MIKROALGEN: EIGENSCHAFTEN, KLASSIFIZIERUNG UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Mikroalgen sind eukaryotische Organismen, Photoautotrophen, dh sie gewinnen Energie aus Licht und synthetisieren ihre eigene Nahrung. Sie enthalten Chlorophyll und andere akzessorische Pigmente, die ihnen eine hohe photosynthetische Effizienz verleihen.

Sie sind einzellig, kolonial - wenn sie als Aggregate etabliert sind - und filamentös (einzeln oder kolonial). Sie sind zusammen mit Cyanobakterien (Prokaryoten) Teil des Phytoplanktons. Phytoplankton ist eine Gruppe von photosynthetischen aquatischen Mikroorganismen, die passiv schweben oder eine eingeschränkte Mobilität aufweisen.

Abbildung 1. Volvox (sphärisch) Quelle: Frank Fox, über Wikimedia Commons

Mikroalgen kommen vom terrestrischen Ecuador bis in die Polarregionen vor und gelten als Quelle für Biomoleküle und Metaboliten von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Sie sind eine direkte Quelle für Lebensmittel, Medikamente, Futter, Düngemittel und Treibstoff und sogar Indikatoren für Kontamination.

Eigenschaften

Produzenten, die Sonnenlicht als Energiequelle nutzen

Die meisten Mikroalgen haben eine grüne Farbe, da sie Chlorophyll (tetrapyrrolisches Pflanzenpigment) enthalten, einen Photorezeptor für Lichtenergie, mit dem die Photosynthese durchgeführt werden kann.

Einige Mikroalgen haben jedoch eine rote oder braune Färbung, da sie Xanthophylle (gelbe Carotinoidpigmente) enthalten, die die grüne Farbe maskieren.

Lebensräume

Sie bewohnen verschiedene süße und salzige, natürliche und künstliche Gewässer (wie Schwimmbäder und Aquarien). Einige können im Boden, in sauren Lebensräumen und in porösen (endolytischen) Gesteinen an sehr trockenen und sehr kalten Orten wachsen.

Einstufung

Mikroalgen stellen eine sehr heterogene Gruppe dar, da sie polyphyletisch sind, dh Artennachkommen verschiedener Vorfahren gruppieren.

Zur Klassifizierung dieser Mikroorganismen wurden verschiedene Merkmale verwendet, darunter: die Art ihrer Chlorophylle und ihrer Energiereservesubstanzen, die Struktur der Zellwand und die Art der Mobilität, die sie aufweisen.

Art seiner Chlorophylle

Die meisten Algen weisen Chlorophyll Typ A auf und einige weisen eine andere davon abgeleitete Art von Chlorophyll auf.

Viele sind obligate Fototrophen und wachsen nicht im Dunkeln. Einige wachsen jedoch im Dunkeln und katabolisieren einfache Zucker und organische Säuren in Abwesenheit von Licht.

Beispielsweise können einige Flagellaten und Chlorophyten Acetat als Kohlenstoff- und Energiequelle verwenden. Andere assimilieren einfache Verbindungen in Gegenwart von Licht (Photoheterotrophie), ohne sie als Energiequelle zu verwenden.

Kohlenstoffpolymere als Energiereserve

Als Produkt des Photosyntheseprozesses produzieren Mikroalgen eine Vielzahl von Kohlenstoffpolymeren, die als Energiereserve dienen.

Beispielsweise erzeugen die Mikroalgen der Chlorophyta-Division Reservestärke (α-1,4-D-Glucose), die den Stärken höherer Pflanzen sehr ähnlich ist.

Zellwandstruktur

Die Wände von Mikroalgen weisen eine beträchtliche Vielfalt an Strukturen und chemischer Zusammensetzung auf. Die Wand kann aus Cellulosefasern bestehen, üblicherweise unter Zusatz von Xylan, Pektin, Mannan, Alginsäuren oder Fucinsäure.

Bei einigen kalkhaltigen oder korallinen Algen zeigt die Zellwand eine Kalziumkarbonatablagerung, während andere Chitin aufweisen.

Diatomeen hingegen haben Silizium in ihrer Zellwand, zu dem Polysaccharide und Proteine ​​hinzugefügt werden, die Schalen mit bilateraler oder radialer Symmetrie (Frustules) bilden. Diese Schalen bleiben lange Zeit intakt und bilden Fossilien.

Euglenoide Mikroalgen haben im Gegensatz zu den vorherigen keine Zellwand.

Art der Mobilität

Mikroalgen können Flagellen haben (wie Euglena und Dinoflagellaten), aber niemals Zilien. Andererseits zeigen einige Mikroalgen in ihrer vegetativen Phase Unbeweglichkeit, ihre Gameten können jedoch mobil sein.

Biotechnologische Anwendungen

Fütterung von Mensch und Tier

In den 1950er Jahren begannen deutsche Wissenschaftler mit der Massenkultivierung von Mikroalgen, um Lipide und Proteine ​​zu erhalten, die herkömmliche tierische und pflanzliche Proteine ​​ersetzen sollten, um den Verbrauch von Nutztieren und Menschen zu decken.

