Упаковка с воздушной подушкой (AC) получила широкое распространение по всему миру. AC — это двухслойная пластиковая упаковка, заполненная воздухом, обычно используемая для защиты ценных предметов при транспортировке. В данной работе представлена лабораторная оценка применения AC в качестве фотобиореактора (PBR) для микроводорослей. Такой PBR решает многие проблемы, характерные для открытых водоемов (RWP) и закрытых фотобиореакторов, включая испарение воды, внешнее загрязнение и хищничество.

При использовании AC, заполненных наполовину, оценивались показатели роста микроводорослей Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oculata и диатомовой водоросли Cyclotella cryptica. Максимальная продуктивность биомассы и беззольной сухой массы составила:

N. oculata — 2,39 г/л и 298,55 мг/л·д,
C. vulgaris — 0,85 г/л и 141,36 мг/л·д,
C. cryptica — 0,67 г/л и 96,08 мг/л·д.

Максимальная продуктивность липидов достигла 25,54 мг/л·д AFDCW, а углеводов — 53,69 мг/л·д AFDCW у C. cryptica. Максимальная продуктивность белка составила 247,42 мг/л·д AFDCW у N. oculata. Полученные данные полезны для оценки применимости и жизненного цикла AC в качестве PBR в зависимости от конечного продукта, масштаба и стоимости производства.

Введение

Деятельность человека, включая чрезмерное потребление и рост населения, ведет к деградации окружающей среды через истощение ресурсов, разрушение экосистем и загрязнение. Среди проблем — истощение запасов диких рыб и увеличение пластикового загрязнения океанов. Решение этих проблем требует устойчивого развития, учитывающего взаимосвязь воды, продовольствия и энергии. Концепции 4R (Reduce, Reuse, Recycle, Repurpose) всё чаще применяются в оценке жизненного цикла (LCA), особенно для управления пластиковыми отходами и выработки политики.

Прогнозируемое население мира к 2050 году — 9,8 млрд человек, что потребует увеличения производства микроводорослей для обеспечения белком и другими биопродуктами.

Технологические аспекты и экономическая целесообразность микроводорослей

Многие публикации анализируют микроводоросли с точки зрения выбросов парниковых газов и водопотребления. Несмотря на десятилетия исследований по крупномасштабному культивированию водорослей, высокая стоимость производства остается проблемой.

Микроводоросли — это одноклеточные организмы, способные выживать в разных условиях, включая экстремальные, что приводит к синтезу коммерчески ценных продуктов: антиоксидантов, каротиноидов, метаболитов и функциональных питательных веществ.

Для коммерческого производства используют различные системы: открытые водоемы (RWP), трубки, полиэтиленовые пакеты, закрытые PBR и ферментеры. Чаще всего культура начинается в помещении для исключения хищников и контроля условий, затем переносится на открытые объёмы для массового производства.

Инновационные концепции биорефинерий

Оценка «от колыбели до могилы» позволяет определить направления НИОКР и улучшения проектов. Одним из новых подходов является Bubble Farming (BF) — создание пластиковых листов с пузырями, заполненными водорослями, которые размещаются на земле для последующего сбора. BF решает проблемы RWP и PBR, такие как испарение, загрязнение и хищники.

Другой подход — биореактор OMEGA (NASA) для очистки сточных вод с использованием плавающих полиэтиленовых PBR в морской среде с прямой осмосной концентрацией питательных веществ и обезвоживанием биомассы.

Цель исследования

В настоящем исследовании изучалась возможность использования повторно применяемой пластиковой упаковки AC в качестве PBR для микроводорослей. AC представляют собой полиэтиленовые пакеты, заполненные воздухом, защищающие предметы при транспортировке. Несмотря на то, что пластиковая пленка перерабатывается, она не всегда биоразлагаема. Использование AC позволяет уменьшить хранение, снизить затраты и повторно использовать материал.

Цель — определить, могут ли коммерчески доступные и часто выбрасываемые AC служить PBR без модификаций и оценить продуктивность трёх видов водорослей: Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oculata, Cyclotella cryptica.

Методология включала:
- Качественное определение газообмена CO₂ и O₂ через пластик AC.
- Количественный анализ изменений физиологических параметров водорослей (рост, биохимический состав, профиль жирных кислот).
- Оценку влияния биогенного кремнезема на C. cryptica (AFDW и анализ азота).
LC–MS анализ синтеза каротиноида фукоксантин у C. cryptica.

Материалы и методы

Выращивание микроводорослей
Использовали Nannochloropsis oculata CCMP 525, Cyclotella cryptica CCMP 332 и Chlorella vulgaris UTEX 395. N. oculata и C. cryptica культивировали в морских средах F/2 и L1 соответственно, C. vulgaris — в Bold’s Basal Medium. pH всех сред поддерживали на уровне 7,5. Для инокуляции микроводоросли выращивали в 125-мл колбах по 50 мл среды при 23 °C, 150 об/мин, под белым светом 100 µmol/m²·с в течение 3–4 дней (логарифмическая фаза).

