Хлорелла

Хлорелла
Научная классификация
Домен: Эукариоты Царство: Растения Подцарство: Зелёные растения Отдел: Зелёные водоросли Класс: Требуксиофициевые Порядок: Хлорелловые Семейство: Хлорелловые Род: Хлорелла
Международное научное название
Chlorella Beij., 1890
Систематика в Викивидах Поиск изображений на Викискладе IPNI   профиль

Хлоре́лла (лат. Chlorella) — род одноклеточных зелёных водорослей, представленных малыми сферическими клетками (обычно 2—10 µм). Клетки содержат один парие́тальный хлоропласт с хлорофиллами a и b и пиреноидом для накопления крахмала.

Хлорелла относится к классу зёлёных водорослей Требуксиофициевые (лат. Trebouxiophyceae) отдела Зелёные водоросли (лат. Chlorophyta). Порядок хлорелловые (лат. Chlorellales), род хлорелла (лат. Chlorella).

Хлорелла на коре дерева

Ареал хлореллы разнообразен. Она обитает практически повсеместно: на поверхности стоячих водоёмов летом, на стенках резервуаров с питьевой водой, во влажной почве, на камнях и коре деревьев у воды, в каплях дождя, в организмах животных и даже в кишечнике человека. Учёные считают, что именно от подобных хлорелле древних микроводорослей произошёл весь растительный мир планеты.

Своё название она получила благодаря насыщенному изумрудному цвету — по-гречески «хлор» означает «зелёный». Главный компонент хлореллы — хлорофилл, содержание которого в десять раз превышает таковое в спирулине, за что его нередко называют «зелёным золотом». Ещё одна уникальная особенность — способность интенсивно производить кислород. По питательной ценности хлорелла входит в десятку самых полезных продуктов на Земле, отличаясь исключительным богатством витаминами и микроэлементами. Культивируется в промышленных установках как пищевая и биотехнологическая биомасса.

Род Chlorella впервые описан в 1890 году голландским ботаником и микробиологом Мартинусом Бейеринком. Типовым видом рода стала Chlorella vulgaris.

Морфология и биология клетки

Хлорелла в культуре с многочисленными дочерними клетками

Клетки хлореллы одиночные, обычно сферические или слегка эллипсоидные, окружены гладкой оболочкой, в некоторых видах — слизистой капсулой. Размер клеток от 2 до 12 мкм в диаметре. Образуют колонии до 64 клеток. Хлоропласт в клетке цельный в виде глубокой чаши с одним пиреноидом или без него. Окружён крахмальными зёрнами. Ядро одно, без окраски невидимо. Клетки лишены жгутиков.

Размножение клеток бесполое автоспорами (внутриклеточное образование дочерних клеток). Автоспоры высвобождаются при разрушении клеточной стенки материнской клетки. Дочерняя клетка может оставаться прикреплённой к остаткам клеточной стенки материнской клетки и образовывать колонии со слизистыми оболочками. Размножение Chlorella vulgaris быстрое — клетки делятся каждые 18—24 часов.

Состав

Хлорелла относится к микроводорослям. Она активно производит биомассу, в состав которой входят необходимые для развития организма вещества: более 650 элементов, в том числе все витамины, множество минералов и высококачественный белок, превосходящий по качеству все растительные белки.

Хлорелла — один из самых богатых источников растительного белка. В ней содержится до 60 % белковых веществ, включая все незаменимые аминокислоты. Это делает её ценным питательным компонентом для растений. В воздушно-сухом веществе примерно следующее содержание ключевых аминокислот:

• глутаминовая кислота — 32 г/кг,
• аспарагиновая кислота — 26 г/кг,
• лейцин — 22 г/кг,
• аланин — 20 г/кг,
• валин — 18 г/кг,
• глицин — 17 г/кг,
• треонин — 14 г/кг.

В составе хлореллы присутствуют полиненасыщенные жирные кислоты, в первую очередь альфа-линоленовая (Омега-3), которые укрепляют корневую систему растений и повышают их устойчивость к стрессовым факторам.

Хлорелла богата витаминами и минералами. Среди витаминов выделяются группы B, C и E. Среди минералов — кальций, фосфор, магний, калий, железо, медь, цинк, сера, кобальт, марганец, цирконий, рубидий, йод и другие. Эти вещества активно участвуют в метаболизме растений и поддерживают их иммунные процессы. В сухом веществе концентрация некоторых витаминов достигает:

• каротина — 1340 мкг/г, т
• токоферола (витамин E) — 180 мкг/г,
• никотиновой кислоты — 140 мкг/г,
• рибофлавина (B2) — 7 мкг/г,
• пиридоксина (B6) — 5 мкг/г,
• тиамина (B1) — 4 мкг/г,
• витамина B12 — 8 мкг/100 г,
• витамина D — 100 мкг/100 г,
• витамина K — 6 мкг/100 г.

