Dane taksony
Termin mikroalgi , czasami nazywane mikrofitami , odnosi się do mikroskopijnych alg .
Mikroalgi są spożywane od tysięcy lat na całym świecie. Na przykład znaleziono ślady spożycia różnych gatunków mikroalg w Meksyku w czasach Azteków. Europa i kraje uprzemysłowione wykorzystują mikroalgi jako suplementy żywnościowe w walce z niedożywieniem oraz w akwakulturze .
Uprawiane są w środowisku zewnętrznym, na torach wyścigowych lub w środowisku zamkniętym, w fotobioreaktorach .
Jednokomórkowe lub niezróżnicowane wielokomórkowe, są to ogólnie eukariotyczne lub prokariotyczne mikroorganizmy fotosyntetyczne .
Żyjąc w silnie wodnych środowiskach, mogą mieć ruchliwość wici . Kolonizują wszystkie biotopy wystawione na działanie światła. Ich hodowlę monoklonalną prowadzi się w fotobioreaktorach lub fermentorach przemysłowych. Jednak zdecydowana większość mikroalg jest w stanie żywić się nocą dzięki osmotrofii i dlatego w rzeczywistości są miksotroficzne .
Odgrywają one ważną rolę w obiegu węgla, a bardziej ogólnie w cyklach biogeochemicznych jezior i oceanów .
Wrażliwość niektórych mikroalg na niektóre zanieczyszczenia ( na przykład miedź , węglowodory) może dać im wartość bioindykatora .
Niektóre są ważne w zjawiskach bioakumulacji i biokoncentracji w sieci pokarmowej .
Mikroalgi eukariotyczne są bardzo zróżnicowane:
Mikroalgi prokariotyczne obejmują wszystkie sinice (dawniej nazywane „niebieskimi algami”).
Staramy się zrozumieć (za pomocą fotobiologii ) jak zwiększyć produkcję wodoru przez mikroalgi. Hodując je w pożywce ubogiej w siarkę (warunki łatwe do uzyskania w laboratorium) lub w fosfor, powstaje wodór, który można wykorzystać np. do zasilania wodorowych ogniw paliwowych.
Jednak produkcja na dużą skalę stanowi problem: w reaktorach biologicznych szybko się rozmnażają i stają się zbyt liczne, kultura staje się nieprzezroczysta, pozwalając tylko zewnętrznej warstwie otrzymać wystarczającą ilość światła do przeprowadzenia fotosyntezy. Wystawienie uprawy na dużo światła wymaga dużej powierzchni lub skomplikowanych i kosztownych instalacji. Kolejnym wyzwaniem jest opłacalne pozyskiwanie wodoru.
Istnieje ogromna różnorodność mikroalg, rozmieszczonych na całej powierzchni globu, o zróżnicowanym metabolizmie i przystosowaniach, co może sprawić, że będą one w przyszłości źródłem odnawialnej, czystej i bezpiecznej energii .
Obecnie rynkiem rządzą tzw. biopaliwa pierwszej generacji powstałe w wyniku uprawy soi, palmy lub kukurydzy oraz innych zbóż (biodiesel i bioetanol). Ich sposób uprawy i wpływ na wzrost cen zbóż, a także zagrożenie dla bioróżnorodności skłoniły Unię Europejską do zaangażowania się w rozwój biopaliw drugiej i trzeciej generacji. Druga generacja opiera się na wykorzystaniu biomasy lignocelulozowej niewykorzystywanej do produkcji rolno-spożywczej (liście, kora, słoma itp.) oraz biomasy z uprawy roślin bardzo produktywnych i mało wymagających ( bambusy ...). Jednak prawdziwa innowacja pochodzi głównie z trzeciej generacji biopaliw.
Badania opierają się na mikroglonach fitoplanktonu , w szczególności na zbiorze 300 gatunków wyselekcjonowanych ze względu na ich bogactwo lipidów, w tym wielu grup, takich jak Chlorophyceae ( Chlorella , Dunaliella , Parietochloris Incisa ), Cyanophyceae ( Spirulina ), Okrzemki ( Amphora sp., Nitzchia). sp., Chaetoceros sp.) Lub Chrysophyceae. Gatunki te uważane są za organizmy niezwykle wydajne (więcej niż rośliny lądowe), szybko rosnące (podwojenie biomasy w ciągu jednego dnia) i bogate w ropę (element będący przedmiotem zainteresowania). Cała ta praca jest obecnie swobodnie publikowana na stronie internetowej Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL, 1998) i stanowi dokument referencyjny.
Ze względu na niewielkie rozmiary (0,4 mm ) i czas odtwarzania (około 3,5 h) mają zdecydowaną przewagę nad poprzednimi generacjami biopaliw (Greg Mitchell z Scripps Institute of Oceanography, University of California, San Diego (UCSD) amerykański Exxon Mobil (gigant naftowy) produktywność alg może osiągnąć 7580 litrów ropy na akr, znacznie wyprzedzając obecne biopaliwa.
Mikroalgi euglena są namacalnym przykładem źródła biopaliwa na bazie mikroalg. Rzeczywiście, w 2015 r. japońska firma Euglena (firma) dostarcza codziennie autobus na biopaliwo, składający się z 1% eugleny . Firma zamierza również opracować biopaliwo do samolotów i ogłosiła, że chce wykorzystać je na Letnich Igrzyskach Olimpijskich 2020 , ale żaden samolot nie latał jeszcze z biopaliwem produkowanym przez firmę.
