Κεφάλαιο 6: Καλλιέργεια φυκών

Σπύρος Γκέλης

Υδατ

οκαλ

λιέρ

γειε

ς |

Καλλ

ιέργ

εια

Φυκ

ών

2 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

Καλλιέργεια φυκών Σύνοψη Η καλλιέργεια των φυκών παρουσιάζει ολοένα αυξανόμενη ανάπτυξη όχι μόνο λόγω της ζήτησης των καλλιεργούμενων ειδών για την ανθρώπινη διατροφή και την παρασκευή φαρμακευτικών ουσιών και συμπληρωμάτων, αλλά και λόγω νέων εφαρμογών όπως τα βιοκαύσιμα. Στο κεφάλαιο αυτό, αφού γίνει μια ιστορική αναδρομή της χρήσης των φυκών, παρουσιάζονται ορισμένα θεμελιώδη στοιχεία της βιολογίας των φυκών σχετικά με το μεταβολισμό, την αναπαραγωγή και την αύξηση. Ακολουθεί παρουσίαση των βασικών τύπων καλλιέργειας και δίνονται πληροφορίες για σύγχρονες προσεγγίσεις όπως η μηχανική μεταβολισμού και η γενετική μηχανική. Τέλος, δίνονται παραδείγματα εμπορικών καλλιεργειών στα μακροφύκη και τα μικροφύκη, με στοιχεία της παγκόσμιας παραγωγής και των προϊόντων τους.

Προαπαιτούμενη γνώση Βασικές γνώσεις μορφολογίας, ταξινόμησης και βιολογίας φυκών, μικροβιολογίας, φυσιολογίας φυτών και αρχών υδατοκαλλιέργειας (Κεφάλαιο 1 του παρόντος).

1.Εισαγωγή

Τα φύκη συνιστούν μια μεγάλη και εξαιρετικά ετερογενή ομάδα οργανισμών με τεράστιες μεταξύ τους διαφορές σε επίπεδο κυτταρικής δομής, μορφολογίας, φυσιολογίας και φυλογένεσης. Τα φύκη1ορίζονται ως «θαλλόφυτα (φυτά χωρίς ρίζες, βλαστούς και φύλλα) που έχουν ως κύρια φωτοσυνθετική χρωστική τη χλωροφύλλη α και τα αναπαραγωγικά τους κύτταρα δεν περιβάλλονται από άγονα επικαλυπτικά κύτταρα». Στα φύκη συμπεριλαμβάνονται οργανισμοί που δεν εμπίπτουν αυστηρά σε αυτόν τον ορισμό, όπως π.χ. τα κυανοβακτήρια που φυλογενετικά είναι πιο κοντά στα βακτήρια απ’ ότι στα υπόλοιπα φύκη. Κατά συνέπεια, τα φύκη οριοθετούνται κυρίως μέσω των οικολογικών και φυσιολογικών χαρακτηριστικών τους. Το βασικό ενδιαίτημα των φυκών είναι τα υδάτινα συστήματα κάθε είδους, λίμνες, ποτάμια, παράκτιες περιοχές και ωκεανοί, στα οποία ζουν είτε ως επιπλέοντες ή κολυμβητικοί οργανισμοί που αποτελούν το φυτοπλαγκτό ή ως βενθικοί οργανισμοί προσκολλημένοι στον θαλάσσιο πυθμένα, σε βράχους ή σε άλλα υποστρώματα αβαθών υδάτων, συν-αποτελώντας το περίφυτο. Η μορφολογία των φυκών είναι επίσης ποικίλη, από τα μικροσκοπικά μονήρη κύτταρα μέχρι τα γιγάντια θαλάσσια μακροφύκη. Πολλά μονοκύτταρα είδη εμφανίζονται ως κοκκοειδή φύκη που έχουν τη μορφή μικρών σφαιρών. Άλλα είδη φυκών σχηματίζουν αποικίες δύο έως χιλιάδες κυττάρων που διευθετούνται χαλαρά ή με ένα πιο αυστηρό και γενετικά καθορισμένο τρόπο όπως τα κοινόβια. Ένας κοινός μορφότυπος είναι το νήμα, γραμμική σειρά κυττάρων ενωμένων από άκρου εις άκρον που μπορεί να συντίθεται από μία, δύο ή περισσότερες σειρές κυττάρων. Στα μακροφύκη, οι θαλλοί είναι κατά κανόνα κοινοκυτικοί (ένα πολύ μεγάλο πολυπύρηνο κύτταρο) ή παρεγχυματώδεις (τρισδιάστατες σειρές κυττάρων) ή ψευδοπαρεγχυματώδεις (φαίνεται να συντίθενται από ιστό, αλλά κατά βάση είναι νηματοειδείς). Τα φύκη αναπαράγονται αγενώς με μιτωτικές διαιρέσεις των βλαστητικών τους κυττάρων από τα οποία προκύπτουν δύο θυγατρικά κύτταρα, ή εγγενώς με σπόρια. Τα σπόρια δημιουργούνται από βλαστητικά κύτταρα με μιτωτικές διαιρέσεις και διακρίνονται στα πλανοσπόρια (κύτταρα με μαστίγια) και στα απλανοσπόρια (κύτταρα χωρίς μαστίγια). Τα σπόρια ακολούθως βλαστάνουν και δίνουν πανομοιότυπα με το μητρικό φύκος κύτταρα. Αρκετά φύκη αναπαράγονται εγγενώς (ή και εγγενώς) με τη σύντηξη δύο απλοειδών γαμετών σε ζυγώτη. Η εγγενής αναπαραγωγή των φυκών ποικίλλει σημαντικά στις διαφορετικές

1Ο όρος «άλγες» ή «άλγη» (από το λατινικό algae και το αρχαίο ελληνικό άλγος=πόνος) έχει λανθασμένα χρησιμοποιηθεί, και χρησιμοποιείται ακόμη μερικές φορές, για τα φύκη.

3 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

ομάδες και συνοδεύεται από πληθώρα μορφολογικών διαφοροποιήσεων στις επιμέρους φάσεις του κύκλου ζωής (απλοειδής, διπλοειδής). Τα φύκη διακρίνονται σε δύο μεγάλες ομάδες σύμφωνα με το μέγεθός τους: (α) στα μικροφύκη, που δεν είναι ορατά δια γυμνού οφθαλμού και έχουν μέγεθος από 0,2 μm (πικοπλαγκτό) έως πάνω από 200 μm που απαντούν σε ορισμένες αποικιακές μορφές κυανοβακτηρίων και (β) στα μακροφύκη, των οποίων το μέγεθος (κυρίως το μήκος) κυμαίνεται από λίγα χιλιοστά έως μερικές δεκάδες μέτρα, όπως οι γιγάντιες κέλπιες που φτάνουν τα 60m. Οι βασικότερες ομάδες μικροφυκών είναι τα Κυανοβακτήρια (Cyanobacteria ή Cyanophyta), τα Χλωροφύκη (Chlorophyta), τα φωτοσυνθετικά Σταχυομαστιγωτά (Stramenopiles) [με κύριες υποδιαιρέσεις τα Χρυσοφύκη (Chrysophyceae), τα Διάτομα (Bacillariophyceae), τα Ευστιγματοφύκη (Eustigmatophyceae) και τα Ραφιδοφύκη (Raphidophyceae)], τα Απτόφυτα (Haptophyta ή Prymnesiophyceae), τα Κρυπτοφύκη (Cryptophyceae) και τα Δινοφύκη (Dinophyta). Αντίστοιχα, οι βασικότερες ομάδες μακροφυκών είναι τα Χλωροφύκη (Chlorophyta), τα Ροδοφύκη (Rhodophyta) και τα Φαιοφύκη (Phaeophyta), τα οποία ανήκουν επίσης στη μεγάλη υπερομάδα των φωτοσυνθετικών σταχυομαστιγωτών.

2. Ιστορική αναδρομή-Εμπορικές χρήσεις

Υπάρχουν πολλές ιστορικές αναφορές χρήσης φυκών στην ανθρώπινη διατροφή, οι παλαιότερες των οποίων τοποθετούν τη χρήση των φυκών περί το 2700 π.Χ. στην Κίνα. Στην Αφρική, για αιώνες, τοπικοί πληθυσμοί στη Λίμνη Chad συνέλεγαν και χρησιμοποιούσαν σαν καθημερινή τροφή το κυανοβακτήριο σπιρουλίνα (Arthrospira), γνωστό στην τοπική διάλεκτο ως “dihé”. Οι γυναίκες της φυλής Kanembu ακόμη συλλέγουν σε καθημερινή βάση την επιπλέουσα βιομάζα2 των κυανοβακτηρίων στη Λίμνη Kossorom, στο βορειανατολικό άκρο της Λίμνης Chad. Η βιομάζα αποξηραίνεται στον ήλιο και χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παρασκευή πιάτων όπως σάλτσες λαχανικών και ζωμοί κρέατος. Οι Αζτέκοι χρησιμοποιούσαν τον 13ο αιώνα μ.Χ., στην άλλη άκρη του Ατλαντικού Ωκεανού, κυανοβακτήρια του ίδιου γένους που συνέλεγαν από τη λίμνη Texcoco στο Μεξικό. Ισπανοί ιστορικοί περιγράφουν ψαράδες να συλλέγουν τη βιομάζα των κυανοβακτηρίων από τις λίμνες και να τη χρησιμοποιούν για την παρασκευή ενός είδους πίτας, γνωστή ως “tecuitlatl” (Εικόνα 6.1). Άλλες ιστορικές πηγές αναφέρονται στις συναλλαγές Ινδιάνων της νότιας Αμερικής με κατοίκους παράκτιων περιοχών. Οι Ινδιάνοι πλήρωναν με χρυσό τα μακροφύκη καθώς τα χρησιμοποιούσαν για ιαματικούς σκοπούς, κυρίως για την αντιμετώπιση ασθενειών του θυρεοειδούς αδένα3. Στην Ασία, πολλά φύκη και κυανοβακτήρια χρησιμοποιούνται ευρέως ως μέρος της διατροφής των ανθρώπων. Το νηματοειδές κυανοβακτήριο Nostoc commune αναπτύσσεται με τη μορφή μεγάλων ζελατινοειδών σωρών και καταναλώνεται ωμό, ξηρό, μαγειρεμένο στον ατμό ή μέσα σε σούπες. Το μαύρο λαχανικό, γνωστό ως “facai”, που μοιάζει με μαλλιά και σερβίρεται στην Κίνα σε διάφορες γιορτές, είναι αποξηραμένα νήματα του κυανοβακτηρίου Nostoc flagelliforme. Αυτό το χερσαίο κυανοβακτήριο μεγαλώνει πολύ αργά με τη μορφή βιομεμβράνης (mat) που προσκολλάται στο έδαφος έρημων στεπών της βόρειας και βορειοδυτικής Κίνας. Η εκτεταμένη συγκομιδή του N. flagelliforme οδήγησε σε διάβρωση του εδάφους και στα τέλη της δεκαετίας του 1990 απαγορεύτηκε

2Τα κυανοβακτήρια (αλλά και άλλα μικροφύκη) κάτω από ευνοϊκές συνθήκες μπορεί να σχηματίσουν πληθυσμιακές εκρήξεις, που είναι γνωστές ως «επιπολασμοί» (blooms). Πολύ συχνά, η βιομάζα που σχηματίζεται ανέρχεται στην επιφάνεια των λιμνών όπου με τον άνεμο ή άλλες μηχανικές επιδράσεις μπορεί να συγκεντρωθεί σε μια πηχτή πράσινη μάζα που ονομάζεται «κυανοβακτηριακή κρούστα» (cyanobacterial scum). Αυτή την κρούστα συνέλλεγαν τόσο στο παρελθόν όσο και σήμερα διάφοροι τοπικοί πληθυσμοί για την παρασκευή τροφής. 3Είναι γνωστό ότι το ιώδιο που εμπλέκεται άμεσα στη λειτουργία του θυρεοειδούς αδένα στα θηλαστικά, απαντά σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις (έως και 1.500 ppm) στη βιομάζα ορισμένων μακροφυκών.