Кроме того, хлорелла содержит физиологически активные соединения: ауксины, фенольные вещества, стероиды, аналоги гиббереллинов и компоненты с цитокининовой активностью. Гиббереллины и ауксины регулируют рост растений, усиливая действие фитогормонов, а цитокинины ускоряют деление клеток.

Особенно высокое содержание хлорофилла (1—2 % сухой массы) делает хлореллу мощным природным стимулятором роста: он улучшает фотосинтез и повышает усвоение углекислого газа растениями.

Основные преимущества применения хлореллы

Хлорелла и спирулина в аптеке

Благодаря своему составу и свойствам хлорелла широко применяется в различных отраслях хозяйства. Это сельское хозяйство, пищевая и косметическая отрасли, здравоохранение, биоэнергетика, химическая промышленность и другие области производства. Кроме этого, хлорелла останавливает цветение воды в прудах и озёрах, препараты на её основе помогают восстанавливать почвы. Производство возобновляемого топлива из Chlorella vulgaris, по мнению специалистов, позволит решить многие экономические и технические вызовы, связанные с истощением запасов нефти.

Микроводоросли, особенно вид Chlorella vulgaris, в настоящее время играют ключевую роль в современных технологиях производства разнообразных продуктов и материалов. За последние десятилетия спектр их применения значительно расширился, и очевидно, что технологии на основе микроводорослей продолжат развиваться, открывая новые возможности.

Сельское хозяйство

Хлорелла проявляет себя как мощный биостимулятор роста растений. Она активно развивает корневую систему, увеличивает биомассу, ускоряет созревание культур на 7—10 дней и повышает урожайность на 15—25 % (особенно заметно на томатах и огурцах). В качестве органического удобрения хлорелла обогащает почву азотом, фосфором и калием, а её суспензия резко увеличивает количество полезных микроорганизмов — до 400 миллионов клеток на 1 грамм гумуса.

Благодаря высокому содержанию антиоксидантов и витаминов хлорелла повышает устойчивость растений к стрессам, таким как засуха или заморозки. Исследования показывают, что обработка суспензией снижает негативное влияние засухи на зерновые культуры на 10—15 %.

Хлорелла обладает выраженной фитосанитарной функцией. Она вырабатывает природный антибиотик хлореллин, который подавляет патогенные бактерии, грибы и нежелательные водоросли. Эксперименты подтверждают, что предпосевная обработка семян суспензией снижает поражение растений грибковыми инфекциями до 40 %.

В животноводстве суспензия хлореллы даёт ощутимый экономический эффект. Прибавление в весе у телят увеличивается на 10—30 %, удой коров — на 10—20 %, снижаются затраты на корм, укрепляется иммунитет животных и уменьшается необходимость в антибиотиках и химических добавках.

Борьба с эвтрофикацией водоёмов

Хлорелла эффективно применяется для борьбы с эвтрофикацией водоёмов — чрезмерным обогащением воды питательными веществами, приводящим к бурному росту водорослей. Как природный конкурент цианобактерий (сине-зелёных водорослей), которые вызывают токсичное «цветение» воды, хлорелла активно размножается и отбирает у них необходимые питательные элементы (азот, фосфор и другие).

В результате цианобактерии вытесняются из экосистемы, а их место занимают зелёные водоросли, включая саму хлореллу. Этот процесс полностью соответствует естественным законам конкуренции в природе: «вредные» сине-зелёные водоросли заменяются «безвредными» зелёными. В итоге «цветение» воды прекращается, токсины исчезают, а водоём постепенно очищается и восстанавливается.

Косметология и дерматология

Структура хлорофилла из хлореллы почти идентична человеческому гемоглобину. Доказано, что хлорелла очищает кровь, укрепляет иммунитет, выводит токсины, повышает уровень кислорода в крови и увеличивает продолжительность жизни фибробластов. По косметологической ценности она способна превзойти даже морские водоросли.

Широкое применение хлореллы в косметике обусловлено высоким содержанием протеинов, полного комплекса незаменимых аминокислот, углеводов, жиров (включая Омега-3 и Омега-6), витаминов и других биологически активных веществ. По количеству протеина она превосходит пивные дрожжи, сою и молоко.

