In traditional mixotrophic cultures of microalgae, all the inorganic nutrients and organic carbon sources are supplied in the medium before inoculation. In this study, however, an alternative approach was adopted in Haematococcus pluvialis Flotow, a microalga capable of growing mixotrophically on sodium acetate (Na-Ac). First, the cells were grown under 75 ${\mu}Mol$ photons $m^{-2}s^{-1}$ phototrophically without Na-Ac until the stationary phase and then exposed to five different light regimes by the addition of Na-Ac (e.g., dark, 20, 40, 75, and 150 ${\mu}Mol$ photons $m^{-2}s^{-1}$). Dry weight (DW), pigments, and especially cell number in alternative mixotrophy (AM) were higher than traditional mixotrophy (TM). Cell number in AM almost doubled up from 21.7 to $42.9{\times}10^4$ cells/ml during 5-day exposure to Na-Ac, whereas the increase was only 1.2-fold in TM. Maximum cell density was reached in 75 ${\mu}Mol$ photons $m^{-2}s^{-1}$ among the light intensities tested. We propose that Na-Ac in TM of H. pluvialis can not be utilized as efficiently as in AM. With this respect, AM has several advantages against TM such as a much higher cell density in a batch culture period and minimized risk of contamination owing to the shorter exposure of cells to organic carbon sources. In consequence, this method may be used for other strains of the species, and even for the other microalgal species able to grow mixotrophically.
Kim, Shin Myung;Bae, Eun Hee;Kim, Jee Young;Kang, Jae-Shin;Choi, Yoon-E
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제32권10호
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pp.1325-1334
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2022
Global warming has accelerated in recent decades due to the continuous consumption of petroleum-based fuels. Cyanobacteria-derived biofuels are a promising carbon-neutral alternative to fossil fuels that may help achieve a cleaner environment. Here, we propose an effective strategy based on the large-scale cultivation of a newly isolated cyanobacterial strain to produce phycobiliprotein and biodiesel, thus demonstrating the potential commercial applicability of the isolated microalgal strain. A native cyanobacterium was isolated from Goryeong, Korea, and identified as Pseudanabaena mucicola GO0704 through 16s RNA analysis. The potential exploitation of P. mucicola GO0704 was explored by analyzing several parameters for mixotrophic culture, and optimal growth was achieved through the addition of sodium acetate (1 g/l) to the BG-11 medium. Next, the cultures were scaled up to a stirred-tank bioreactor in mixotrophic conditions to maximize the productivity of biomass and metabolites. The biomass, phycobiliprotein, and fatty acids concentrations in sodium acetate-treated cells were enhanced, and the highest biodiesel productivity (8.1 mg/l/d) was achieved at 96 h. Finally, the properties of the fuel derived from P. mucicola GO0704 were estimated with converted biodiesels according to the composition of fatty acids. Most of the characteristics of the final product, except for the cloud point, were compliant with international biodiesel standards [ASTM 6761 (US) and EN 14214 (Europe)].
본 연구에서는 Chlorella saccharophila의 배양을 통하여 바이오에너지 자원을 대량으로 확보하고자 배지 최적화 실험을 진행하였다. 최적화 인자로는 배양 형태, 초기 접종량, 탄소원 종류 및 농도, 질소원 종류 및 농도, 배양시간이다. 실험 결과, 배양 형태는 광원과 외부탄소원을 모두 공급하는 mixotrophic 배양이 적절하였다. 초기 접종량은 3% (v/v), 탄소원은 glucose 30 g/L, 질소원은 $NaNO_3$ 0.95 g/L를 첨가하는 것이 우수하였다. 최적 배지 조건으로 배양한 결과, oil의 함량은 12일에서 가장 높았으나, 회수되는 C. saccharophila의 biomass양과 chlorophyll의 양은 10일에서 가장 높았다. 위의 결과는 미세조류의 배지 최적화를 통하여 대량배양을 위한 기초자료로 사용될 수 있으리라 판단된다.
Chlorella is quantitatively and qualitatively high in protein with balanced essential amino acid profiles, vitamins and minerals. ${\gamma}-Aminobutyric$ acid (GABA) is broadly distributed in nature and fulfills multi-physiological functions including effect such as a health-promoting functional compound. To improve the GABA production, Chlorella protothecoides were grown through the modified mixtrophic culture medium containing 2L of sterilized bristol medium with 0.01% urea and 4.0% glucose in a 5L fermenter. The results showed that nineteen kinds of amino acid including GABA at C. protothecoides sample were analyzed using high performance liquid chromatography (HPLC). Glutamic acid in total concentration (%) of amino acid is the most abundant amino acid (33.10%), followed by alanine (20.48%) and GABA (17.48%). Three amino acids including GABA were responsible for more than 70% total concentration in C. protothecoides sample including eight essential and nine non-essential amino acids: aspartic acid, asparagine, serine, glutamine, histidine, glycine, threonine, arginine, tyrosine, valine, methionine, tryptophan, phenylalanine, isoleucine, leucine, lysine. As a result of this experiment, it is expected that Chlorella will be developed to a critical product having high value as, GABA, functional food materials.