4 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

από την πολιτεία η συγκομιδή του. Αυτό με τη σειρά του είχε ως αποτέλεσμα να πλημμυρίσει η αγορά του Hong-Kong με ένα μη γνήσιο αντίστοιχο προϊόν. Το είδος N. punctiforme χρησιμοποιείται παραδοσιακά στην ανθρώπινη διατροφή στην Κίνα, τη Μογγολία και τη νότια Αμερική. Οι σφαιροειδείς αποικίες αυτού του χερσαίου κυανοβακτηρίου είναι γνωστές στους τοπικούς πληθυσμούς ως “lakeplum” (δαμάσκηνο της λίμνης) και επίσης μπορεί να τις βρει κανείς σε αγορές της νότιας Αμερικής. Το αποικιακό κυανοβακτήριο Aphanothece sacrum είναι ένα άλλο εδώδιμο είδος που καταναλώνεται στην Ιαπωνία και θεωρείται λιχουδιά με το όνομα “suizenji-nori”. Ορισμένα νηματοειδή χλωροφύκη (όπως τα Spirogyra και Oedogonium) χρησιμοποιούνται ως μέρος της ανθρώπινης διατροφής στη Μπούρμα, την Ταϋλάνδη, το Βιετνάμ και την Ινδία.

Εικόνα 6.1 A, Αζτέκοι συλλέγουν κυανοβακτήρια από λίμνες της Κοιλάδας του Μεξικού (κεντρικό Μεξικό) (σκίτσο του PeterT. Furst, HumanNature 1978)· B, Γυναίκα στη Λίμνη Suru (Dum Dum) του Chad τοποθετεί για ξήρανση βιομάζα του κυανοβακτηρίου σπιρουλίνα (Arthrospira), που έχει συλλέξει από τη λίμνη, σε αυτοσχέδιους αβαθείς αμμώδεις λάκκους. Αφού ξηρανθεί στον ήλιο, η βιομάζα κόβεται σε τετράγωνα κομμάτια και αποτελεί το γνωστό στην τοπική διάλεκτο “dihé”. Από ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/y5118e/y5118e09c.pdf

Το ουσιαστικό πέρασμα από τη χρήση στη συστηματική καλλιέργεια των φυκών έγινε μετά την ανακάλυψη χρήσιμων ουσιών στη βιομάζα συγκεκριμένων ειδών, κυρίως μακροφυκών. Η διεύρυνση των γνώσεων για τις φυσικοχημικές και βιοδραστικές ιδιότητες αρχικά του ιωδίου και στη συνέχεια των φυκοκολλοειδών (άγαρ, αγαρόζη, αλγινικά άλατα), που παράγονται από μια ομάδα μακροφυκών, σε συνδυασμό με τις εφαρμογές των ουσιών αυτών στον δευτερογενή τομέα (μεταποίηση) συνέβαλε στην κατακόρυφη αύξηση του εμπορικού ενδιαφέροντος για αυτές τις ουσίες, γεγονός που είχε ως άμεσο αποτέλεσμα τη βελτίωση των μεθόδων καλλιέργειας και την ανάπτυξη νέων τεχνικών. Η εξέλιξη αυτή εκδηλώθηκε στις αρχές της

5 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

δεκαετίας του 1940 και συνεχίζεται αυξανόμενη έως σήμερα. Καθοριστικό ρόλο στην πυροδότηση των καλλιεργειών, κυρίως των θαλάσσιων μακροφυκών, από όπου και ξεκίνησαν, έπαιξε μια ανακάλυψη της Βρετανίδας φυκολόγου Kathleen Drew Baker σχετικά με τον κύκλο ζωής ενός πολύ δημοφιλούς φύκους στην Ιαπωνία, του nori (ροδοφύκος του γένους Porphyra), το οποίο χρησιμοποιείται για την παρασκευή σούσι (sushi) (βλέπε Ενότητα 8.1). Η πρακτική εφαρμογή των αποτελεσμάτων αυτής της ανακάλυψης, σε συνδυασμό και με την προσθήκη ολοένα και περισσότερων ειδών στον κατάλογο των εμπορικά καλλιεργούμενων φυκών, συνέβαλλε στον διπλασιασμό της ετήσιας θαλάσσιας φυτικής παραγωγής στην Άπω Ανατολή, ενώ έβαλε αρκετές χώρες του Δυτικού κόσμου στον πειρασμό να δοκιμάσουν την τύχη τους στις καλλιέργειες μακροφυκών. Παράλληλα, την ίδια περίπου περίοδο με το πρώτο συμπόσιο “μαζικής καλλιέργειας φυκών” ξεκίνησε και η περίοδος άνθισης της καλλιέργειας των μικροφυκών. Από τότε έχουν εισαχθεί πολλές νέες τεχνικές καλλιέργειας και εκμετάλλευσης των φυκών.

Πίνακας 6.1 Προϊόντα που παράγονται από φύκη.

Η βιομάζα των φυκών που χρησιμοποιείται στις εμπορικές εφαρμογές είτε συλλέγεται από το περιβάλλον είτε ανακτάται μέσω ελεγχόμενης διαδικασίας καλλιέργειας σε ανοικτές δεξαμενές ή ειδικούς βιοαντιδραστήρες. Οι οργανισμοί καλλιεργούνται σε μεγάλη κλίμακα ως τροφή για τον άνθρωπο, ζωοτροφή, ζωντανή τροφή στις υδατοκαλλιέργειες, πηγή χρήσιμων βιοχημικών προϊόντων, επεξεργασία και καθαρισμό υδάτων. Επιτυχημένη εμπορική χρήση μικροφυκών έχει επιπλέον επιτευχθεί σε “μικρού όγκου- υψηλής αξίας” προϊόντα, όπως συμπληρώματα διατροφής, αντιοξειδωτικά, καλλυντικά, φυσικές χρωστικές, και πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (poly unsaturated fatty acids-PUFAs) (Πίνακας 6.1). Η παγκόσμια ετήσια παραγωγή σε βιομάζα μικροφυκών υπολογίζεται στους 9.000 τόνους με μέση εμπορική αξία περίπου 240€ ανά κιλό. Περίπου το ένα πέμπτο αυτής της βιομάζας προορίζεται για τη σίτιση ιχθύων και οστράκων σε μονάδες υδατοκαλλιέργειας. Τα τελευταία χρόνια τα μικροφύκη εξετάζονται ως συστήματα έκφρασης για

Προϊόν Φύκος Τιμή(€) Παραγωγός χώρα β-καροτένιο Dunaliella 215-2150 kg-1 ΗΠΑ, Αυστραλία,

Ιαπωνία, Κίνα, Ινδία ασταξανθίνη Haematococcus 7150 kg-1 Ισραήλ, ΗΠΑ, Ινδία ολοκυτταρικά διατροφικά συμπληρώματα

Σπιρουλίνα (Arthrospira) Chlorella Chlamydomonas

36 kg-1 Γερμανία, ΗΠΑ, Ελλάδα

τροφές υδατοκαλλιεργειών Tetraselmis Nannochloropsis Isochrysis Nitzschia

50 L-1 ΗΠΑ, Γερμανία

πολυακόρεστα λιπαρά οξέα Crypthecodinium Schizochytrium

43 g-1 Γερμανία, ΗΠΑ

ραδιενεργά σημασμένοι μεταβολίτες

- 715-14500 g-1 ΗΠΑ

φυκοερυθρίνη (φθορίζουσα σήμανση)

ροδοφύκη κυανοβακτήρια

15 mg-1 Γερμανία, ΗΠΑ

αντικαρκινικά φάρμακα - - Ισπανία φαρμακευτικές πρωτεΐνες Chlamydomonas - ΗΠΑ βιοκαύσιμα Botryococcus

Chlamydomonas Chlorella Dunaliella Neochloris

- ΗΠΑ

6 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

φάρμακα (therapeutics) ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών, ενώ έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως εδώδιμα εμβόλια για ανθρώπους και ψάρια.

3. Μεταβολισμός των φυκών

Η πλειοψηφία των φυκών είναι, όπως τα ανώτερα φυτά, φωτοσυνθετικοί οργανισμοί που χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας το ηλιακό φως και ως πηγή άνθρακα το CO2 ή άλλες ανόργανες μορφές. Παρόλα αυτά, ορισμένα μικροφύκη έχουν την ικανότητα όχι μόνο να ακολουθούν διάφορους τύπους μεταβολισμού, αλλά και να εναλλάσσουν τον μεταβολισμό τους ανάλογα με τη διαθέσιμη πηγή ενέργειας και άνθρακα που υπάρχει στο περιβάλλον (Εικόνα 6.2). Οι μεταβολικοί τύποι με τους οποίους μπορούν να αναπτυχθούν τα φύκη είναι: (α) φωτοαυτότροφος: η πιο συνηθισμένη περίπτωση κατά την οποία τα φύκη αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας ως πηγή ενέργειας το ηλιακό φως και ως πηγή άνθρακα το CO2· (β) ετερότροφος: στην περίπτωση αυτή, πολλά μικροφύκη χρησιμοποιούν όπως οι τυπικοί ετερότροφοι οργανισμοί, τα ζώα, ως πηγή ενέργειας και άνθρακα διάφορες οργανικές ουσίες όπως γλυκόζη, οξικό οξύ, γλυκερίνη, κ.λπ.· (γ) μιξότροφος: αποτελεί συνδυασμό των δύο προηγούμενων περιπτώσεων. Πολλά μικροφύκη, όπως τα δινοφύκη, χρυσοφύκη και ευγληνοφύκη είναι σε θέση να αυξάνονται είτε ως φωτοαυτότροφοι είτε ως ετερότροφοι οργανισμοί. Ορισμένα μάλιστα μπορούν να εναλλάσσουν τον μεταβολισμό τους από την αυτοτροφία στην ετεροτροφία και αντίστροφα· (δ) φωτοετερότροφος: στον τύπο αυτό ορισμένα μικροφύκη χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας τη φωτεινή ενέργεια και ως πηγή άνθρακα τις οργανικές ενώσεις.