Наличие всех десяти незаменимых аминокислот и биоактивной формы витамина B12 — редкость среди зелёных пресноводных микроводорослей — обеспечивают энергетическую подпитку кожи и благотворно влияют на эпидермис. В хлорелле содержится почти вся таблица Менделеева по микроэлементам.

Экстракт хлореллы богат аминокислотами и олигопептидами, благодаря чему обладает выраженным омолаживающим эффектом:

• стимулирует метаболизм коллагена,
• улучшает трофику дермы,
• уменьшает мелкие сосудистые дефекты,
• способствует образованию новых капилляров.

Кроме того, хлорелла ограничивает накопление липидов в адипоцитах, замедляет рост жировой ткани, тормозит превращение преадипоцитов и липогенез, нормализуя метаболизм в жировых клетках.

Пептиды хлореллы влияют на рецепторные, внутриклеточные и метаболические процессы. Многие короткие пептиды проявляют антиоксидантное и противовоспалительное действие, блокируя агрессивные кислородные радикалы и образование провоспалительных цитокинов.

Результаты использования хлореллы в косметических средствах впечатляют. Она нормализует обменные процессы, замедляет укорочение теломер (окислительное повреждение ДНК), препятствует мутациям генетического аппарата клетки, ускоряет заживление и регенерацию, питает кожу, придаёт ей упругость, выравнивает тон, уменьшает тёмные круги под глазами, укрепляет местный иммунитет кожи, устраняет сосудистые дефекты, выводит токсины и тяжёлые металлы, проявляет мощное антиоксидантное действие, успокаивает чувствительную и реактивную кожу, обладает противовоспалительной, бактерицидной и противогрибковой активностью, защищает от радиации и электромагнитного излучения.

Пищевая промышленность

Поскольку водоросли быстро размножаются и богаты белками и витаминами группы B, некоторые виды также изучаются как потенциальный продукт питания для людей как на Земле, так и в космосе. Хлорелла иногда используется в качестве веганской пищевой добавки.

Chlorella vulgaris служит ценным источником незаменимых омега-3 жирных кислот, в частности эйкозапентаеновой (EPA) и докозагексаеновой (DHA). Эти соединения находят применение в биотехнологиях как растительная альтернатива животным жирам. Докозагексаеновая кислота особенно важна для нормального развития головного мозга и сетчатки глаза у млекопитающих и позвоночных.

Переработанная в пасту или сублимированные кубики хлорелла используется как кормовая добавка для рыб.

В последнее время учёные активно исследуют полисахариды микроводорослей и их производные как перспективный новый источник пребиотиков для функциональных продуктов питания. Функциональные продукты — это специально разработанные ингредиенты (или их часть), которые оказывают целенаправленное положительное влияние на здоровье человека и применяются для профилактики различных заболеваний.

Микроводоросли, особенно культуры Chlorella vulgaris, считаются одним из наиболее многообещающих источников таких продуктов и профилактических препаратов благодаря высокому содержанию жирных кислот, олиго- и полисахаридов, разнообразных белков и веществ с антиоксидантной активностью.

Энергетика

Chlorella vulgaris считается перспективным сырьём для производства биодизеля благодаря высокому содержанию липидов и отличной продуктивности биомассы. Для преобразования её биомассы в энергию применяют термохимические методы: этерификацию, пиролиз и газификацию. Современные исследования сосредоточены на повышении выхода и качества получаемых продуктов — твёрдых (биоуголь), жидких (бионефть) и газообразных (синтез-газ).

Ещё один распространённый подход — переэтерификация липидов биомассы в алкиловые эфиры жирных кислот. В экстрактивной переэтерификации биодизель получают из предварительно извлечённого масла микроводорослей. Несмотря на самый высокий потенциал микроводорослей как альтернативного возобновляемого источника, ключевой проблемой остаётся снижение себестоимости производства биотоплива.

Химическая промышленность

Одним из перспективных направлений является производство биопластика из биомассы водорослей путём ферментативной обработки с последующей пластификацией. Высокое содержание углеводов в Chlorella sp. (свыше 60 % сухой массы) позволяет получать из неё биопластик на основе полимолочной кислоты. Кроме того, белки этой водоросли рассматриваются как альтернативное сырьё для создания биологически разлагаемых пластмасс.