W 1960 roku badacze Oswald i Golueke zaproponowali zastosowanie mikroalg w oczyszczaniu ścieków poprzez konwersję biomasy w biogaz (metan) w procesie fermentacji . Zasada ta umożliwiła biologiczną remediację i odzyskiwanie biomasy z kilku jezior, które uległy eutrofizacji. Szczególnie w jeziorze Salton Sea w Kalifornii, to ostatnie cierpi z powodu zrzutów z różnych gałęzi przemysłu chemicznego, z uwolnieniem tysięcy ton azotu, potasu, a nawet fosforanów. Pomysł polegał na uprawie mikroalg zdolnych do wychwytywania nieorganicznych składników odżywczych odprowadzanych przez przemysł na poziomie różnych dopływów jeziora, w celu oczyszczenia populacji lokalnych mikroglonów w jeziorze. Powstała biomasa jest następnie przetwarzana na biopaliwo lub biogaz.
Większość badań nad mikroalg jest skierowany do produkcji 3 -ciej generacji biopaliw .
Aktualne badania pokazują, że aby być konkurencyjnym w stosunku do paliw kopalnych, konieczne byłoby uzyskanie trzykrotnie wyższej wydajności produkcyjnej niż obecnie. W tym celu firmy są coraz bardziej zainteresowane modyfikacją szczepów mikroalg, aby na przykład poprawić wydajność fotosyntezy i zdolność do przechowywania lipidów .
Podczas gdy przez wieki człowiek dostosowywał gatunki hodowane na ziemi przez sztuczną selekcję, aby uzyskać lepsze plony, mikroalgi są nadal praktycznie nietknięte przez ludzkie modyfikacje. Dzieje się tak, ponieważ zainteresowanie tymi mikroorganizmami jest znacznie nowsze. Istnieje zatem ogromny potencjał poprawy wydajności produkcji cząsteczek będących przedmiotem zainteresowania w tych mikroglonach, które można szybko wykorzystać poprzez modyfikację genetyczną.
Dlatego badania skupiają się na sekrecji polisacharydów , cząsteczek antyoksydantów , wysoce nienasyconych lipidów, a nawet zwiększeniu ich stężenia w komórkach za pomocą technik transgenezy . Cząsteczki te cieszą się dużym zainteresowaniem biotechnologicznym w przemyśle kosmetycznym , farmaceutycznym czy energetycznym.
Jednak ograniczenia ograniczają hodowlę genetycznie zmodyfikowanych mikroalg: rzeczywiście istnieje ryzyko rozprzestrzeniania się zmodyfikowanego szczepu w środowisku. Jeśli przeprowadzone modyfikacje dają szczepowi przewagę ewolucyjną , ten ostatni może zyskać przewagę nad innymi, przenieść zintegrowany gen na inne gatunki, stworzyć zakwity i zakłócić bioróżnorodność .
Należy wziąć pod uwagę to ryzyko rozpowszechniania w naturze i wprowadzić protokoły, które mają się z tym uporać. W tym celu preferowane są kultury w zamkniętych fotobioreaktorach i zostały już zgłoszone patenty na zespół genów samobójczych, aktywowanych, gdy komórka znajdzie się w naturalnym środowisku.
Wreszcie, GMO są bardzo kontrowersyjne we Francji, większość ankietowanych osób zadeklarowała, że jest wobec nich podejrzliwa, co może zaszkodzić opłacalności produktu wytworzonego z genetycznie zmodyfikowanych mikroalg.
Mikroalgi mogą być wykorzystywane do produkcji białek rekombinowanych, cenionych w wielu dziedzinach, takich jak przemysł farmaceutyczny, nutraceutyczny, kosmetyczny i zdrowotny. Syntezę białek rekombinowanych można przeprowadzić przez modyfikację genomu jądrowego lub chloroplastowego w zależności od pożądanego typu białka.
Wykorzystanie genomu jądrowego umożliwia dostęp do całej maszynerii eukariotycznej. Umożliwia to ekspresję transgenów w sposób indukowany, fałdowanie złożonych białek, a także modyfikacje potranslacyjne, takie jak glikozylacja lub tworzenie wiązań dwusiarczkowych, niezbędnych dla aktywności biologicznej niektórych białek eukariotycznych.
Odwrotnie, chloroplasty umożliwiają dostęp do prokariotycznej maszynerii ekspresyjnej, która obejmuje rybosomy i prokariotyczne czynniki translacji. Jednak w przeciwieństwie do bakterii, chloroplasty zawierają szereg białek opiekuńczych i izomeraz, które biorą udział w fałdowaniu złożonych białek w układzie fotosyntezy. To środowisko biochemiczne pozwala na ekspresję interesującej i potencjalnie wartościowej klasy białek terapeutycznych, takich jak immunotoksyny (zastosowanie przeciwnowotworowe i przeciwwirusowe), których nie można łatwo wyrazić w tradycyjnych systemach ekspresyjnych. Rzeczywiście, w eukariotycznym systemie ekspresyjnym, takim jak drożdże i linie komórkowe ssaków, zsyntetyzowane toksyny celują w maszynerię translacji białek i dlatego hamują proliferację komórek gospodarza. Produkcja immunotoksyn pokazuje unikalne zastosowanie systemu chloroplastów, ponieważ żaden inny system produkcyjny nie jest obecnie zdolny do ekspresji tego typu białka chimerycznego.
Z drugiej strony, systemy prokariotyczne, takie jak Escherichia coli , nie pozwalają na prawidłowe fałdowanie złożonych białek, takich jak przeciwciała, co implikuje użycie drogich systemów ex-vivo w celu uzyskania odpowiedniej trójwymiarowej struktury w celu uzyskania białek aktywnych biologicznie.
Laboratoria: