Arthrospira — род свободно плавающих нитчатых цианобактерий , характеризующихся цилиндрическими многоклеточными трихомами в открытой левой спирали . Пищевая добавка производится из A. Platensis и A. maxima , известной как спирулина . [1] Виды A. maxima и A. Platensis когда-то были отнесены к роду Spirulina . Хотя введение двух отдельных родов Arthrospira и Spirulina в настоящее время общепринято, в прошлом было много споров, и возникшая в результате таксономическая путаница огромна. [2]
Общее название спирулина относится к высушенной биомассе Arthrospira Platensis , [3] которая принадлежит к оксигенным фотосинтезирующим бактериям, охватывающим группы Cyanobacteria и Prochromales. Эти фотосинтезирующие организмы сначала считались водорослями, очень большой и разнообразной группой эукариотических организмов, до 1962 года, когда они были переклассифицированы в прокариоты и названы цианобактериями. [4] Это обозначение было принято и опубликовано в 1974 году в « Руководстве Берджи по детерминативной бактериологии» . [5] С научной точки зрения существует большое различие между родами Spirulina и Arthrospira . Стизенбергер в 1852 году дал название Arthrospira на основании наличия перегородок, ее спиральной формы и многоклеточной структуры, а Гомонт в 1892 году подтвердил асептатную форму рода Spirulina . Гейтлер в 1932 году воссоединил обоих участников, назвав их Спирулиной , не принимая во внимание перегородку. [6] Исследования микроводорослей проводились под названием Spirulina , но исходный вид, использованный для производства пищевой добавки спирулины, принадлежит к роду Arthrospira . Это неправильное название было трудно исправить. [5] В настоящее время систематика утверждает, что название «спирулина» для штаммов, которые используются в качестве пищевых добавок, неуместно, и существует соглашение, что Arthrospira представляет собой отдельный род, состоящий из более чем 30 различных видов, включая A. Platensis и A. maxima . [7]
Род Arthrospira включает спиральные трихомы разного размера и с различной степенью извитости, от плотноскрученной до прямой формы. [1]
Спиральные параметры формы Arthrospira используются для дифференциации между одним и тем же видом и даже внутри него. [8] [9] Эти различия могут быть вызваны изменением условий окружающей среды, таких как температура. [10] Спиральная форма трихом сохраняется только в жидкой среде. [11] Нити одиночные и размножаются бинарным делением , а длина клеток трихом варьируется от 2 до 12 мкм, а иногда может достигать 16 мкм.
Arthrospira очень богата белками [1] [11] и составляет от 53 до 68 процентов сухого веса содержимого клетки. [12] Его белок содержит все незаменимые аминокислоты . [11] Arthrospira также содержит большое количество полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), около 1,5–2 процентов, и общее содержание липидов 5–6 процентов. [11] Эти ПНЖК содержат γ-линоленовую кислоту (ГЛК), жирную кислоту омега-6 . [13] Дополнительный состав Arthrospira включает витамины, минералы и фотосинтетические пигменты . [11]
Виды рода Arthrospira выделены из щелочных, солоноватых и соленых вод тропических и субтропических регионов. Среди различных видов, входящих в этот род, A. Platensis имеет наиболее широкое распространение и встречается в основном в Африке, но также и в Азии. Считается, что A. maxima встречается в Калифорнии и Мексике. [6] A. Platensis и A. maxima встречаются в природе в тропических и субтропических озерах со щелочным pH и высокими концентрациями карбонатов и бикарбонатов . [11] A. Platensis встречается в Африке, Азии и Южной Америке, тогда как A. maxima встречается только в Центральной Америке. A. pacifica является эндемиком Гавайских островов. [14] Большую часть культивируемой спирулины производят в прудах с открытым каналом , где для перемешивания воды используются лопастные колеса. [11] Крупнейшие коммерческие производители спирулины расположены в США, Таиланде, Индии, Тайване, Китае, Пакистане, Мьянме, Греции и Чили. [14]
Спирулина широко известна как пищевая добавка , но есть и другие возможности использования этой цианобактерии. Например, его предлагается использовать в медицинских целях для пациентов, которым трудно жевать или глотать пищу, или в качестве естественной и дешевой системы доставки лекарств. [15] Кроме того, были обнаружены многообещающие результаты в лечении некоторых видов рака, аллергий и анемии, а также гепатотоксичности и сосудистых заболеваний. [16] Спирулину также можно использовать в качестве полезной добавки к кормам для животных [17] , если можно будет еще больше снизить цену на ее производство. Спирулину можно использовать в технических целях, таких как биосинтез наночастиц серебра , что позволяет образовывать металлическое серебро экологически чистым способом. [18] При создании текстиля он имеет некоторые преимущества, поскольку может быть использован для производства антимикробных тканей [19] , а также бумаги или полимерных материалов. [19] Они также могут оказывать антиоксидантное действие [20] и могут поддерживать экологический баланс в водных объектах и снижать различные стрессы в водной среде. [21]