Chlorella vulgaris способна эффективно поглощать неорганический фосфор, азот и углекислый газ из окружающей среды в процессе автотрофного метаболизма. Эта особенность применяется для очистки сточных вод от азота и фосфора, что препятствует размножению патогенных микроорганизмов. В частности, Chlorella vulgaris удаляет до 72 % азота и 28 % фосфора из вод с бытовыми отходами.

Ведутся разработки технологий биоремедиации промышленных загрязнений с использованием хлореллы: токсичных газов, тяжёлых металлов, нефтепродуктов и красителей в сточных водах. Создаются методы улавливания оксида азота и диоксида серы из дымовых газов. Эксперименты демонстрируют, что такие подходы позволяют предотвратить выброс в атмосферу около 70 % оксида азота и примерно 50 % диоксида серы.

Промышленное культивирование и технологии

Реактор для микроводорослей

Микроводоросли служат важным природным источником разнообразных биологически активных веществ, включая липиды, белки, углеводы, пигменты и другие соединения. Несмотря на широкий потенциал применения, промышленное культивирование ограничено лишь несколькими видами из-за несовершенства технологий выращивания. Для повышения биомассы и накопления ценных метаболитов применяются различные стратегии культивирования, которые условно делят на две основные группы: питательные и физические.

К питательным стратегиям относят изменения состава среды — например, ограничение азота или фосфора, а также замену источника углерода. Физические факторы включают варьирование условий эксплуатации и внешних параметров, таких как интенсивность света, солёность среды или воздействие электромагнитных полей. Применение электромагнитных полей считается одним из перспективных подходов, позволяющих улучшить качество пигментов и увеличить выход биомассы.

В последние годы наблюдается значительный рост коммерческого применения биомассы микроводорослей. В пищевой промышленности их используют для обогащения продуктов полезными веществами и улучшения органолептических характеристик — цвета, вкуса и текстуры. Примеры включают пасту, хлеб, майонез и желейные десерты.

Биомасса микроводорослей также активно применяется в аквакультуре и косметической отрасли, особенно для производства астаксантина.

В связи с этим актуальной задачей остаётся повышение выхода биомассы и ценных метаболитов при культивировании микроводорослей. Наиболее эффективным методом считается выращивание в фотобиореакторах. Оно обеспечивает высокую продуктивность и позволяет поддерживать чистые монокультуры без риска загрязнения.

При коммерческом производстве биомассы микроводорослей предпочтительно использовать культуры с высокой плотностью клеток, что позволяет существенно снизить затраты на последующую обработку и выделение продуктов. Одним из эффективных подходов является двухстадийное культивирование, при котором процесс делится на две последовательные фазы с разными условиями среды.

На первой стадии основное внимание уделяется росту численности клеток: обеспечиваются оптимальные условия для активного деления, что приводит к быстрому увеличению количества клеток при минимальном приросте их индивидуального размера и массы.

На второй стадии размножение клеток замедляется или прекращается, но происходит значительное накопление липидов и других ценных метаболитов внутри клеток, за счёт чего существенно возрастает их размер и общая биомасса культуры. Такая стратегия позволяет сначала максимизировать плотность популяции, а затем направленно повысить содержание целевых соединений, что в итоге повышает экономическую эффективность производства.

Ограничение поступления азота и фосфора в питательную среду, а также повышение её солёности — эффективный способ увеличить биомассу, содержание пигментов и липидов у хлорофитовых микроводорослей. Кроме того, правильный контроль интенсивности освещения и длительности фотопериода играет ключевую роль в активации метаболизма водорослей, что необходимо для накопления этих ценных соединений.

Применение физических стрессоров, таких как электромагнитные или электрические поля, для повышения продуктивности микроводорослей пока находится на начальной стадии изучения, и для оценки их реального эффекта в промышленных масштабах требуются дополнительные исследования. Двухэтапные стратегии культивирования выглядят многообещающими и в ближайшее время могут быть внедрены на коммерческом уровне, чтобы повысить урожайность и снизить затраты. В конечном итоге, глубокое понимание всех механизмов процесса позволит сделать эти технологии более эффективными и экономически выгодными, что повысит коммерческую привлекательность всей индустрии микроводорослей.

Ссылки

• Потенциал хлореллы как пищевой добавки для укрепления здоровья человека (англ.)
• Пищевая ценность хлореллы зависит от индивидуальной микрофлоры кишечника: рандомизированное контрольное исследование (англ.)
• Живые фотосинтезирующие микро-/наноплатформы: создание одноклеточных водорослей для биомедицинских целей (англ.)
• Хлорелла (Chlorella sp.): технологии культивирования, пищевая ценность и безопасность