdichlorid</td></tr><tr><td>FeCl3</td><td>Merck</td><td>157740</td><td>Eisen(III)-chlorid</td></tr><tr><td>K2HPO4</td><td>Meyer</td><td>2051-250</td><td>Dikaliumphosphat</td></tr><tr><td>KH2PO4</td><td>Meyer</td><td>2055-250</td><td>Monokaliumphosphat</td></tr><tr><td>MgSO4</td><td>Meyer</td><td>1605-250</td><td></td>Magnesiumsulfat-Mikropipette</tr><tr><td></td><td>LabNet</td><td>Model Beta-Pette</td><td>Mikropipette</td></tr><tr><td>MnCl2</td><td>Merck</td><td>429449</td><td>Mangan(II)-chlorid&nbsp;</td></tr><tr><td>Na2 EDTA&nbsp;</td><td>Merck</td><td>200-449-4</td><td>Edatamil, Edetato Dinatriumsalz Dihydrat</td></tr><tr><td>Na2MoO4</td><td>Merck</td><td>243655</td><td>Natriummolybdat</td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Meyer</td><td>2365-500</td><td>Natriumchlorid</td></tr><tr><td>NaNO3</td><td>Meyer</td><td>2465-250</td><td>Natriumnitrat</td></tr><tr><td>RGB LED Streifen</td><td>Steren</td><td>GAD-LED2</td><td>Licht Quelle</td></tr><tr><td>Spektralphotometer</td><td>PerkinElmer</td><td>Modell Lambda35</td><td>Spektralphotometer</td></tr><tr><td>Spektralradiometer</td><td>Gigahertz-Optik</td><td>Modell BTS256</td><td></td></tr><tr><td>Vortex</td><td>Scientific Industries</td><td>Vortex-Genie&reg; 2</td><td>Vortex</td></tr><tr><td>ZnCl2</td><td>Merck</td><td>208086</td><td>Zinkchlorid</td></tr></tbody></table>

bewertung der wirkung von wachstumsfaktoren auf die produktion von chlorophyllen a und b aus mikroalgen

Evaluation of the Effect of Growth Factors on Chlorophylls a and b Production from Microalgae