Рост A. Platensis зависит от нескольких факторов. Для достижения максимальной производительности необходимо скорректировать такие факторы, как температура, свет и фотоингибирование , питательные вещества и уровень углекислого газа. Летом основным лимитирующим фактором роста спирулины является свет. При выращивании на глубине воды 12–15 см самозатенение определяет рост отдельной клетки. Однако исследования показали, что рост также тормозится фото, и его можно ускорить за счет затенения. [22] Уровень фотоингибирования по сравнению с недостатком света всегда зависит от концентрации клеток в среде. Оптимальная температура роста A. Platensis составляет 35–38 °С. Это является основным ограничивающим фактором за пределами тропиков, ограничивая рост летними месяцами. [23] A. Platensis выращивали в пресной, а также в солоноватой и морской воде. [24] Помимо минеральных удобрений, в качестве источника питательных веществ использовались различные источники, такие как сточные воды и сточные воды предприятий по производству удобрений, крахмала и лапши. [14] Сточные воды более доступны в сельской местности, что позволяет осуществлять мелкомасштабное производство. [25] Одним из основных препятствий для крупномасштабного производства является сложный процесс сбора урожая, на который приходится 20–30% общих производственных затрат. Из-за небольшого размера клеток и разбавленных культур (массовая концентрация менее 1 г/л) с плотностью, близкой к плотности водных микроводорослей, их трудно отделить от питательной среды. [26]
Системы открытых прудов являются наиболее распространенным способом выращивания A. Platensis из-за их сравнительно низкой стоимости. Обычно каналы строятся в виде желобов из бетонных или земляных стен с ПВХ-покрытием, а вода перемещается лопастными колесами. Однако открытая конструкция допускает загрязнение посторонними водорослями и/или микроорганизмами. [14] Другая проблема включает потерю воды из-за испарения. Обе эти проблемы можно решить, накрыв каналы прозрачной полиэтиленовой пленкой. [5]
Преимущество закрытых систем заключается в возможности контролировать физическую, химическую и биологическую среду. Это позволяет повысить урожайность и лучше контролировать уровень питательных веществ. Типичные формы, такие как трубки или полиэтиленовые пакеты, также предлагают большее соотношение поверхности к объему, чем системы открытых прудов, [27] , тем самым увеличивая количество солнечного света, доступного для фотосинтеза. Эти закрытые системы помогают продлить период выращивания на зимние месяцы, но часто приводят к перегреву летом. [28]
Культивирование Arthrospira происходит в течение длительного периода времени, [ неясно ], особенно в Мексике и вокруг озера Чад на африканском континенте. Однако в 21 веке его полезные свойства были заново открыты, и поэтому исследования Arthrospira и ее производства увеличились. [11] В последние десятилетия развилось крупномасштабное производство цианобактерий. [29] Япония начала свою деятельность в 1960 году, а в последующие годы Мексика и ряд других стран на всех континентах, таких как Китай, Индия, Таиланд, Мьянма и США, начали крупномасштабное производство. [11] За короткое время Китай стал крупнейшим производителем в мире. [29] Особым преимуществом производства и использования спирулины является то, что ее производство может осуществляться в различных масштабах: от домашнего выращивания до интенсивного коммерческого производства на больших площадях.
Arthrospira , особенно будучи мелкомасштабной культурой, по-прежнему имеет значительный потенциал для развития, например, для улучшения питания. [30] Новым странам, где это может произойти, следует избавляться от богатых щелочью прудов на больших высотах или от богатых соленой и щелочной водой подземных вод или прибрежных территорий с высокой температурой. [11] В остальном, технические затраты, необходимые для новых ферм по выращиванию спирулины, довольно просты. [30]
Международный рынок спирулины разделен на две целевые группы: в одну входят неправительственные организации и учреждения, занимающиеся проблемами неполноценного питания, а в другую входят люди, заботящиеся о своем здоровье. Есть еще некоторые страны, особенно в Африке, которые производят продукцию на местном уровне. Они могли бы ответить на международный спрос за счет увеличения производства и экономии за счет масштаба . Выращивание этого продукта в Африке может дать преимущество в цене из-за низкой стоимости рабочей силы. С другой стороны, африканским странам придется превосходить стандарты качества стран-импортеров, что снова может привести к более высоким затратам. [30]