In jüngster Zeit wurde der massive Anbau von Mikroalgen als eine der Möglichkeiten zur Bekämpfung von Welthunger und Unterernährung prognostiziert.

Mikroalgen haben ungewöhnliche Nährstoffkonzentrationen, die höher sind als bei höheren Pflanzenarten. Ein tägliches Gramm Mikroalgen ist eine Alternative zur Ergänzung einer mangelhaften Ernährung.

Vorteile seiner Verwendung als Lebensmittel

Unter den Vorteilen der Verwendung von Mikroalgen als Lebensmittel haben wir Folgendes:

• Hohe Geschwindigkeit des Mikroalgenwachstums (sie weisen einen 20-mal höheren Ertrag als Sojabohnen pro Flächeneinheit auf).
• Es erzeugt Vorteile, die am "hämatologischen Profil" und am "intellektuellen Status" des Verbrauchers gemessen werden, wenn kleine Tagesdosen als Nahrungsergänzungsmittel konsumiert werden.
• Hoher Proteingehalt im Vergleich zu anderen natürlichen Lebensmitteln.
• Hohe Konzentration an Vitaminen und Mineralstoffen: Die Einnahme von 1 bis 3 Gramm Mikroalgen-Nebenprodukten pro Tag liefert nennenswerte Mengen an Beta-Carotin (Provitamin A), Vitamin E- und B-Komplex, Eisen und Spurenelementen.
• Hochenergetische Nahrungsquelle (im Vergleich zu Ginseng und Pollen, die von Bienen gesammelt werden).
• Sie werden für hochintensives Training empfohlen.
• Aufgrund seiner Konzentration, seines geringen Gewichts und seiner einfachen Transportfähigkeit eignet sich der Trockenextrakt von Mikroalgen als nicht verderbliches Lebensmittel zur Aufbewahrung in Notsituationen.

Abbildung 2. Arthrospira ist ein weit verbreitetes und in Massen kultiviertes Cyanobakterium. Quelle: Joan Simon, beschnitten von Perdita (englischer Wikipedia-Benutzer), über Wikimedia Commons

Aquakultur

Mikroalgen werden aufgrund ihres hohen Proteingehalts (40 bis 65% Trockengewicht) und ihrer Fähigkeit, die Farbe von Salmoniden und Krebstieren mit ihren Pigmenten zu erhöhen, als Lebensmittel in der Aquakultur verwendet.

Zum Beispiel wird es als Nahrung für Muscheln in all ihren Wachstumsstadien verwendet; für Larvenstadien einiger Krebstierarten und für frühe Stadien einiger Fischarten.

Pigmente in der Lebensmittelindustrie

Einige Mikroalgenpigmente werden als Zusatzstoffe in Futtermitteln verwendet, um die Pigmentierung von Hühnerfleisch und Eigelb sowie die Fruchtbarkeit von Rindern zu erhöhen.

Diese Pigmente werden auch als Farbstoffe in Produkten wie Margarine, Mayonnaise, Orangensaft, Eis, Käse und Backwaren verwendet.

Figure 3. Röhrenförmige Photobioreaktoren zur Gewinnung hochwertiger Verbindungen aus Mikroalgen. Quelle: IGV Biotech, von Wikimedia Commons

Human- und Veterinärmedizin

Auf dem Gebiet der Human- und Veterinärmedizin wird das Potenzial von Mikroalgen erkannt, weil:

• Sie reduzieren das Risiko für verschiedene Arten von Krebs, Herz- und Augenerkrankungen (dank ihres Lutein-Gehalts).
• Sie helfen bei der Vorbeugung und Behandlung von koronaren Herzerkrankungen, Blutplättchenaggregation und abnormalen Cholesterinspiegeln und sind auch für die Behandlung bestimmter psychischer Erkrankungen (aufgrund ihres Omega-3-Gehalts) vielversprechend.
• Sie wirken antimutagen, stimulieren das Immunsystem, reduzieren Bluthochdruck und entgiften.
• Sie haben eine gerinnungshemmende und bakterizide Wirkung.
• Sie erhöhen die Bioverfügbarkeit von Eisen.
• Arzneimittel, die auf therapeutischen und vorbeugenden Mikroalgen basieren, wurden unter anderem gegen Colitis ulcerosa, Gastritis und Anämie entwickelt.

Abbildung 4. Flacher Photobioreaktor: Wird verwendet, um Mikroalgen-Nebenprodukte mit hohem Mehrwert zu erhalten, und wird experimentiert. Quelle: IGV Biotech, von Wikimedia Commons

Düngemittel

Mikroalgen werden als Biofertilizer und Bodenverbesserer eingesetzt. Diese photoautotrophen Mikroorganismen bedecken schnell die gestörten oder verbrannten Böden und verringern so das Erosionsrisiko.

Einige Arten bevorzugen die Stickstofffixierung und haben es beispielsweise ermöglicht, jahrhundertelang Reis auf überfluteten Flächen ohne Zusatz von Düngemitteln anzubauen. Andere Arten werden verwendet, um Kalk im Kompost zu ersetzen.