Εικόνα 6.2 Οι διάφορες μεταβολικές δυνατότητες των φυκών.

Ο ετερότροφος και μιξότροφος μεταβολισμός μπορούν να αποτελέσουν ιδανική καλλιεργητική τεχνική για την παραγωγή μικροφυκών, γιατί έτσι αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της αξιοποίησης του φωτός σε καλλιέργειες με μεγάλη πυκνότητα ή σε καλλιέργειες με φωτοπαρεμπόδιση (κατά τους καλοκαιρινούς

7 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

μήνες). Στις ετερότροφες ή και μιξότροφες καλλιέργειες, η προσθήκη οργανικού άνθρακα στο υπόστρωμα καλλιέργειας δίνει μεγαλύτερη συγκέντρωση βιομάζας σε σχέση με τις φωτοαυτότροφες καλλιέργειες. Γενικά όμως, ο μιξότροφος μεταβολισμός έχει μεγαλύτερους ρυθμούς ανάπτυξης και μεγαλύτερη τελική παραγωγή σε βιομάζα σε σχέση με τους άλλους τρεις τύπους μεταβολισμού. Η προσθήκη όμως οργανικού άνθρακα προϋποθέτει αξενικές συνθήκες καλλιέργειας λόγω του κινδύνου της υπέρμετρης ανάπτυξης βακτηρίων και της τελική τους επικράτηση στις καλλιέργειες. Ειδικά για την παραγωγή μικροφυκών για παραγωγή ενέργειας, όπου το ζήτημα της μείωσης του κόστους των χρησιμοποιούμενων θρεπτικών υλικών είναι πολύ σημαντικό, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν οργανικά απόβλητα του παραγωγικού τομέα για την πραγματοποίηση ετερότροφων ή μιξότροφων καλλιεργειών.

4. Παράγοντες αύξησης των φυκών

Τα φύκη ως φωτοαυτότροφοι οργανισμοί, οι οποίοι για τη σύνθεση οργανικών ενώσεων μέσω της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιούν ανόργανες ενώσεις, έχουν παρόμοιες τροφικές απαιτήσεις με τα ανώτερα φυτά. Οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν την ανάπτυξη των φυκών και είναι απαραίτητο να λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε απόπειρα καλλιέργειάς τους είναι: το φως, η θερμοκρασία, τα θρεπτικά (C, N, P και ιχνοστοιχεία), το pH του θρεπτικού μέσου, ο αερισμός και οι επιμολύνσεις.

4.1 Φως Η διάρκεια, η ένταση και η ποιότητα του φωτός που φτάνει σε ένα φύκος είναι καθοριστικοί παράγοντες για την ανάπτυξή του. Το φάσμα του φωτός που αξιοποιείται από τα φύκη είναι μεταξύ 400 και 700 nm (φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία-PAR). Τα διάφορα είδη φυκών περιέχουν σε διαφορετικές αναλογίες τις διάφορες φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες και ως εκ τούτου αξιοποιούν λιγότερο ή περισσότερο διαφορετικά μήκη κύματος. Γενικά, ο ρυθμός ανάπτυξης των φυκών αυξάνεται με την αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας μέχρι ένα όριο. Τα περισσότερα μικροφύκη κορέννυνται σε ένταση φωτισμού μεταξύ 200 - 400 μE m-2 s-1 (αυτό εξαρτάται και από την πυκνότητα της καλλιέργειας). Παρόλο που το φως είναι ζωτικής σημασίας, η ακτινοβολία της υπεριώδους περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ή ακτινοβολία υψηλής φωτεινής έντασης μπορεί να προκαλέσει αναστολή των φωτοχημικών αντιδράσεων, φωτοοξείδωση, φωτοαναστολή, καταστροφή φωτοχρωστικών, κυτοχρωμάτων και άλλων συστατικών της φωτοσυνθετικής συσκευής, με αποτέλεσμα την ελάττωση του ρυθμού φωτοσύνθεσης. Από την άλλη, σε ορισμένα είδη, όπως το χλωροφύκος Dunaliella,η υψηλή ένταση φωτός είναι ένας από τους απαραίτητους παράγοντες για την επαγωγή της σύνθεσης καροτενοειδών (που λειτουργούν φωτοπροστατευτικά). Η πηγή φωτός μπορεί να είναι είτε φυσική (ήλιος) είτε τεχνητή (λαμπτήρες), ανάλογα με τον τύπο της καλλιέργειας.

4.2 Θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ο πιο καθοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη των φυκών μετά το φως και συνήθως έχει συνεργιστική δράση με αυτόν. Τα περισσότερα φύκη αναπτύσσονται μεταξύ 20-30°C, αλλά υπάρχουν θερμόφιλα είδη που μπορούν να αναπτυχθούν και σε θερμοκρασίες ως 40°C ή ψυχρόφιλα είδη όπως είναι ορισμένα φαιοφύκη. Πολλά φύκη μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες μέχρι και 15°C χαμηλότερες από τη βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξής τους, αλλά υπάρχει πιθανότητα με μια μεταβολή της τάξης των 2-4°C πάνω από το βέλτιστο σημείο να υπάρξει πλήρης απώλεια της καλλιέργειας. Οι χαμηλές θερμοκρασίες συχνά μειώνουν την αύξηση των μικροφυκών, καθώς επιβραδύνουν κυτταρικές διεργασίες, επάγουν περιορισμό της πρόσληψης του αζώτου ή επηρεάζουν τις σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης και την φωτοσυνθετική συσκευή. Κάποια είδη αντιδρούν στη χαμηλή θερμοκρασία με αύξηση των λιπιδίων που ρυθμίζουν τη ρευστότητα της μεμβράνης των θυλακοειδών. Η εύρεση της βέλτιστης θερμοκρασίας για ένα είδος ή στέλεχος είναι πολύ σημαντική καθώς μόνο σε αυτή υπάρχει και βέλτιστη αύξηση. Στους φωτοβιοαντιδραστήρες (βλ. Ενότητα 5.1.2) υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανσης

8 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

(ειδικά κατά τους θερινούς μήνες σε χώρες όπως η Ελλάδα, όπου η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει μέχρι 55°C κάτω από τον ήλιο), και ως εκ τούτου συνήθως υπάρχει εγκατεστημένο σύστημα ψύξης της καλλιέργειας (βλέπε Εικόνα 6.5).

4.3 pH Είναι γνωστό ότι το pH καθορίζει τόσο το ισοζύγιο των ιόντων ενός διαλύματος όσο και τη διαλυτότητα των στερεών σε αυτό. Οι τιμές pH στις οποίες αναπτύσσονται τα περισσότερα φύκη κυμαίνονται μεταξύ της περιοχής του ουδέτερου (7,0-7,5) και ελαφρώς αλκαλικού (8,0-9,0). Ωστόσο, υπάρχουν οξεόφιλα είδη (όπως το χλωροφύκος Chlamydomonas acidophila) αλλά και αλκαλόφιλα (όπως τα κυανοβακτήρια του γένους Arthrospira). Το CO2 στις τιμές pH στις οποίες αναπτύσσονται τα περισσότερα φύκη βρίσκεται διαλυμένο στο νερό είτε με μορφή διττανθρακικού (HCO3

-), είτε με μορφή ανθρακικού ιόντος (CO32¯). Tόσο

κατά τη φωτοσύνθεση όσο και κατά τη μετατροπή των ανθρακικών ιόντων σε CO2 και την δέσμευσή του, παράγονται ιόντα OH- και ως εκ τούτου η τάση στις καλλιέργειες των φυκών είναι να αυξάνεται το pH. Απότομες αλλαγές στο pH μπορεί να έχουν καταστροφικές επιπτώσεις σε μια καλλιέργεια και για αυτό το λόγο στα περισσότερα θρεπτικά μέσα χρησιμοποιείται κάποιο ρυθμιστικό διάλυμα (π.χ. EDTA). Ένας άλλος τρόπος ρύθμισης του pH είναι με παροχέτευση CO2 που δεσμεύει ιόντα OH- για την παραγωγή HCO3

- ή με διάφορα οξέα (ανόργανα ή και οργανικά).

4.4 Θρεπτικά στοιχεία Προκειμένου να αυξηθούν τα φύκη (όπως και τα ανώτερα φυτά) έχουν ανάγκη ένα μεγάλο εύρος ανόργανων στοιχείων, αναγκαίων για τις βασικές μεταβολικές κυτταρικές διεργασίες. Τα κυριότερα θρεπτικά στοιχεία (μακροστοιχεία) που είναι αναγκαία για τα φύκη, πέρα από τον άνθρακα, είναι το άζωτο (N), ο φώσφορος (P), το κάλιο (K) και σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ. διάτομα) το πυρίτιο (Si). Αναγκαία αλλά σε μικρότερες ποσότητες, είναι τα μικροστοιχεία όπως το θείο (S), ο σίδηρος (Fe), το μαγνήσιο (Mg), το ασβέστιο (Ca), καθώς και διάφορα άλλα μέταλλα (π.χ. μολυβδαίνιο, νικέλιο, βανάδιο, κ.λπ.) τα κυριότερα από τα οποία φαίνονται στον Πίνακα 6.2. Τα υδάτινα ενδιαιτήματα διαθέτουν σχεδόν όλα τα απαραίτητα συστατικά για την ανάπτυξη των φυκών, σε πολύ μικρότερες όμως ποσότητες και σε διαφορετικές αναλογίες από ότι τα θρεπτικά μέσα στα οποία συνήθως καλλιεργούνται τα φύκη. Επομένως, εάν το φως είναι διαθέσιμο, η αύξηση των φωτοσυνθετικών οργανισμών περιορίζεται από εκείνα τα θρεπτικά στοιχεία των οποίων οι περιβαλλοντικές συγκεντρώσεις βρίσκονται στα ελάχιστα απαιτούμενα επίπεδα. Για τον λόγο αυτό, στις καλλιέργειες είναι σημαντικό να γνωρίζουμε επακριβώς τις τροφικές απαιτήσεις του οργανισμού και να του τις παρέχουμε στις σωστές ποσότητες και αναλογίες. Η επιλογή του θρεπτικού διαλύματος υπαγορεύεται από το είδος του οργανισμού που καλλιεργείται και από τον τύπο της καλλιέργειας. Στις πειραματικές καλλιέργειες εργαστηρίου παρασκευάζονται θρεπτικά μέσα με καθαρές χημικές ουσίες ενώ στις εμπορικές καλλιέργειες χρησιμοποιούνται λόγω κόστους κοινά λιπάσματα ή ακόμα και ημικατεργασμένα υγρά απόβλητα κτηνοτροφικών μονάδων, εργοστασίων τροφίμων, κ.α.

4.4.1 Άνθρακας Η βασική μεταβολική διεργασία που επιτελούν τα φύκη και όλοι οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί είναι η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας και του ανόργανου άνθρακα (CO2) μέσω των πολύπλοκων βιοχημικών διεργασιών που συνιστούν τη φωτοσύνθεση σε οργανικό άνθρακα (γλυκόζη). Η συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα είναι περίπου 400 ppmv (0,04%) και δεδομένου ότι για την παραγωγή 1 kg ξηρής βιομάζας φυκών χρειάζονται περίπου 1,8 kg CO2, η παροχή ατμοσφαιρικού CO2 προϋποθέτει να παροχετεύονται στις καλλιέργειες μεγάλοι όγκοι αέρα για την ικανοποιητική ανάπτυξη βιομάζας. Tα περισσότερα φύκη μπορούν να αναπτυχτούν σε θρεπτικό μέσο που να περιέχει ως και 15% διαλυμένο CO2. Το CO2 μπορεί να παρέχεται σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις είτε χρησιμοποιώντας μη τοξικά καυσαέρια από παραγωγικές

9 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

δραστηριότητες είτε χρησιμοποιώντας διάφορα ανθρακικά άλατα, όπως για παράδειγμα η ανθρακική ή διτανθρακική σόδα (για αλκαλόφιλα είδη) είτε ακόμη και χρησιμοποιώντας αέρια που προέρχονται από γεωθερμική δραστηριότητα όπως γίνεται σε ορισμένες μονάδες καλλιέργειας σπιρουλίνας στη βόρεια Ελλάδα (βλ. Ενότητα 8.2.1).

Πίνακας 6.2 Ανόργανα στοιχεία απαραίτητα για την ανάπτυξη των περισσότερων φυκών.

Στοιχείο Παραδείγματα λειτουργίας/εντοπισμού σε κύτταρα φυκών

μακρ

οθρε

πτικ

ά N αμινοξέα, νουκλεοτίδια, χλωροφύλλη, φυκοβιλίνες P ATP, DNA, φωσφολιπίδια Si θήκες διατόμων, σκελετοί πυριτιομαστιγωτών, φολίδες φυκών τύπου-Synura και τοιχώματα

στοματοκύστεων, τοιχώματα Cladophora τύπου-Ulva K άγαρ και καρραγενάνη, ωσμωτική ρύθμιση (ιοντική μορφή), συμπαράγοντας πολλών ενζύμων

μικρ

οθρε

πτικ

ά

Cl παραγωγή οξυγόνου στη φωτοσύνθεση, τριχλωροαιθυλένιο, υπερχλωροαιθυλένιο S ορισμένα αμινοξέα, νιτρογενάση, λιπίδια θυλακοειδών, CoA, καρραγενάνη, άγαρ, DSMP, βιοτίνη

Na νιτρική αναγωγάση Ca αλγινικά, ανθρακικό ασβέστιο, καλμοδουλίνη Mg χλωροφύλλη Fe φερρεδοξίνη, κυτοχρώματα, νιτρογενάση, αναγωγάση νιτρωδών και νιτρικών, καταλάση, γλουταμική

συνθετάση, συμπαράγοντας της υπεροξειδικής δισμουτάσης

ιχνο

στοι

χεία

Mo νιτρική αναγωγάση, νιτρογενάση Mn σύμπλοκο του φωτοσυστήματος II με διάχυση οξυγόνου, χιτωνίσκος υπό μορφή θήκης (lorica)

ορισμένων ευγληνοειδών και του χλωροφύτου Dysmorphococcus, υπεροξειδική δισμουτάση Zn καρβονική ανυδράση, αλκοολική αφυδρογονάση, γλουταμική αφυδρογονάση Cu πλαστοκυανίνη, κυτοχρωμική οξειδάση Co βιταμίνη B12 V βρωμο-υπεροξειδάση, μερικές νιτρογενάσες

Br, I αλογονωμένες ενώσεις με αντιμικροβιακές, αντιφυτοβόρες, ή αλληλοπαθητικές λειτουργίες

Ορισμένα μικροφύκη μπορούν να αξιοποιήσουν και οργανικό άνθρακα ως πηγή άνθρακα (βλ. Πίνακα 6.1). Εξάλλου, μεταξύ των φυκών υπάρχουν και μη-φωτοσυνθετικά είδη, όπως τα υποχρεωτικά ωσμότροφα χλωροφύκη Prototheca και Polytoma. Από τη δεκαετία του 1950 ήταν γνωστό ότι το διάτομο Navicula έχει τη δυνατότητα αύξησης με χρήση της γλυκόζης ως μόνης πηγής άνθρακα, είτε στο φως είτε στο σκοτάδι. Σήμερα είναι γνωστό ότι πολλά φωτοσυνθετικά φύκη έχουν δυνατότητα ωσμοτροφίας (κατανάλωση διαλυμένου οργανικού άνθρακα), ιδίως σε καταστάσεις έλλειψης φωτός. Εξελικτικά φαίνεται ότι όλες οι ομάδες φωτοσυνθετικών φυκών είχαν ετερότροφους προγόνους και έτσι δεν πρέπει να μας εκπλήσσει το γεγονός ότι αρτίγονα είδη φυκών έχουν την ικανότητα πρόσληψης οργανικών ουσιών. Τα μικροφύκη έχουν την ικανότητα να αναπτύσσονται αξιοποιώντας διάφορες οργανικές ουσίες τις οποίες απορροφούν με συγκεκριμένους μηχανισμούς, ανάλογα με την οργανική ουσία. Για παράδειγμα, η απορρόφηση της γλυκόζης γίνεται μετά από φωσφορυλίωση, της γλυκερόλης με απλή διάχυση εντός των κυττάρων και των οργανικών οξέων με τη χρήση μεταφορικών πρωτεϊνών των μεμβρανών.

4.4.2 Άζωτο Το άζωτο είναι ένα από τα βασικότερα θρεπτικά στοιχεία γιατί αποτελεί μέρος των σημαντικότερων μακρομορίων (πρωτεΐνες, DNA, RNA) και η παροχή του είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη

10 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

οποιουδήποτε οργανισμού. Η περιεκτικότητα του αζώτου στη βιομάζα των φυκών, ειδικά σε ομάδες που περιέχουν μεγάλες ποσότητες πρωτεϊνών, μπορεί να ανέλθει ακόμα και στο 10% κ.β. Το άζωτο προσλαμβάνεται κυρίως με τη μορφή αμμωνιακών ή νιτρικών αλάτων και λιγότερο νιτρωδών. Ορισμένα είδη κυανοβακτηρίων (όπως τα Nostoc, Anabaena, Trichodesmium, Aphanizomenon κ.α.) μπορούν να δεσμεύσουν μοριακό άζωτο από την ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης. Τα φύκη γενικά προτιμούν την πρόσληψη αζώτου με τη μορφή αμμωνιακών ιόντων γιατί έτσι δεν απαιτείται κάποια μετατροπή (όπως π.χ. στην περίπτωση των νιτρικών τα οποία πρέπει πρώτα να αναχθούν σε αμμωνιακή μορφή). Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις τουλάχιστον, η παροχή νιτρικών αλάτων έχει δείξει ότι έχει καλύτερα αποτελέσματα στην παραγωγή βιομάζας.

4.4.3 Φώσφορος Ουσιαστικής σημασίας θρεπτικό στοιχείο για την ανάπτυξη των φυκών είναι και ο φώσφορος, ο οποίος συμμετέχει ως στοιχείο σε σημαντικότατα μακρομόρια, όπως τα φωσφολιπίδια, το ATP, κ.α. Τα φύκη περιέχουν λιγότερο από 1% κ.β. φώσφορο στη βιομάζα τους, ωστόσο ο φώσφορος συχνά αποτελεί περιοριστικό παράγοντα ανάπτυξης, ειδικότερα σε φυσικά περιβάλλοντα όπως οι λίμνες. Ο φώσφορος προσλαμβάνεται από τα μικροφύκη με τη μορφή ορθοφωσφορικών ιόντων (PO4

3¯-διαλυτός αντιδρών φώσφορος). Η διαλυτότητα του φωσφόρου επηρεάζεται πολύ ισχυρά από την παρουσία ιόντων (π.χ. Mg2+, Fe3+, Al3+). Όταν ο φώσφορος είναι διαθέσιμος μόνο (ή σχεδόν μόνο) σε οργανική μορφή, τότε μερικά φύκη μπορούν να εκκρίνουν φωσφατάσες με τη δράση των οποίων ο οργανικός φώσφορος μετατρέπεται σε ορθοφωσφορικά ιόντα. Ορισμένα μικροφύκη όπως τα κυανοβακτήρια έχουν τη δυνατότητα αποθήκευσης του φωσφόρου στο κύτταρο υπό μορφή κόκκων πολυφωσφορικoύ οξέος και μπορεί να καλύψει τις ανάγκες δύο ή ακόμα και τριών γενεών.

5. Συστήματα καλλιεργειών-Εγκαταστάσεις

Η καλλιέργεια των φυκών μπορεί να πραγματοποιηθεί σε ανοικτούς ή κλειστούς τύπους καλλιεργειών. Στις κλειστού τύπου καλλιέργειες τα φύκη καλλιεργούνται σε κλειστούς περιέκτες που μπορεί να είναι από μία απλή γυάλινη ή πλαστική κωνική φιάλη μέχρι πολύπλοκες κατασκευές που ονομάζονται φωτοβιοαντιδραστήρες. Οι κλειστού τύπου καλλιέργειες αποτρέπουν την άμεση επαφή της καλλιέργειας με τις εξωτερικές συνθήκες προστατεύοντάς την από διάφορους περιβαλλοντικούς κινδύνους ή μεταβολές των συνθηκών καλλιέργειας. Στις ανοικτού τύπου καλλιέργειες, τα φύκη καλλιεργούνται σε τεχνητούς ή φυσικούς περιέκτες, όπως δεξαμενές, νερόλακκοι, λίμνες ή ακόμα και απευθείας στην ανοικτή θάλασσα, όπως στην περίπτωση των μακροφυκών.

5.1 Κλειστού τύπου καλλιέργειες

5.1.1 Στατικές καλλιέργειες Η καλλιέργεια ενός φύκους μπορεί να γίνει σε σταθερό όγκο θρεπτικού μέσου χωρίς καμία επέμβαση μέχρι την ολοκλήρωσή της. Ο συγκεκριμένος τύπος καλλιεργειών είναι γνωστός ως στατικές καλλιέργειες ή καλλιέργειες δέσμης (batch cultures) και χρησιμοποιείται κυρίως για τη συντήρηση αποθέματος καλλιεργειών, την απομόνωση στελεχών και τη δημιουργία νέων καλλιεργειών, τη διερεύνηση του ρυθμού αύξησης ή των αναπτυξιακών φάσεων ενός φύκους. Οι στατικές καλλιέργειες μπορεί να γίνουν σε δοκιμαστικούς σωλήνες, τριβλία Petri, κωνικές φιάλες ή ακόμη και σε διαφανείς σάκους πολυαιθυλενίου. Στις στατικές καλλιέργειες, η μοναδική επέμβαση είναι η περιοδική ή συνεχής ανάμιξη του θρεπτικού μέσου, που επιτυγχάνεται είτε με μηχανική ανάδευση ολόκληρου του δοχείου της καλλιέργειας είτε με την παροχή αέρα (απαλλαγμένου από σωματίδια και μικροοργανισμούς) στη βάση των δοχείων καλλιέργειας. Μια τροποποίηση των στατικών καλλιεργειών που αφορά στην περιοδική απομάκρυνση (λήψη)

11 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

συγκεκριμένου όγκου καλλιέργειας και την αναπλήρωσή του με ισόποσο όγκο θρεπτικού μέσου είναι οι ημι-συνεχείς καλλιέργειες. Αυτός ο τρόπος παραγωγής ακολουθείται συνήθως για καλλιέργειες μικροφυκών που χρησιμοποιούνται ως τροφή σε εκκολαπτήρια ιχθυδίων καθώς και σε μαζικές εμπορικές καλλιέργειες. Η καλλιέργεια ενός φύκους σε δεδομένο θρεπτικό μέσο και σύστημα παραγωγής αρχίζει με τον ενοφθαλμισμό, δηλαδή τη μεταφορά ζώντων κυττάρων στο μέσο ανάπτυξης. Τόσο ο τρόπος όσο και η ποσότητα του αρχικού εμβολίου είναι καθοριστικής σημασίας για την εξέλιξη της καλλιέργειας καθώς επηρεάζει άμεσα τόσο την επιτυχία του ενοφθαλμισμού όσο και την καθαρότητα της καλλιέργειας. Βασική προϋπόθεση ενός επιτυχημένου ενοφθαλμισμού είναι η χρήση αποστειρωμένων σκευών και η χρήση κατάλληλων εγκαταστάσεων, όπως οι θάλαμοι νηματικής ροής. Η αύξηση των φυκών ανά μονάδα χρόνου συνδέεται μη γραμμικά με τον χρόνο, για αυτό συχνά εκφράζεται ως σχετικός ρυθμός αύξησης, ο οποίος παριστάνει τον ρυθμό αύξησης ανά ποσό βιομάζας και μετριέται συνήθως σε days-1 (d-1). O σχετικός ρυθμός αύξησης (μ) υπολογίζεται στην εκθετική φάση αύξησης, την οποία και χαρακτηρίζει, και δίνεται από την σχέση:

𝜇𝜇 =𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑁𝑁1/𝑁𝑁0)𝑡𝑡1 − 𝑡𝑡0

όπου το N0 αναφέρεται στην τιμή της παραμέτρου (π.χ. αριθμός κυττάρων, συγκέντρωση χλωροφύλλης α, οπτική πυκνότητα κ.λπ.) που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ρυθμού αύξησης στον χρόνο t0 και το N1 στην τιμή αυτής της παραμέτρου στον χρόνο t1. Ο χρόνος γενεάς (G) αναφέρεται στον χρόνο που απαιτείται για τον διπλασιασμό της αφθονίας και προκύπτει από την παραπάνω σχέση:

𝐺𝐺 =𝑙𝑙𝑙𝑙2𝜇𝜇

Η Εικόνα 6.3 απεικονίζει τον κύκλο αύξησης που ακολουθεί ένα μικροφύκος που καλλιεργείται σε τέτοια κλειστά συστήματα. Από τον χρόνο του εμβολιασμού έως την αρχή αύξησης του μικροοργανισμού μεσολαβεί μια φάση προσαρμογής που ονομάζεται λανθάνουσα φάση ή φάση υστέρησης, κατά την οποία ο οργανισμός δεν αυξάνεται και ακολούθως αρχίζει η φάση αύξησης του αριθμού των ατόμων (εκθετική ή γραμμική φάση αύξησης). Όταν οι φυσικοί και χημικοί παράγοντες του περιβάλλοντος το επιβάλλουν, η καλλιέργεια εισέρχεται στη φάση στασιμότητας (είτε λόγω μείωσης των θρεπτικών διαθέσιμων είτε λόγω ελευθέρωσης τοξικών υποπροϊόντων του μεταβολισμού των μικροοργανισμών), οπότε δεν παρατηρείται πλέον αύξηση του αριθμού των ατόμων. Στις καλλιέργειες δέσμης ακολουθεί εξ ορισμού η φάση θανάτου ή κατάπτωσης της καλλιέργειας, που συνήθως χαρακτηρίζεται από εκθετική μείωση του αριθμού των ζωντανών κυττάρων.

5.1.2 Συνεχείς καλλιέργειες - Φωτοβιοαντιδραστήρες Σε μια κλειστού τύπου καλλιέργεια υπάρχει δυνατότητα καλλιέργειας φυκών παρατεταμένης διάρκειας. Στις καλλιέργειες αυτού του τύπου που ονομάζονται συνεχείς καλλιέργειες, η προγραμματισμένη σταδιακή αφαίρεση όγκου καλλιέργειας και η ταυτόχρονη προσθήκη ισόποσου όγκου θρεπτικού μέσου εξασφαλίζουν υψηλότερους ρυθμούς αύξησης και μεγαλύτερο βαθμό ασφάλειας σε ποιοτικά μεγέθη των προϊόντων της καλλιέργειας. Συστήματα συνεχούς καλλιέργειας χρησιμοποιούνται σε πειραματικές καλλιέργειες, για παραγωγή βιομάζας που προορίζεται για χρήση στη φαρμακοβιομηχανία, για μετάβαση από μικρότερου σε μεγαλύτερου όγκου εμπορικές καλλιέργειες (scale-up) και σε μικρής-μεσαίας κλίμακας εμπορικές καλλιέργειες.

12 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

Εικόνα 6.3 Κύκλος αύξησης μικροοργανισμών σε συστήματα καλλιέργειας δέσμης.

Οι κλειστού τύπου καλλιέργειες πραγματοποιούνται σε κλειστούς περιέκτες, τους φωτοβιοαντιδραστήρες. Τα υλικά κατασκευής και τα σχήματα των φωτοβιοαντιδραστήρων μπορεί να ποικίλλουν. Υπάρχουν φωτοβιοαντιδραστήρες επίπεδοι, σαν ηλιακοί συλλέκτες κατακόρυφοι (βλ. Εικόνα 6.8Α) ή κεκλιμένοι, κυλινδρικοί με επιμήκης αγωγούς, κατασκευασμένοι από διάφορα διάφανα υλικά (γυαλί ή πλαστικό), ή ελικοειδούς μορφής. Ο σχεδιασμός των φωτοβιοαντιδραστήρων είναι μια πολύπλοκη υπόθεση και προϋποθέτει την καλή γνώση διαφόρων φυσικών και βιολογικών φαινομένων για τον επιτυχή σχεδιασμό των διαφόρων υποσυστημάτων που τον απαρτίζουν. Τα κυριότερα υποσυστήματα των φωτοβιοαντιδραστήρων είναι: 1) το σύστημα φωτισμού, 2) το σύστημα εμπλουτισμού με CO2, 3) το σύστημα ανάδευσης, 4) το σύστημα απομάκρυνσης Ο2 και διαχωρισμού αερίων, 5) το σύστημα θέρμανσης/ψύξης και 6) το σύστημα θρέψης (Εικόνα 6.4). Παρόλα τα πλεονεκτήματα των φωτοβιοαντιδραστήρων σε σχέση με τις ανοικτές δεξαμενές (βλ.Πίνακα 6.3), οι καλλιέργειες αυτού του τύπου έχουν αυξημένο κόστος κατασκευής και λειτουργίας και επίσης περιορισμένη δυνατότητα να κατασκευαστούν σε μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις. Ένας βασικός περιοριστικός παράγοντας για μεγάλης κλίμακας φωτοβιοαντιδραστήρες είναι η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο υγρό θρεπτικό μέσο. Το μοριακό οξυγόνο που παράγεται κατά τη φωτοσύνθεση, λόγω των συνθηκών εντός του φωτοβιοαντιδραστήρα, διαλύεται στο θρεπτικό μέσο και στη συνέχεια θα πρέπει να απομακρυνθεί με κάποιον τρόπο γιατί οι μεγάλες συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου είναι ανασταλτικές της ανάπτυξης. Αυτό το γεγονός περιορίζει αρκετά το μήκος των αγωγών.

5.2 Ανοικτού τύπου καλλιέργειες Τα φύκη καλλιεργούνται σε ανοικτά συστήματα από τη δεκαετία του 1950. Οι ανοικτού τύπου καλλιέργειες μπορεί να αναπτύσσονται σε φυσικά συστήματα (λίμνες, λιμνοθάλασσες, θάλασσα) ή σε τεχνητές υδατοσυλλογές ή δεξαμενές. Οι δεξαμενές με τη μορφή υδατοδιαδρόμου (raceway ponds) είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα τεχνητά συστήματα. Οι ανοικτού τύπου καλλιέργειες έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν σχετικά μικρότερο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας από τις κλειστού

13 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

τύπου καλλιέργειες και έχουν καλή δυνατότητα μαζικής καλλιέργειας. Στις ανοικτού τύπου καλλιέργειες, όμως, τα φύκη είναι εκτεθειμένα στους περιβαλλοντικούς παράγοντες (θερμοκρασία, ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις) και συνήθως επιμολύνονται από διάφορα άλλα είδη μικροφυκών, βακτηρίων ή άλλων μικροοργανισμών (π.χ. βλεφαριδωτά, νηματώδεις).

Εικόνα 6.4 Σχηματική αναπαράσταση ενός φωτοβιοαντιδραστήρα με τα κυριότερα υποσυστήματα που τον απαρτίζουν.

Οι επιμολύνσεις με άλλους μικροοργανισμούς μπορεί να αλλοιώσουν τη σύσταση των καλλιεργειών και να υποβαθμίσουν την ποιότητα του προϊόντος. Σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι επικίνδυνες και για την υγεία του καταναλωτή, όπως π.χ. στις μολύνσεις καλλιέργειας της σπιρουλίνας (Arthrospira) με άλλα κυανοβακτήρια που παράγουν τοξίνες (βλ. Ενότητα 8.2.1). Έντονες επιμολύνσεις μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα τη μικρή παραγωγή ή και σε ορισμένες περιπτώσεις την κατάρρευση της καλλιέργειας, είτε λόγω της επικράτησης άλλων μικροοργανισμών είτε λόγω της εμφάνισης παρασιτικών ασθενειών. Οι ανοικτού τύπου καλλιέργειες πάσχουν επιπλέον λόγω της εξάτμισης νερού που έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια σημαντικών ποσοτήτων νερού και την αύξηση της συγκέντρωσης αλάτων η οποία μετά από μια ορισμένη τιμή επιδρά ανασταλτικά στην αύξηση των φυκών. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη αναπλήρωσης του νερού άρα και τη χρήση μεγάλων ποσοτήτων του. Τα προβλήματα των ανοικτών καλλιεργειών μπορούν να αντιμετωπιστούν με τη χρήση κατάλληλων συνθηκών για το είδος του μικροφύκους. Αποτελεσματικές συνθήκες είναι συνήθως οι ακραίες και εξειδικευμένες συνθήκες όπου μόνο το επιλεχθέν μικροφύκος μπορεί να αναπτυχθεί, ενώ είναι ακατάλληλες για τους υπόλοιπους μικροοργανισμούς. Παραδείγματα ειδών που καλλιεργούνται σε ακραίες συνθήκες είναι η Dunaliella salina που καλλιεργείται σε υψηλή (>20%) αλατότητα ή η Arthrospira που καλλιεργείται σε αλκαλικά περιβάλλοντα (pH >9,2). Επίσης για μια αποτελεσματική καλλιέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθούν είδη μικροφυκών με σχετικά υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης για την επικράτηση έναντι άλλων μικροοργανισμών όπως τα χλωροφύκη των γενών Chlorella και Scenedesmus ή το διάτομο Phaeodactylum. Η παραγωγή ανά μονάδα επιφάνειας είναι μικρότερη σε σχέση με τις κλειστού τύπου καλλιέργειες (Πίνακας 6.3), με αποτέλεσμα η συγκέντρωση της βιομάζας να είναι σχετικά μικρή ανεβάζοντας πολύ το

14 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

κόστος συγκομιδής. Επίσης, σε ορισμένες τοποθεσίες, οι περίοδοι καλλιέργειας είναι περιορισμένες, λόγω έντονων εποχιακών περιβαλλοντικών διακυμάνσεων ή χαμηλών θερμοκρασιών και ηλιοφάνειας. Για τον λόγο αυτό, χώρες με μεγάλη διάρκεια και ένταση ηλιοφάνειας, όπως η Ελλάδα, έχουν πλεονέκτημα για την εγκατάσταση καλλιέργειας μικροφυκών, δεδομένου ότι η παραγωγή σε βιομάζα μπορεί να είναι ως και δέκα φορές μεγαλύτερη σε σχέση με περιοχές με μικρή διάρκεια και ένταση ηλιοφάνειας. Το σύστημα ανάδευσης των ανοικτών καλλιεργειών είναι μεγάλης σημασίας. Η ανάδευση είναι αναγκαία γιατί εμποδίζει τη συσσωμάτωση και καθίζηση των μικροφυκών, αυξάνει την αξιοποίηση του φωτός, ομογενοποιεί το υπόστρωμα καθιστώντας τα διαλυτά ανόργανα ή/και οργανικά στοιχεία πιο προσπελάσιμα για την πρόσληψή τους από τα μικροφύκη. Οι κυριότεροι τύποι ανοικτών τεχνητών δεξαμενών είναι οι υδατοδιάδρομοι (raceway ponds) και οι κυκλικές δεξαμενές. Οι υδατοδιάδρομοι είναι συνήθως κατασκευασμένοι από ένα κλειστό σύστημα καναλιών, ωοειδούς σχήματος, βάθους συνήθως μεταξύ 0,2 και 0,5 m, στα οποία παρέχεται κάποιου είδους συνεχής ανάμιξη για τη σταθεροποίηση της αύξησης των φυκών και την αύξηση της παραγωγικότητας (βλέπε Εικόνα 6.8Β). Οι αγωγοί (διάδρομοι) των υδατοδιαδρόμων μπορεί να έχουν διάφορα σχήματα (απλοί, οφιοειδείς, με παράλληλους αγωγούς, κ.λπ.) και η ανάδευσή τους γίνεται συνήθως με πτερυγωτό τροχό (βλ. Εικόνα 6.8Β), ενώ οι κυκλικές δεξαμενές αναδεύονται με κινούμενο βραχίονα. Σημαντική παράμετρος για τον σχεδιασμό ανοικτών δεξαμενών είναι το βάθος της δεξαμενής, το οποίο δεν θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλο ώστε να επιτρέπεται η διείσδυση του φωτός, αλλά να μην είναι και πολύ μικρό για να μην αλλάζει η συγκέντρωση των ιόντων θρεπτικού μέσου λόγω της εξάτμισης του νερού. Το βάθος της δεξαμενής θεωρείται βέλτιστο μεταξύ 20 και 30 cm.

Πίνακας 6.3. Σύγκριση των βασικών χαρακτηριστικών ανοικτών και κλειστών συστημάτων καλλιέργειας φυκών.

6. Σύγχρονες προσεγγίσεις στην καλλιέργεια

6.1 Χειρισμός του μεταβολισμού Ο χειρισμός των μεταβολικών μονοπατιών μπορεί να ανακατευθύνει την κυτταρική λειτουργία προς τη σύνθεση προτιμώμενων προϊόντων (Εικόνα 6.5). Μια μέθοδος χειρισμού των μικροφυκών εφαρμόζει συγκεκριμένες περιβαλλοντικές παραμέτρους, όπως δίαιτα συγκεκριμένων θρεπτικών, προκειμένου να επάγει την επιθυμητή ροή μεταβολισμού. Ως εναλλακτική του χειρισμού των συνθηκών καλλιέργειας, η μεταβολική μηχανική επιτρέπει τον απευθείας χειρισμό της κυτταρικής μηχανής του οργανισμού μέσα από μεταλλαξιγένεση ή εισαγωγή διαγονιδίων.

Χαρακτηριστικό Ανοιχτά συστήματα Κλειστά συστήματα Κίνδυνος μολύνσεων Πολύ υψηλός Χαμηλός Απαιτούμενος χώρος Μεγάλος Μικρός Απώλεια νερού (π.χ. εξάτμιση) Πολύ υψηλή Δεν υπάρχει Απώλεια CΟ2 Υψηλή Δεν υπάρχει Καλλιεργούμενα είδη μικροφυκών

Λίγα είδη Σχεδόν όλα τα είδη μπορούν να καλλιεργηθούν

Έλεγχος συνθηκών ανάπτυξης καλλιέργειας

Δεν υπάρχει Υπάρχει

Επίδραση καιρικών συνθηκών Σημαντική, η παραγωγή είναι αδύνατη κατά τη διάρκεια ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων

Μη σημαντική

Λανθάνουσα φάση της καλλιέργειας

Μεγάλη, περίπου 6-8 εβδομάδες Σχετικά μικρή, περίπου 2-4 εβδομάδες

Συγκέντρωση βιομάζας κατά την περίοδο της παραγωγής

Χαμηλή, περίπου 0.1-0.2 gL-1 Υψηλή, περίπου 2-8 gL-1

15 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

Εικόνα 6.5 Εμπορικώς σημαντικά μεταβολικά μονοπάτια των μικροφυκών. Απεικονίζονται απλοποιημένα κυτταρικά μονοπάτια τα οποία εμπλέκονται στη βιοσύνθεση διάφορων προϊόντων που λαμβάνονται από μικροφύκη. Παρόλο που ο χλωροπλάστης δρα ως εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών και υδρογόνου (συνεχόμενα μπλε βέλη), ο πυρήνας παίζει πρωταρχικό ρόλο στον έλεγχο του μεταβολισμού (διακεκομμένα κόκκινα βέλη). Και τα δύο οργανίδια περιέχουν ανεξάρτητα γονιδιώματα, τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα για ανεξάρτητη ενσωμάτωση διαγονιδίων (ασυνεχή μπλε και κόκκινα βέλη).

Για τα μικροφύκη που είναι ικανά να επιβιώσουν ετεροτροφικά, οι πηγές εξωγενούς άνθρακα προσφέρουν “προεπεξεργασμένη” χημική ενέργεια που τα κύτταρα συχνά αποθηκεύουν με τη μορφή σταγονιδίων λιπιδίων. Για παράδειγμα, το χλωροφύκος Chlorella protothecoides αποθηκεύει έλαιο ίσο με το 55% του ξηρού βάρος του όταν αναπτύσσεται ετεροτροφικά, ενώ όταν αναπτύσσεται αυτοτροφικά συσσωρεύει μόνο 14%. Άλλος φυσικός μηχανισμός μέσω του οποίου τα μικροφύκη μεταβάλλουν τον λιπιδιακό μεταβολισμό είναι η αντίδραση στην καταπόνηση (stress) που οφείλεται στην έλλειψη διαθέσιμου αζώτου. Παρόλο που η έλλειψη αζώτου φαίνεται να αναστέλλει τον κυτταρικό κύκλο και την παραγωγή σχεδόν όλων των κυτταρικών συστατικών, ο ρυθμός σύνθεσης λιπιδίων παραμένει υψηλότερος, γεγονός που οδηγεί στη συσσώρευση ελαίου στα αποστερημένα σε άζωτο κύτταρα. Η αποστέρηση αζώτου, παραδείγματος χάρη, επάγει τη συσσώρευση της αντιοξειδωτικής χρωστικής ασταξανθίνης στο χλωροφύκος Haematococcus pluvialis. Και οι δυο αυτοί προσαρμοστικοί μηχανισμοί εξασφαλίζουν την επιβίωση του κυττάρου σε περιόδους καταπόνησης κατά τις οποίες τα λιπίδια λειτουργούν ως αποθήκες ενέργειας, ενώ η ασταξανθίνη φαίνεται ότι παίζει ρόλο στην προστασία του κυττάρου από τις ενεργές μορφές οξυγόνου. Για τη βιομηχανία, αυτοί οι “επαγωγείς λιπιδίων” μπορεί να είναι χρήσιμοι για την παραγωγή πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (polyunsaturated fatty acids-PUFAs), όπως τα ωμέγα-3, και βιοντίζελ.

6.2 Γενετική τροποποίηση φυκών Ο γενετικός μετασχηματισμός απαιτεί την προσωρινή διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης έτσι ώστε να επιτραπεί σε εξωγενή μόρια DNA να εισέλθουν στο κύτταρο. Κατά τη διάρκεια ενός επιτυχούς μετασχηματισμού, ένα κομμάτι DNA ενσωματώνεται στον πυρήνα του κυττάρου ή στο γονιδίωμα του

16 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

χλωροπλάστη ενώ το κύτταρο παραμένει βιώσιμο. Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα κύτταρα πεθαίνουν ως αποτέλεσμα ρήξης της κυτταρικής μεμβράνης. Ακόμη κι αν ο οργανισμός επιβιώσει του αρχικού “τραύματος”, το εξωγενές γονίδιο μπορεί να αναγνωριστεί ως ξένο και να αποικοδομηθεί. Επιπλέον, η θέση που θα πάρει το τμήμα DNA στο γονιδίωμα είναι τυχαία, με αποτέλεσμα διαφορετικούς βαθμούς έκφρασης του γονιδίου. Εκτός από τα Chlamydomonas reinhardtii και Volvox carteri, λίγα χλωροφύκη έχουν δείξει σταθερή, μακροχρόνια έκφραση διαγονιδιακών πρωτεϊνών, παρότι μπορούν να ενσωματώσουν το διαγονιδιακό DNA. Ορισμένοι ερευνητές υποθέτουν ότι αυτός είναι ένας έμφυτος μηχανισμός των φυκών για να καταστείλουν τα μεταθετά στοιχεία και τις επιθέσεις από ιούς. Πρόσφατα, ερευνητές κατάφεραν να υπερκεράσουν αυτό το εμπόδιο με την ανακάλυψη μικρο-RNA συστημάτων γονιδιακής ρύθμισης σε μονοκύτταρα φύκη. Σαφώς, οι μοριακές προσεγγίσεις που θα αποτρέπουν τη “σίγαση” των διαγονιδίων θα είναι ένα σημαντικό βήμα στη μεταβολική μηχανική των φυκών. Υπάρχουν σήμερα αρκετές διαθέσιμες τεχνικές για τη γενετική μετατροπή των μικροφυκών. Η απλούστερη μέθοδος περιλαμβάνει ανάδευση κυττάρων φυκών σε ένα μίγμα από ειδικά γυάλινα σφαιρίδια και μόρια του DNA. Οι ταχύτητες των κυττάρων και σφαιριδίων είναι επαρκείς για να διατρυπούν την κυτταρική μεμβράνη κατά τη σύγκρουση. Μόνο τα φύκη που στερούνται κυτταρικού τοιχώματος, είτε εγγενώς είτε ως αποτέλεσμα της ενζυμικής αποικοδόμησης, μπορούν να μετασχηματιστούν με την τεχνική αυτή. Ινίδια καρβιδίου του πυριτίου μεγέθους μερικών μικρομέτρων έχουν χρησιμοποιηθεί αντί των γυάλινων σφαιριδίων για τη διάτρηση των κυτταρικών τοιχωμάτων. Επιπλέον, η ηλεκτροδιάτρηση που στηρίζεται σε παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να καταστήσει περατή την κυτταρική μεμβράνη και έχει δείξει υψηλά ποσοστά επιτυχίας σε οργανισμούς χωρίς κυτταρικό τοίχωμα. Αποτελεσματική μετατροπή μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τον βομβαρδισμό κυττάρων φυκών με μικροσωματίδια χρυσού ή βολφραμίου καλυμμένων με DNA. Ένα μειονέκτημα της τεχνικής του βομβαρδισμoύ μικροσωματιδίων είναι η ισχυρή φύση της (ανάλογη με το να εκτοξεύεται μια μπάλα του τένις μέσα σε μια μπάλα του μπάσκετ με πάνω από 1.300 χιλιόμετρα ανά ώρα). Μια λιγότερο επιθετική προσέγγιση περιλαμβάνει το γνωστό στη γενετική μηχανική βακτήριο Agrobacterium tumefaciens, το οποίο προκαλεί όγκους στα φυτά. Μέσω γενετικού χειρισμού του T-DNA (transferDNA) του βακτηρίου, τα γονίδια που επάγουν όγκους μπορούν να αντικατασταθούν με χρήσιμα γονίδια, τα οποία μπορεί στη συνέχεια να εισαχθούν σε κύτταρα μικροφυκών. Παρά το γεγονός ότι η γενετική μηχανική των μικροφυκών έχει προχωρήσει σημαντικά κατά την τελευταία δεκαετία, μετασχηματισμοί ρουτίνας έχουν επιτευχθεί μόνο σε λίγα είδη φυκών. Πάντως, λόγω της μεγάλης ζήτησης μικροφυκών για εμπορική χρήση, ο κατάλογος των ειδών που μπορούν να μετασχηματιστούν μεγαλώνει συνεχώς. Ορισμένα από τα επιτεύγματα της γενετικής μηχανικής στα φύκη περιλαμβάνουν: (α) Επαυξημένη βιοσύνθεση λιπιδίων. Με στόχο τη δημιουργία φυκών με υψηλή περιεκτικότητα σε λιπίδια για παραγωγή βιοντίζελ, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν, ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, στην υπερέκφραση της ακέτυλ-CoA καρβοξυλάσης, ενός ενζύμου που καταλύει ένα αρχικό μεταβολικό βήμα στη βιοσύνθεση λιπιδίων. Το 1994 οι ερευνητές κατάφεραν να απομονώσουν το γονίδιο που κωδικοποιεί το ένζυμο στο διάτομο Cyclotella cryptica. Με αυτό ανέπτυξαν φορείς έκφρασης και ένα πρωτόκολλο μετασχηματισμού που επέτρεψε την πρώτη προσπάθεια μεταβολικής μηχανικής ενός μικροφύκους. Παρόλο που η υπερέκφραση της ακέτυλ-CoA καρβοξυλάσης δεν έδωσε τόσο έντονα αποτελέσματα στη σύνθεση λιπιδίων, οι μεθοδολογίες που εγκαθιδρύθηκαν αποτέλεσαν βάση για μελλοντικές έρευνες. (β) Τροφική μετατροπή. Ορισμένα μικροφύκη έχουν την ικανότητα να μεταβολίζουν σάκχαρα, ενώ άλλα βασίζονται αυστηρά στη φωτοσύνθεση. Όπως αναφέρθηκε, τα μικροφύκη που επιτελούν φωτοσύνθεση συσσωρεύουν μικρότερο ποσό λιπιδίων σε σύγκριση με τα άλλα. Με τη χρήση της γενετικής μηχανικής σε μερικά υποχρεωτικώς φωτοαυτότροφα φύκη, δόθηκε η δυνατότητα να προσλαμβάνουν ενέργεια

17 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

ετεροτροφικά με την εισαγωγή μεταφορέων εξόζης. Το Volvox carteri ήταν από τα πρώτα χλωροφύκη που μετασχηματίστηκε με το γονίδιο συμμεταφοράς εξόζης H+Hup1, από τη Chlorella. Παρόμοιες μετατροπές έχουν γίνει στο χλωροφύκος Chlamydomonas reinhardtii και το διάτομο Phaeodactylum tricornutum, τα οποία παρουσίασαν θεμελιώδη αλλαγή του μεταβολισμού τους, με την αλλαγή ενός και μόνο γονιδίου. (γ) Τροποποιημένη κεραία συγκομιδής φωτός. Φυσιολογικές και βιοχημικές προσαρμογές για συνθήκες χαμηλούς φωτός, όπως τα σφιχτά στοιβαγμένα θυλακοειδή και τα μεγάλα σύμπλοκα κεραιών συγκομιδής φωτός (Light Harvesting Complexes-LHC) επιτρέπουν στα μικροφύκη να συλλέγουν επιτυχώς τη φωτεινή ενέργεια. Αποτέλεσμα τούτου είναι ότι το φως πολύ υψηλής έντασης μπορεί να κατακλύσει το φωτοσύστημά τους και να οδηγήσει στον σχηματισμό ενεργών ριζών οξυγόνου, μείωση της φωτοσυνθετικής αποδοτικότητας και επιβλαβή καταπόνηση των κυττάρων. Με σκοπό την αποφυγή των παραπάνω, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνολογία παρεμβολής RNA για να μειώσουν την έκφραση των LHC πρωτεϊνών στο Chlamydomonas reinhardtii. Το μετάλλαγμα που προέκυψε παρουσίαζε πράγματι μειωμένη παραγωγή mRNA και πρωτεϊνών ολόκληρης της οικογένειας LHC γονιδίων και περιείχε λιγότερο σφιχτά θυλακοειδή. Τελικά, τα άτομα αυτά είχαν μεγαλύτερη αντοχή στην καταστροφή από έντονο φως και αυξημένη διείσδυση φωτός σε υγρή καλλιέργεια και επομένως πιο αποτελεσματική μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε βιομάζα.

7. Βιοκαύσιμα από φύκη

Με τις προβλέψεις ότι οι τιμές του αργού πετρελαίου θα φτάσουν στο άμεσο μέλλον στα ύψη-ρεκόρ των 150-200$ το βαρέλι, τα βιοκαύσιμα από φύκη κερδίζουν την προσοχή της παγκόσμιας κοινότητας. Προς το παρόν, ως πηγή βιοκαυσίμων, εναλλακτικών του πετρελαίου, ενός ορυκτού που όλο και περισσότερο σπανίζει-και ρυπαίνει, χρησιμοποιούνται χερσαία φυτά όπως το καλαμπόκι και η σόγια. Τα βιοκαύσιμα βοηθούν να ισοσταθμιστούν οι επιδράσεις της αύξησης της θερμοκρασίας του πλανήτη καθώς τα φυτά που χρησιμοποιούνται για να παράγουν βιοκαύσιμα προσλαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από την ατμόσφαιρα. Τα βιοκαύσιμα, βέβαια, κατά την καύση τους επίσης απελευθερώνουν CO2 στην ατμόσφαιρα, αλλά στην χειρότερη περίπτωση επιστρέφουν το ίδιο ποσό CO2 χωρίς καμιά μακροπρόθεσμη αύξηση του CO2, όπως στα ορυκτά καύσιμα. Τα βιοκαύσιμα είναι επίσης πιο καθαρά από τα ορυκτά καύσιμα και το πιο σημαντικό: αντίθετα από τα ορυκτά καύσιμα, είναι ανανεώσιμες πηγές, οι οποίες αντικαθίστανται με φυσικό τρόπο. Τα χερσαία φυτά δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στη σύλληψη της ηλιακής ενέργειας. Ούτε το γρασίδι Panicum virgatum, που είναι το ταχύτερα αναπτυσσόμενο χερσαίο φυτό, δεν μπορεί να μετατρέψει την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα με ρυθμό μεγαλύτερο από 1 W m-2yr-1, που αντιστοιχεί σε <0,5% της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στα μέσα γεωγραφικά πλάτη. Τα μικροφύκη μπορούν να φτάσουν σε ποσοστά μετατροπής μέχρι και 10%. Ο τυπικός χρόνος αναδιπλασιασμού των μικροφυκών (~24h) είναι σημαντικά ταχύτερος από εκείνον οποιουδήποτε χερσαίου φυτού και είναι ουσιαστικά ανεξάρτητος από τον καιρό, με την προϋπόθεση ότι υπάρχει ένα ελάχιστο ωρών ηλιοφάνειας την ημέρα. Τα μικροφύκη απαιτούν πολύ λιγότερο νερό από τα χερσαία φυτά για άρδευση: 1,5L αντί 10.000L για να παράγουν 1L βιοκαυσίμου. Το μόνο που χρειάζεται είναι νερό εμπλουτισμένο με εμπορικά λιπάσματα Ν και Ρ και μερικά επιπλέον μικροστοιχεία που συχνά βρίσκονται σε λύματα υδατοκαλλιεργειών, καθώς το CO2 είναι διαθέσιμο στην ατμόσφαιρα (100 τόνοι βιομάζας μικροφυκών μπορούν να απομακρύνουν 183 τόνους CO2, τιμή που μαρτυρά αρνητικό οικολογικό αποτύπωμα), ενώ ο αλόφιλος τρόπος ανάπτυξης των θαλάσσιων κυρίως εκπροσώπων, προσφέρει οικολογικό πλεονέκτημα εναντίον ταχέως αναπτυσσόμενων μικροοργανισμών, όπως τα βακτήρια. Παρακάτω παρατίθενται ορισμένα από τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα μικροφύκη ως πρώτες ύλες για παραγωγή βιοκαυσίμων σε σύγκριση με άλλα ανώτερα φυτά:

18 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

Πίνακας 6.4 Σύγκριση φυκών με καλλιέργειες ανώτερων φυτών για την παραγωγή βιοκαυσίμων.