Фотореактор из воздушно-пузырьковой упаковки (AC-PBR)
Использовали стандартные воздушно-пузырьковые пакеты (AIRplus, 90×180×0,0254 мм, LDPE), ёмкостью ~380 мл. Оптимальная рабочая ёмкость — половина (~190 мл), по результатам предварительных экспериментов по оптической плотности.

Газообмен CO₂ и O₂
Проверяли диффузию CO₂ и O₂ через LDPE. Погружали AC-PBR с сжатым газом в воду — утечек не обнаружено. Тесты показали, что диффузия через пластик существует, но без дополнительного источника CO₂ рост ограничен.

Добавление CO₂
Для улучшения роста добавляли NaHCO₃ (48 г/л) и насыщали среду фильтрованным CO₂ до стабилизации pH (~7). Без дополнительного CO₂ C. vulgaris за 10 дней увеличивала оптическую плотность всего на 10,8%.

Освещение
Световой поток измеряли люксметром. Оптимальная конфигурация: две строки LED, 180 µmol/m²·с, 16:8 ч (свет:темнота), без встряхивания.

Экспериментальная установка
Инокулят (10% v/v, O.D.680 = 0,6–0,8) добавляли в свежую подготовленную среду с CO₂ и NaHCO₃. AC-PBR стерилизовали UV-C 15 мин, засыпали ~190 мл суспензии, удаляли лишний воздух и вакуумировали. Культивирование при 25 °C до ранней стационарной фазы: C. vulgaris — 6 дней, N. oculata — 8 дней, C. cryptica — 7 дней.

Результаты и обсуждение

Газообмен в AC-PBR
CO₂ и O₂ диффундируют через стенки LDPE AC-PBR, при этом CO₂ проникает значительно быстрее. Тесты показали, что CO₂ создаёт угольную кислоту в воде, а O₂ диффундирует медленнее, с появлением пузырьков. Эти результаты подтвердили, что газообмен достаточен для фотосинтеза и дыхания водорослей. Для обеспечения постоянного CO₂ среда была дополнительно обогащена NaHCO₃ и насыщением CO₂, что увеличило оптическую плотность C. vulgaris почти в 4 раза, а N. oculata — в 8 раз.

Рост водорослей в AC-PBR
Три вида водорослей (C. vulgaris, N. oculata, C. cryptica) успешно адаптировались к AC-PBR. Наибольший рост показала N. oculata (O.D.680 = 4,01), за ней следовали C. vulgaris и C. cryptica. Фаза задержки длилась 1 день, рост продолжался 5–8 дней в зависимости от вида. Продуктивность биомассы была сопоставима с традиционными PBR и RWPs: N. oculata — 2,39 г/л и 298,55 мг/л·д, C. vulgaris — 0,85 г/л и 141,36 мг/л·д, C. cryptica — 0,67 г/л и 96,08 мг/л·д.

Биохимический состав
Максимальное содержание липидов у C. cryptica (26,6%), белка — у N. oculata (247 мг/л·д), углеводов — у C. cryptica (53,7 мг/л·д). Эти показатели сопоставимы с традиционными PBR, подтверждая потенциал AC-PBR как недорогой системы культивирования.

Профиль жирных кислот (FAME)
C. vulgaris и N. oculata содержат SFA, MUFA и PUFA, пригодные для биотоплива и нутрицевтиков; C. cryptica содержит DHA и EPA. MUFA подходят для биодизеля, PUFA — для здоровья человека и фармацевтики.

Фукоксантин
В диатомовой C. cryptica содержание фукоксантинa составило 0,868 мг/г DCW, продуктивность — 0,570 мг/л·д, что более чем в 2 раза выше, чем у аналогичных диатом в колбах при слабом освещении. Микроводоросли AC-PBR показали эффективное и перспективное производство фукоксантинa.

Заключение

Культивирование микроводорослей для одного продукта экономически ограничено. Поэтому развиваются многоцелевые биорефинерии, где продукты и сопутствующие вещества повышают экономическую эффективность. Лабораторная оценка показала, что повторно использованные AC могут быть:
- Средством сокращения производства пластика и отходов.
- Способом снижения капитальных затрат биорефинерий.
- Изолированной, свободной от загрязнений средой для роста водорослей и синтеза биопродуктов.

Данные по биомассе, липидам и фукоксантину сопоставимы с традиционными PBR, создавая ориентир для других полиэтиленовых PBR. Применимость AC зависит от оптимизации продуктов, масштабов и экономики. Возможные применения включают производство высокоценных молекул и альтернативные методы культивирования, например микроводорослевые биопленки.
-----
Merz, C.R., Arora, N., Welch, M. et al. Microalgal cultivation characteristics using commercially available air-cushion packaging material as a photobioreactor. Sci Rep 13, 3792 (2023)