Kosmetika

Mikroalgenderivate wurden bei der Formulierung von angereicherten Zahnpasten verwendet, die die Bakterien beseitigen, die Zahnkaries verursachen.

Cremes, die solche Derivate enthalten, wurden auch wegen ihrer antioxidativen und UV-schützenden Eigenschaften entwickelt.

Abbildung 5. Erhaltung von Mikroalgen in Banken oder Stämmen. Quelle: CSIRO

Abwasserbehandlung

Mikroalgen werden bei der Umwandlung organischer Stoffe aus Abwasser eingesetzt, wobei Biomasse und aufbereitetes Wasser zur Bewässerung erzeugt werden. Bei diesem Prozess versorgen die Mikroalgen aerobe Bakterien mit dem notwendigen Sauerstoff und bauen organische Schadstoffe ab.

Verschmutzungsindikatoren

Angesichts der ökologischen Bedeutung von Mikroalgen als Hauptproduzenten aquatischer Umgebungen sind sie Indikatororganismen für Umweltverschmutzung.

Darüber hinaus haben sie eine große Toleranz gegenüber Schwermetallen wie Kupfer, Cadmium und Blei sowie chlorierten Kohlenwasserstoffen, weshalb sie Indikatoren für das Vorhandensein dieser Metalle sein können.

Biogas

Einige Arten (zum Beispiel Chlorella und Spirulina) wurden zur Reinigung von Biogas verwendet, da sie Kohlendioxid als Quelle für anorganischen Kohlenstoff verbrauchen und gleichzeitig den pH-Wert des Mediums steuern.

Biokraftstoffe

Mikroalgenbiosynthese einer Vielzahl kommerziell interessanter bioenergetischer Nebenprodukte wie Fette, Öle, Zucker und funktionelle bioaktive Verbindungen.

Abbildung 6. Mikroalgenkultivatoren vom Karusselltyp, die bei der Massenkultivierung von Mikroalgen für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie verwendet werden. Quelle: JanB46, aus Wikimedia Commons

Viele Arten sind reich an Lipiden und Kohlenwasserstoffen, die für die direkte Verwendung als hochenergetische flüssige Biokraftstoffe geeignet sind, und zwar in höheren Konzentrationen als in terrestrischen Pflanzen. Sie können auch als Ersatz für Raffinerieprodukte fossiler Brennstoffe eingesetzt werden. Dies ist nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass der größte Teil des Öls aus Mikroalgen stammt.

Eine Art, insbesondere Botryococcus braunii, wurde ausführlich untersucht. Der Ölertrag aus Mikroalgen wird voraussichtlich bis zu 100-mal so hoch sein wie der von Landfrüchten, von 7.500 bis 24.000 Litern Öl pro Morgen und Jahr im Vergleich zu Raps und Palmen mit 738 bzw. 3690 Litern .

Verweise

1. Borowitzka, M. (1998). Kommerzielle Produktion von Mikroalgen: Teiche, Tanks, Knollen und Fermenter. J. of Biotech, 70, 313 & ndash; 321.
2. Ciferri, O. (1983). Spirulina, der essbare Mikroorganismus. Microbiol. Rev. 47, 551-578.
3. Ciferri, O. & Tiboni, O. (1985). Die Biochemie und das industrielle Potenzial von Spirulina. Ann. Rev. Microbiol., 39, 503 & ndash; 526.
4. JL Conde, LE Moro, L. Travieso, EP Sánchez, A. Leiva & R. Dupeirón et al. (1993). Biogasreinigungsprozess unter Verwendung intensiver Mikroalgenkulturen. Biotech. Letters, 15 (3), 317 & ndash; 320.
5. C. Contreras-Flores, JM Peña-Castro, LB Flores-Cotera & RO Cañizares (2003). Fortschritte bei der Konzeption von Photobioreaktoren für die Kultivierung von Mikroalgen. Interciencia, 28 (8), 450 & ndash; 456.
6. Duerr, EO, Molnar, A. & Sato, V. (1998). Kultivierte Mikroalgen als Aquakulturfutter. J Mar Biotechnol, 7, 65 & ndash; 70.
7. Lee, Y.-K. (2001). Mikroalgen-Massenkultursysteme und -methoden: Ihre Grenzen und ihr Potenzial. Journal of Applied Phycology, 13, 307 & ndash; 315.
8. Martínez Palacios, CA, Chávez Sánchez, MC, Olvera Novoa, MA und Abdo de la Parra, MI (1996). Alternative Quellen für pflanzliche Proteine ​​als Ersatz für Fischmehl für Aquakulturfutter. Vortrag gehalten in den Proceedings des dritten internationalen Symposiums für Aquakulturernährung, Monterrey, Nuevo León, Mexiko.
9. Olaizola, M. (2003). Kommerzielle Entwicklung der Mikroalgenbiotechnologie: vom Reagenzglas bis zum Markt. Biomolecular Engineering, 20, 459 & ndash; 466.