Major progress has been made in the past decade towards understanding of the biosynthesis of red carotenoid astaxanthin and its roles in stress response while exploiting microalgae-based astaxanthin as a potent antioxidant for human health and as a coloring agent for aquaculture applications. In this review, astaxanthin-producing green microalgae are briefly summarized with Haematococcus pluvialis and Chlorella zofingiensis recognized to be the most popular astaxanthin-producers. Two distinct pathways for astaxanthin synthesis along with associated cellular, physiological, and biochemical changes are elucidated using H. pluvialis and C. zofingiensis as the model systems. Interactions between astaxanthin biosynthesis and photosynthesis, fatty acid biosynthesis and enzymatic defense systems are described in the context of multiple lines of defense mechanisms working in concert against photooxidative stress. Major pros and cons of mass cultivation of H. pluvialis and C. zofingiensis in phototrophic, heterotrophic, and mixotrophic culture modes are analyzed. Recent progress in genetic engineering of plants and microalgae for astaxanthin production is presented. Future advancement in microalgal astaxanthin research will depend largely on genome sequencing of H. pluvialis and C. zofingiensis and genetic toolbox development. Continuous effort along the heterotrophic-phototrophic culture mode could lead to major expansion of the microalgal astaxanthin industry.
Changes in the phosphorylation of Chlorella cells during the life cycle the aulotrophic and micotrophic synchronous culture were followed under the light and dark. 1. In the autotrophic culture of Chlorella the amounts of esterified phosphate compounds of the algal cell under the light increased during the growing period and decreased strikingly in the ripening period showing a peak at the $L_1$ i/-cell stage. 2. TRhe amount of total esterified phosphate compounds of the cell under the dark, however, decreased during the growing period and then kept fairly constnat during the ripening nad division periods showing the greates activity of the oxidative phosphorylation in the early growing stage. 3. It is presumed that the energy requirement of the dividing algal cell in the autotrophic culture is fulfilled prior to the nuclear division mostly by the photosynthetic phosphorylation. 4. In the mixotrophic culture, the amount of esterified phosphate compounds of the algal cells under the light increased during the growing period and decreased during the late ripening and early division periods showing a peak in the $L_2$-cell stage as in the case of the phosphorylation under the dark. 5. The phosphorylation of the fell grown in the glucose medium is more active under the dark than under the light in the stages of the growing and early ripening periods. 6. It is considered that the excess glucose in the algal cell not only promotes the oxidative phosphorylation but also inhibits the photosynthetic phosphorylation of the cell. 7. It is presumed that the energy requirement of the dividing algal cell in the glucose medium is fulfilled prior to the nuclear division by the combined action of oxidative and photosynthetic phosphorylation, mostly by the oxidative phosphorylation.
In order to investigate and generalize the effects of carbon and nitrogen sources on the growth of and lipid production in Chlorella sp. 227, several nutritional combinations consisting of different carbon and nitrogen sources and concentrations were given to the media for cultivation of Chlorella sp. 227, respectively. The growth rate and lipid content were affected largely by concentration rather than by sources. The maximum specific growth was negatively affected by low concentrations of carbon and nitrogen. There is a maximum allowable inorganic carbon concentration (less than 500~1,000 mM bicarbonate) in autotrophic culture, but the maximum lipid content per gram dry cell weight (g DCW) was little affected by the concentration of inorganic carbon within the concentration. The lipid content per g DCW was increased when the microalga was cultured with the addition of glucose and bicarbonate (mixotrophic) at a fixed nitrogen concentration and with the lowest nitrogen concentration (0.2 mM), relatively. Considering that lipid contents per g DCW increased in those conditions, it suggests that a high ratio of carbon to nitrogen in culture media promotes lipid accumulation in the cells. Interestingly, a significant increase of the oleic acid amount to total fatty acids was observed in those conditions. These results showed the possibility to induce lipid production of high quality and content per g DCW by modifying the cultivation conditions.
