عوامل موثر بر رشد جلبک ها

کمیت و کیفیت مواد غذایی، pH، شدت نور، شوری و دما از مهمترین عوامل کنترل کننده رشد جلبک هستند که بهینه آنها برای گونه های مختلف، متفاوت است.

مواد مغذی

جلبکها علاوه بر عوامل فیزیکی (نور، درجه حرارت،هوادهی و…)، برای انجام فعالیتهای حیاتی به محیط کشت نیاز دارند. محیط کشت یا ماده غذایی شامل عناصرماکروالمان و میکروالمان هستند که عناصر ماکروالمان شامل عناصری نظیر فسفر، کلسیم، منیزیم، سیلیس، پتاسیم و غیره است؛ درحالی که عناصر میکروالمان شامل عناصر آهن، مولیبدن، منگنز، مس، کبالت، وانادیم و غیره می باشد، این مواد در قالب فرمولهای محیط کشت برای مکانیزم رشد جلبکها طراحی می شود.

مواد ذکر شده برای رشد جلبکها ضروری است و معمولا در پیکره جلبکها نقش مهمی دارند، گفته شده است که افزایش غلظت آهن سبب کاهش ذخیره چربی در ریزجلبک Chlorella vulgaris می شود.تعدادی از عناصر کمیاب در واکنش آنزیم ها وبرای سنتز تعدادی ازترکیبات اهمیت بسیار دارند. به عنوان مثال، کبالت برای سنتز ویتامین B₁₂ضروری است. علاوه بر عناصر کمیاب، مواد پاک کننده مانند EDTA وبه خصوص نمکهای سدیمی که به آسانی در آب حل می شوند نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

محدودیت سیلیسیم اغلب اتفاق می افتد ومی تواند منجر به تجمع متابولیت ثانویه شود.دیاتوم ها برای ساختار دیواره سلولی به سیلیسیم نیاز دارند.  کربن،نیتروژن وفسفر برای رشد اتوتروفیک جلبک ضروری است ومیزان ذخیره آنها نیز در تولیدات زنده از اهمیت ویژه ای برخوردار است. نیتروژن مهمترین ماده غذایی است که در تولید انبوه نقش دارد.میزان نیتروژن بازه ای از 1% تا بیش از 10% دارد. پاسخ عمومی به کمبود نیتروژن، تغییر رنگ سلول ها (کاهش کلروفیل وافزایش کاروتنوئیدها) ونیز تجمع ترکیبات کربن دارآلی مانند پلی ساکارید واسیدهای چرب غیر اشباع می باشد، به عنوان مثال تولید کاروتنوئیدها در Dunaliena به طور عمده ای در اثر استرس نیتروژن ونمکها است.

کاهش نیتروژن سبب افزایش حجم چربی درگونه هایی مانند Chlorella sp،Chaetoceros sp، Isochrysis ps می شود. ذخیره فسفر نیز می تواند بر روی ترکیب زی توده تولید شده اثرگذار باشد. فسفر باعث افزایش چربی در گونه هایی مثل  Monodus subterraneus،Chaetoceros spIsochrysis galbana، Pavlova lutheri واز طرفی باعث کاهش چربی Nannochlorisatomus و  Tetraselmis sp می شود.درریزجلبک های دریایی،افزایش فسفرباعث افزایش پالمیتیک اسید واولئیک اسید و کاهش استئاریدونیک اسید،ایکوزاپنتانوئیک اسید ودکوزاپنتانوئیک اسید می شود.

نور

برای کشت وپرورش جلبک، کیفیت، شدت و دوره های نوری متفاوتی مورد نیاز می باشد که تغییر در کمیت و کیفیت منجر به تغییر در تراکم و رشد جلبک ها می شود. از مهمترین واکنش آنها می توان به تغییر در ترکیب رنگدانه ها، تغییر در زنجیره انتقال الکترون ، فعالیت آنزیمی، فتوسنتز، تنفس و در ترکیب بیوشیمایی و در نتیجه تغییر در روند رشد جلبک ها اشاره کرد.اثر نور برترکیبات بیوشیمیایی وفتوسنتز جلبک ها با فرآیند سازگاری نوری کنترل می شود. دراین فرآیند، تغیراتی در دینامیک، فراساختار، بیوفیزیک وفیزیولوژی جلبک ها اتفاق می افتد که آنها را قادر به سازگاری با تغییر شرایط محیطی می کند.

زمان روشنایی، نیز عاملی است که در چرخه های شبانه روزی بر فتوسنتز، تنفس سلولی، نرخ رشد وتقسیم سلولی تاثیر گذار می باشد. همچنین این عامل، بر فعالیت های آنزیمی وسنتز ماکروملکول ها تاثیر دارد. برای رشد گونه های گیاهی مختلف، دامنه نوری خاصی مورد نیاز است.هرگاه میزان نور دریافتی توسط گیاه کمتر از دامنه تحمل آن باشد، گیاه قادر به کسب انرژی لازم و عمل فتوسنتز نخواهد بود. همچنین در شدت نور بالاتر از این آستانه نیز ترکیبات سلولی به ویژه رنگیزه های جمع کننده نور دچار آسیب شده و فتوسنتز متوقف می شود. از لحاظ طیف نوری، بیشترجلبک ها به نور قرمز و آبی عکس العمل نشان می دهند. جلبک های قهوه ای به طول موج های آبی بهتر عکس العمل نشان می دهند.

دما

تاثیرات دما بر روی واکنش های بیوشیمیایی یکی ازمهمترین فاکتورهایی است که ترکیبات بیوشیمیایی جلبک ها را تحت تاثیر قرار می دهد.مطالعات نشان داده که تاثیر دما بر روی ترکیب ومیزان غشای لیپیدی است.کاهش در درجه حرارت و در شرایط پایین تر ازسطح بهینه به طور عمومی باعث افزایش درجه غیر اشباعی لیپیدها در سیستم غشایی می شود.

کاهش در درجه حرارت پایین تر از حد میزان اپتیمم ممکن است باعث افزایش تولید آنزیم هایی شود که به عنوان سازگارکننده مکانیسم ها جهت باقی ماندن درهمان میزان فتوسنتز وتنفس به کارمی آیند. دمای بالا ممکن است سبب تشکیل رادیکال های آزاد اکسیژن درسلول های جلبکی شود،درنتیجه استرس اکسیدکننده ها،سنتز کاروتنوئیدها کاهش می یابد.دمای بهینه و افزایش شدت نور تاثیر بسزایی در افزایش بتاکاروتن ریزجلبک دونالیلا دارد و زمانی که درجه حرارت از 34درجه سانتی گراد افزایش یابد ،فعالیت فتوسنتز دراین گونه کاهش می یابد.

یک دمای مناسب برای رشد ممکن است سبب شود سلول های جلبکی اندازه سلولی کمتری داشته باشند، به عبارت دیگر برای تولید یک سلول در همان میزان رشد، در دمای غیر اپتیمم، کربن ومواد مغذی بیشتری نیاز است.با افزایش دما، میزان چربی درگونهOchromonas danica و Nannochloropsis salinaافزایش می یابد. به طورکلی با افزایش دما میزان اسیدهای چرب اشباع و با کاهش دما میزان اسیدهای چرب غیر اشباع افزایش می یابند. به طور کلی دمای بهینه برای رشد ریزجلبک ها 24 درجه سانتیگراد می باشد.درجه حرارت پایین سبب از بین رفتن ریزجلبک ها نمی شود اما رشد آنها را به شدت کاهش می دهد، در حالی که درجه حرارت ثابت بالای 35درجه همه ریزجلبک ها را ازبین می برد.

شوری

مهمترین اثر آن بر فرایند تنظیم اسمزی و اختلاف غلظت مواد درونی و بیرونی می باشد. در واقع تنظیم اسمزی از واکنش هایی است که در وضعیت ایجاد استرس بوجود می آید. شوری از عوامل کلیدی در کشت سلول های جلبکی و همچنین استخراج تجاری آن ها در بالاترین کمیت وکیفیت ممکن، می باشد.

جلبک های دریایی مقاومت بالاتری در برابر تغیرات شوری دارند. بیشتر گونه ها در شوری که اندکی کمتر ازشوری محیط طبیعی آنهاست، رشد خوبی دارند. این امر بوسیله رقیق سازی آب دریا با آب معمولی بدست می آید.در طی تحقیقاتی ثابت شده که شوری بالا در جلبک دونالیلا، باعث افزایش کلروفیل a در این جلبک شده که باعث جذب بالاتر وبهتر نوری می شود و در نتیجه مصرف co₂ بالاتر و فتوسنتز بیشتر صورت می گیرد،همچنین این گونه در شوری های بالا میزان اسیدهای چرب اشباع و تک غیر اشباع کاهش اما از طرف دیگر میزان اسیدهای چرب چند غیر اشباع به خصوص آلفالینولنیک افزایش یافت. شوری بهینه برای رشد جلبک ها ppt24-20در نظر گرفته شده است.

pH

pH بیش از حد بالا یا پائین با اختلال در بسیاری از فرآیندهای سلولی، رشد ریزجلبک ها را کاهش می دهد. اگر ازت به صورت نمک آمونیوم به کشت اضافه شود، اغلب ریزجلبک ها به طور انتخابی یون آمونیوم جذب کرده و بنابراین pH پایین خواهد آمد. برعکس، اگر یون های نیترات به وسیله جلبک جذب شوند pH به افزایش تمایل دارد، اما اغلب به وسیله دی اکسیدکربن اضافه شده به محیط کنترل می شود. اما اگر دی اکسیدکربن محدود کننده شودpH کشت می تواند تا 11 بالا رفته و در نهایت ریزجلبک ها را  از بین می برد. اوکلس در سال 1971 گزارش داده که محدوده بهینه pH برای رشد و کشت جلبک ها بین 2/8 تا 7/8  می باشد.

هوادهی

یکی از عوامل موثر بر رشد ریزجلبک ها، هوادهی می باشد. هوادهی به منظوراختلاط آب برای جلوگیری ازته نشین شدن جلبک، اطمینان از اینکه تمام سلول های جلبکی به طور مساوی درمعرض نور و مواد غذایی باشند،جلوگیری از لایه بندی حرارتی در سیستم پرورشی وبهبود تبادل گازی بین محیط کشت وهوا، تامین کربن به شکل دی اکسید کربن برای انجام عمل فتوسنتز انجام می گیرد. باید توجه داشت که هوادهی زیاد سبب آسیب و استرس به سلول های جلبک می شود. بنابراین ایجاد حباب هوا داخل محیط کشتی که حاوی بیش از5 درصد دی اکسیدکربن است، می تواند بازدارنده رشد آنها باشد.