Um die Wirksamkeit der Technik zur Erkennung von Schwankungen der Chlorophyllzellkonzentration zu beobachten und die Wirkung von Wachstumsfaktoren in C. sorokiniana zu bewerten, wurde ein Taguchi L 4-Versuchsdesign erstellt, in dem die CO2 -Volumenzugabe, die Lichtfarbe und die Lichtintensität bewertet wurden. Jeder Faktor wurde auf niedrigem und hohem Niveau bewertet, wie in Tabelle 1 gezeigt, unter den Bedingungen, die im Versuchsplan in Tabelle 2 definiert sind.
Nach Abschluss des experimentellen Prozesses zeigten die Ergebnisse, dass die Kombination aus geringer Zugabe von CO2, violettem Licht und hoher Lichtintensität (C1, P, I2) entsprechend Behandlung 2 das mikrobielle Wachstum auf 7,83 x 105 Zellen ml-1 erhöhte. Auf der anderen Seite war der Chlorophyllgehalt in Behandlung 4 unter den Bedingungen C2, P, I2 höher und erreichte eine Konzentration von 5,92 x 10-7 μg cel-1 nach 132 h (Abbildung 1), was mit violettem Licht und hoher Lichtintensität als optimalen Werten der Faktoren in beiden Erfahrungen zusammenfiel.
Gleichzeitig wurde ein ähnliches Verhalten über die vier ausgewerteten Linien hinweg beobachtet. In den Tests, die unter violettem Licht durchgeführt wurden, wurde jedoch eine deutliche Begünstigung beobachtet. Dieses Muster deutet darauf hin, dass violettes Licht die Ergebnisse positiv beeinflussen und möglicherweise optimale Bedingungen für das Zellwachstum oder die Zellaktivität fördern kann. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Lichtverhältnisse in biologischen Experimenten sorgfältig zu berücksichtigen.
Aus der statistischen Analyse wurde das Diagramm der Haupteffekte abgeleitet. In Abbildung 2 ist zu sehen, wie jede Stufe der untersuchten Faktoren die Chlorophyllproduktion in C. sorokiniana beeinflusst. Die besten Bedingungen für die Chlorophyllproduktion waren eine hohe Zugabe von CO2, violettes Licht und eine hohe Lichtintensität (C2, P, I2), wobei Farbe und Kohlendioxidkonzentration sehr nahe beieinander liegen.
Darüber hinaus wurde ein Kontrastdiagramm erstellt (Abbildung 3), das das Verhalten der zellulären Chlorophyllkonzentration in Abhängigkeit von der Wirkung der CO2 -Volumenzugabe und der Lichtfarbe, der sie ausgesetzt waren, zeigt.
Es wurde beobachtet, dass violettes Licht (eine Mischung aus blauem und rotem Licht) und eine hohe Lichtintensität das mikrobielle Wachstum und die Chlorophyllproduktion signifikant fördern. In der Zwischenzeit beeinflusst eine hohe Zugabe von CO2 beide Parameter positiv bzw. negativ, da sie die zelluläre Chlorophyllkonzentration während des Experiments auf ein Maximum erhöht, aber das mikrobielle Wachstum behindert. Auffällig ist jedoch, dass unter violettem Licht eine CO2 -Volumenzugabe von 20 s Impulsen CO2 -Impulsen alle 12 h bei einer Durchflussmenge von 8,5 ft³ h-1 ein günstiges Ansprechverhalten für beide Parameter ermöglicht.
Um die Methode und die von C. sorokiniana erzielten Ergebnisse zu validieren, wurde ein Bestätigungstest auf Kolbenebene an H. pluvialis unter rotem Licht durchgeführt, da es aufgrund seiner natürlichen Eigenschaft des Abbaus von Chlorophyll zur Synthese von Astaxanthin unter Stressbedingungen vorhanden ist, die bei 168 h durch Erhöhung des Salzgehalts des Mediums induziert wurden. Es wurde ein Konzentrationsdiagramm erstellt (Abbildung 4), in dem die maximale Chlorophyllkonzentration bei 0 h mit 1,41 x 10-7 μg cel-1 erhalten wurde. In diesem Fall wurde aufgrund des natürlichen Verhaltens von Mikroalgen eine Abnahme der Chlorophyllkonzentration beobachtet, was auf mögliche physiologische Veränderungen im untersuchten biologischen Modell hindeutet. Dies wird auch in Abbildung 5 veranschaulicht, die eine Mikroaufnahme von C. sorokiniana (Abbildung 5A) und zwei Mikroaufnahmen von H. pluvialis zeigt: eine in der grünen Phase (Abbildung 5B) und eine in der Phase der Veränderung und der Astaxanthinproduktion (Abbildung 5C). Interessanterweise trat trotz dieses Rückgangs keine Beeinträchtigung durch das Vorhandensein von Carotinoidverbindungen auf, die wiederum fettlösliche Pigmente sind, die in ihnen enthalten sind. Dies ist ein starker Beweis für die Selektivität und Reproduzierbarkeit der Technik bei Mikroalgen mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Verhaltensweisen.
Das Diagramm zeigt eine Abnahme der Gesamtchlorophyllkonzentration während des gesamten Experiments. Bemerkenswert ist, dass Chlorophyll a im Vergleich zu Chlorophyll b nach 50 h zunimmt, wobei die Konzentration von Chlorophyll b signifikant abnimmt. Der stärkste Rückgang der Chlorophyllkonzentration tritt am Ende der exponentiellen Wachstumsphase auf. Dieser Rückgang wird auf die Produktion von Carotinoiden in H. pluvialis zurückgeführt.
In ähnlicher Weise wurde die Analyse der Zusammensetzung von Chlorophyll a und b für die Behandlung mit der höchsten Produktion von C. sorokiniana (C1, P, I2) in Abbildung 6 durchgeführt. Im Gegensatz zu H. pluvialis zeigte die Produktion von Chlorophyllen einen konstanten Anstieg über den gesamten Versuchszeitraum, der ausschließlich während der exponentiellen Phase analysiert wurde. Es wird beobachtet, dass ähnlich wie bei H. pluvialis Chlorophyll a zu Beginn des Versuchs zunächst in geringeren Anteilen vorhanden ist als Chlorophyll b ; Diese Anteile zeigen jedoch eine deutliche Verschiebung bei der 50-Stunden-Marke, wobei Chlorophyll A danach eine höhere Produktionsrate aufweist als Chlorophyll B .
Die in dieser Studie verwendete Analysetechnik hat sich als effizient erwiesen, um Veränderungen innerhalb eines biologischen Modells und über verschiedene biologische Modelle hinweg zu erkennen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Sensitivität und Präzision der Analysemethode und ermöglichen ein nuanciertes Verständnis der Chlorophylldynamik innerhalb und zwischen biologischen Systemen. Solche Erkenntnisse sind von unschätzbarem Wert, um die komplizierten Mechanismen der Pigmentsynthese und des Stoffwechsels zu entschlüsseln und den Weg für weitere Fortschritte in der biotechnologischen und Umweltforschung zu ebnen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig01.jpg"> Abbildung 1: Zellulärer Gehalt an Chlorophyllen unter experimentellen Designbehandlungen. Der zelluläre Gehalt an Chlorophyllen, gemessen in Chlorella sorokiniana über verschiedene experimentelle Behandlungen. Die Daten werden als Standardabweichung für n = 3 dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig02.jpg"> Abbildung 2: Diagramm der Haupteffekte für den zellulären Chlorophyllgehalt. Diagramm der Hauptwirkungen, das die Auswirkungen verschiedener Behandlungen auf den zellulären Chlorophyllgehalt in Chlorella sorokiniana veranschaulicht. Die Daten werden als Standardabweichung für n = 3 dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig03.jpg"> Abbildung 3: Konturdiagramm der zellulären Chlorophyllkonzentration. Konturdiagramm, das die Beziehung zwischen zellulärer Chlorophyllkonzentration, CO2 -Konzentration und Lichtfarbe zeigt. Die Lichtfarbe wird mit Achse 1 als Blau und Achse 2 als Violett dargestellt, wobei Zwischenstufen die Hinzufügung von rotem Licht anzeigen. Die Daten werden als Standardabweichung für n = 3 dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig04.jpg"> Abbildung 4: Chlorophyllkonzentration während der Wachstumskinetik von H. pluvialis . Die Chlorophyllkonzentration wurde über die Wachstumskinetik von Haematococcus pluvialis gemessen. Die Daten werden als Standardabweichung für n = 3 dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig05.jpg"> Abbildung 5: Mikroskopische Aufnahmen von C. sorokiniana und H. pluvialis. Mikroskopische Aufnahmen von Chlorella sorokiniana (A) und Haematococcus pluvialis, die ein Exemplar in der grünen Phase (B) und ein anderes in der frühen roten Phase (C) zeigen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67208/67208fig06.jpg"> Abbildung 6: Chlorophyllkonzentration während der Wachstumskinetik von C. sorokiniana . Die Chlorophyllkonzentration wurde über die Wachstumskinetik von Chlorella sorokiniana gemessen. Die Daten werden als Standardabweichung für n = 3 dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/67208fig06large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Faktor</td>
			<td>Tiefstand</td>
			<td>Hochlage</td>
		</tr><tr><td>CO2 -Zugabe (L)</td>
			<td>C1</td>
			<td>C2</td>
		</tr><tr><td>Helle Farbe</td>
			<td>Blau (B)</td>
			<td>Lila (P)</td>
		</tr><tr><td>Lichtintensität (Lux)</td>
			<td>I1</td>
			<td>I2</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 1: Kinetische Faktoren und Niveaus. Überblick über die kinetischen Faktoren und ihre jeweiligen Werte: C1 = 0,078 L; C2 = 0,15 L; B = Blaues Licht; P = Violettes Licht; I1 = 550 Lux; I2 = 1200 Lux.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td rowspan="2">Behandlung</td>
			<td>CO2 -Zugabe</td>
			<td rowspan="2">Helle Farbe</td>
			<td rowspan="2">Lichtintensität (Lux)</td>
		</tr><tr><td>(L)</td>
		</tr><tr><td>1</td>
			<td>C1</td>
			<td>B</td>
			<td>I1</td>
		</tr><tr><td>2</td>
			<td>C1</td>
			<td>P</td>
			<td>I2</td>
		</tr><tr><td>3</td>
			<td>C2</td>
			<td>B</td>
			<td>I1</td>
		</tr><tr><td>4</td>
			<td>C2</td>
			<td>P</td>
			<td>I2</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 2: Versuchsaufbau und Behandlungen. Zusammenfassung des Versuchsaufbaus und der angewandten Behandlungen: C1 = 0,078 L; C2 = 0,15 L; B = Blaues Licht; P = Violettes Licht; I1 = 550 Lux; I2 = 1200 Lux.
Ergänzende Datei 1: Zelluläre Quantifizierungsdaten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67208/Table%20Cellular%20quantification.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

Bewertung der Wirkung von Wachstumsfaktoren auf die Produktion von Chlorophyllen a und b aus Mikroalgen

Microalgae contain two main groups of pigments: chlorophylls and carotenoids. Chlorophyll is a green pigment that absorbs light energy and transforms it ...

evaluation-effect-growth-factors-on-chlorophylls-b-production-from

Research

Forschung

JoVE Journal

Biochemistry

Biochemie

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