The effect of glucose and 2-thiobarbituric acid on the biosynthesis of cell constituents such as protein, carbohydrate, DNA, RNA, phospholipid and PCA-soluble phosphate compounds in Chlorella duing the life cycle was measured, and the changes in the content of these main cellular components of the algal cell were analyzed in connection with the nuclear and cytoplasmic divison. In the normal autotrophic synchronous culture the contents of protein, RNA, and DNA in the cell showed a chracteristic changes according to the progress of cell development, increasing more or less throughout all the life cycle. The synthesis of protein is more prominent in the division period nad that of DNA is more active in the ripening period, while the synthesis of RNA is more rapid in the growing and ripening periods than other developmental stages. The period of division cycle was little affected by glucose in the medium, although the synchrony of the growth and cellular division was disturbed and the n value increased. The cotents of protein, carbohydrate, RNA nad DNA of the cell were increased by the glucose treatment throughout all the life cycle. On the other hand, both of cellular growth and division were retarded severely and the n value was decreased by the 2-thiobarbituric acid treatment throughout all the life cycle. On the other hand, both of cellular growth and division were retarded severely and the n value was decreased by the 2-thiobarbituric acid treatment. The synthesis of protein, carbohydrate, DNA, RNA and phospholipid of the cell was also retarded by 2-thiobarbituric acid. In the autotrophic, mixotrophic and 2-thiobarbituric acid-treated cultures, each having different mode cytoplasmic division, a common general schema occurring in the cell during the life cycle may be drawn as follows. The ratio of RNA to protein attains maximum value in the $L_1$-cell stage prior to the nuclear division and thereafter decreases during the periods of ripening and division. The ratio of PCA-soluble phosphate compounds to protein increased from the begining of the culture to $L_4$-cell stage successively and thereafter decreased gradually during the division period, while the ratio of protein to DNA kept almost constant up to the division period and thereafter increased during the division period. Therefore, it is presumed that the increase in the ratio of RNA to protein is to be an inducer of nuclear division and that the cytoplasmic division is induced by the increase in the ratio of protein to DNA.
Nitrogen is one of the most critical nutrients affecting cell growth and biochemical composition of microalgae, ultimately determining the lipid or carbohydrate productivity for biofuels. In order to investigate the effect of nitrogen sources on the cell growth and biochemical composition of the marine microalga Tetraselmis sp., nine different N sources, including NaNO3, KNO3, NH4NO3, NH4HCO3, NH4Cl, CH3COONH4, urea, glycine, and yeast extract were compared at the given concentration of 8.82 mM. Higher biomass concentration was achieved under organic nitrogen sources, such as yeast extract (2.23 g L−1) and glycine (1.62 g L−1), compared to nitrate- (1.45 g L−1) or ammonium-N (0.98 g L−1). All ammonium sources showed an inhibition of cell growth, but accumulated higher lipids, showing a maximum content of 28.3% in ammonium bicarbonate. When Tetraselmis sp. was cultivated using yeast extract, the highest lipid productivity of 36.0 mg L−1 d−1 was achieved, followed by glycine 21.5 mg L−1 d−1 and nitrate 19.9 mg L−1 d−1. Ammonium bicarbonate resulted in the lowest lipid productivity of 14.4 mg L−1 d−1. The major fatty acids in Tetraselmis sp. were palmitic, oleic, linoleic and linolenic acids, regardless of the nutritional compositions, indicating the suitability of this species for biodiesel production.
The mixotrophic marine ciliate Mesodinium rubrum possesses a highly modified algal endosymbiont as a nutrition source for the species. Accordingly, we assumed that the species can reflect the ecotoxicity on marine producer (as phytoplankton) and consumer (as zooplankton) both. A series of experiments were conducted to identify the potential of the species as a standard test species for marine ecotoxicological study. The comparison of species sensitivity on reference toxic materials was made using potassium dichromate for phytoplankton and copper chloride for zooplankton. The ciliate revealed the highest sensitivity on both reference materials among the seven test species including phytoplankton, benthic copepod and rotifer species. The toxicity end point of the species was 72hr-$EC_{50}$=1.52 mg/L (as potassium dichromate) estimated by population growth inhibition (PGI), which is more sensitive than the most sensitive phytoplankton Skeletonema costatum (72hr-$EC_{50}$=3.05 mg/L). As comparison to rotifer, it also revealed higher sensitivity on copper chloride; 72hr-$EC_{50}$=0.38 mg/L for ciliate and 48hr-$EC_{50}$=0.48 mg/L for rotifer. Also, the elutriate toxicity test of various ocean disposal wastes were conducted to identify the potential of ciliate toxicity test application using industrial waste sludges. The toxicity of leather processing waste sludge was highest on the ciliate, followed by dyeing waste sludge and dye production waste sludge as an increasing order of toxicity. 72h-$EC_{50}$ of ciliate PGI test was 1.83% and that of S. costatum 3.84% for leather waste sludge which showed highest toxicity. The toxicity test results also revealed that the highest sensitivity was observed on ciliate species on ocean disposed sludge wastes. Also, ciliate toxicity test well discriminated the degree of toxicity between sludge sources; 72h-$EC_{50}$ values were 1.83% for leather processing waste sludge, 16.75% for dye production waste sludge and 27.75% for textile production waste sludge. Even the laboratory culture methods of the species were not generally established yet, the species has high potential as the standard test species for marine toxicity test in terms of the dual reflection of phyto- and zooplankton toxicity from single test, sensitivity and test replicability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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