(α) Συνθέτουν και συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες ουδέτερων λιπιδίων ή ελαίων (20-50% κυτταρικού ξηρού βάρους) (Πίνακας 6.5) και αναπτύσσονται με πολύ ταχείς ρυθμούς (1-3 αναδιπλασιασμούς την ημέρα). (β) Η απόδοση ελαίου ανά επιφάνεια σε καλλιέργειες μικροφυκών ξεπερνά κατά πολύ την απόδοση της βέλτιστης καλλιέργειας οποιουδήποτε ανώτερου φυτού (Πίνακας 6.4). (γ) Τα μικροφύκη μπορούν να καλλιεργηθούν σε θαλασσινό ή υφάλμυρο νερό ή σε μη αροτραία γη, και έτσι δεν διεκδικούν γη από τις καλλιέργειες τροφίμων. (δ) Μπορούν να χρησιμοποιήσουν άζωτο και φώσφορο από ποικιλία αποβλήτων (γεωργίας, κτηνοτροφίας, βιομηχανικά και αστικά) συνεισφέροντας έτσι στη διαχείριση αποβλήτων και στη βιοεξυγίανση. (ε) Προσλαμβάνουν CO2 από τα αέρια που απελευθερώνουν τα εργοστάσια που λειτουργούν με ενέργεια από την καύση ορυκτών καυσίμων και άλλες πηγές, ελαττώνοντας έτσι τις εκπομπές ενός από τα βασικότερα αέρια του θερμοκηπίου. Για την παραγωγή 1kg βιομάζας φύκους απαιτούνται 1,8 kg CO2. (στ) Για την παραγωγή τους δεν απαιτούνται εντομοκτόνα ή ζιζανιοκτόνα. Αξίζει να αναφερθεί επίσης, ότι ενώ ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης στα φύκη είναι ίδιος με αυτόν των ανώτερων φυτών, τα μικροφύκη είναι πιο ικανοί μετατροπείς της ηλιακής ενέργειας λόγω της απλής κυτταρικής τους δομής. Επίσης, τα κύτταρά τους έχουν πιο επαρκή πρόσβαση σε νερό, CO2 και άλλα θρεπτικά. Για τους λόγους αυτούς, τα μικροφύκη είναι ικανά να παράγουν 30 φορές μεγαλύτερη ποσότητα ελαίου ανά μονάδα έκτασης σε σχέση με τα ανώτερα φυτά. Έτσι, με βάση τις ποσότητες ελαίου που παράγουν, τα μικροφύκη αποτελούν τη μόνη πηγή για βιοκαύσιμα που μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τα ορυκτά καύσιμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι η παραγωγικότητα σε έλαιο ενός φύκους εξαρτάται από τον ρυθμό αύξησης του φύκους και το περιεχόμενο της βιομάζας σε έλαιο, και διαφέρει στα διάφορα είδη (Πίνακας 6.5). Οι ανανεώσιμες, ελεύθερες από άνθρακα, εφαρμογές που αξιοποιούν παράγωγα των φυκών περιλαμβάνουν: τρανσεστεροποίηση των λιπιδίων σε βιοντίζελ, σακχαροποίηση υδατανθράκων σε αιθανόλη, αεριοποίηση βιομάζας σε αέριο σύνθεσης (syngas), διάσπαση υδρογονανθράκων και ισοπρενοϊδών σε βενζίνη και απευθείας σύνθεση αερίου υδρογόνου. Η τρέχουσα οικονομική εκτίμηση του βιοντίζελ από φύκη τοποθετεί την τιμή παραγωγής στα 1,2-1,5€ το λίτρο. Μερικοί από τους παράγοντες που είναι απαραίτητοι για να μειώσουν το κόστος παραγωγής βιοκαυσίμων είναι η μεγιστοποίηση του λιπιδικού περιεχομένου και άλλων πρόδρομων των βιοκαυσίμων μορίων, μεγιστοποίηση του ρυθμού κυτταρικής αύξησης, αναγνώριση των χημικών επαγωγέων μεταβολικών αλλαγών και εφαρμογή πολυσταδιακών συστημάτων αύξησης. Επιπλέον, αυτό που σήμερα θεωρείται ότι μπορεί πραγματικά να βελτιώσει τη βιωσιμότητα και την οικονομία της παραγωγής βιοντίζελ από φύκη είναι ο συνεργιστικός συνδυασμός των διαφόρων εφαρμογών (π.χ. τρόφιμα, φάρμακα, επεξεργασία λυμάτων και επεξεργασία καυσαερίων) με την παραγωγή βιοντίζελ. Σήμερα, πολλά πιλοτικά εργοστάσια ανά τον κόσμο βρίσκονται σε λειτουργία με στόχο να παράγουν θαλάσσια βιοκαύσιμα με βιώσιμο τρόπο. Οι πηγές αυτών των εργοστασίων περιλαμβάνουν έλαια από θαλάσσια μονοκύτταρα χλωροφύκη (όπως μερικά είδη Chlorella και Dunaliella) και διάτομα (είδη του Navicula). Βιοκαύσιμα από γενετικά τροποποιημένα φύκη χρησιμοποιούνται ήδη σε καύσιμα που χρησιμοποιούν διάφορες αεροπορικές εταιρείες. Ορισμένα ταχυαυξή μακροφύκη όπως οι κέλπιες και μερικά ροδοφύκη εξετάζονται για την παραγωγή βιοκαυσίμων με τη μορφή αιθανόλης. Στην Ιαπωνία, την

Πηγή L ελαίου ανά στρέμμα ανά έτος

Φύκη 4.680-18.700

Φοίνικας 594

Καρύδα 268

Jatropha 194

Ελαιοκράμβη 119

Φιστίκι 106

Ηλιοτρόπιο 95

Ατρακτυλίς 78

Σόγια 45

Κάνναβη 36

Καλαμπόκι 17

19 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

Ευρώπη και άλλα μέρη του κόσμου, ήδη σχεδιάζεται να κατασκευαστούν επιπλέουσες “φάρμες μακροφυκών” για παραγωγή βιοκαυσίμων, οι οποίες σε συνδυασμό με άλλα θαλάσσια βιοκαύσιμα θα βοηθήσουν στην ενεργειοδότηση των οχημάτων και αεροπλάνων του μέλλοντος.

Πίνακας 6.5 Περιεκτικότητα σε έλαιο ορισμένων μικροφυκών.

Μικροφύκος Ομάδα Περιεχόμενο σε έλαιο (% ξηρής μάζας)

Botryococcus sp. Χλωροφύκη 25-75 Chlorella sp. Χλωροφύκη 28-32 Crypthecodinium cohnii Δινοφύκη 20 Cylindrothecasp. Διάτομα 16-37 Dunaliella primolecta Χλωροφύκη 23 Isochrysis sp. Απτοφύκη 25-33 Monallantus salina Ξανθοφύκη >20 Nannochloris sp. Χλωροφύκη 20-35 Nannochloropsis sp. Ευστιγματοφύκη 31-68 Neochloris oleoabundans Χλωροφύκη 35-54 Nitzschia sp. Διάτομα 45-47 Phaeodactylum tricornutum Διάτομα 20-30 Schizochytrium sp. Σταχυομαστιγωτά 50-77 Tetraselmis suecica Χλωροφύκη 15-23

8. Εμπορικές καλλιέργειες

8.1 Μακροφύκη Εμπορικές καλλιέργειες μακροφυκών υπάρχουν στην Ιαπωνία ήδη από τον 17ο αιώνα. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε, καθοριστικό ρόλο στην έντονη ανάπτυξη των καλλιεργειών που έγινε μετά τα μέσα του 20ου αιώνα, κυρίως των θαλάσσιων μακροφυκών, έπαιξε η ανακάλυψη της Βρετανίδας φυκολόγου Kathleen Drew Baker σχετικά με τον κύκλο ζωής ενός πολύ δημοφιλούς φύκους στην Ιαπωνία, του nori (ροδοφύκος του γένους Porphyra), το οποίο χρησιμοποιείται για την παρασκευή σούσι (sushi) (βλέπε Ενότητα 8.1.1). Παρόλο που συχνά παραμελούνται ή αγνοούνται, τα μακροφύκη έχουν σημαντικό βιολογικό, περιβαλλοντικό και οικονομικό ρόλο στα παράκτια οικοσυστήματα. Αντιπροσωπεύουν το 23,4% του όγκου και το 9,7% της αξίας της παγκόσμιας (θαλάσσια, υφάλμυρης και γλυκού νερού) υδατοκαλλιέργειας, που για το έτος 2012 εκτιμάται σε 23,8 εκατομμύρια τόνους και 5,7 δισεκατομμύρια €. Αυτό αντιστοιχεί σε μια αύξηση 100% σε σχέση με τα αντίστοιχα μεγέθη του 2003. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο τις θαλασσοκαλλιέργειες, τα υδρόβια φυτά αντιπροσωπεύουν περίπου το 26% του όγκου και το 15% της αξίας της. Το 92% των παγκόσμιων προμηθειών σε μακροφύκη προέρχονται από υδατοκαλλιέργειες, ενώ το 99,7% αυτών παρέχεται από χώρες της Ασίας. Σήμερα καλλιεργούνται περίπου 220 είδη φυκών αλλά μόνο έξι γένη καλύπτουν το 98,4% της παγκόσμιας υδατοκαλλιέργειας φυκών: το Laminaria (γνωστό ως kombu, 40,1% της παγκόσμιας υδατοκαλλιέργειας), το Undaria (wakame, 22,3%), το Porphyra (nori, 12,4%), το Eucheuma/Kappaphycus(11,6%), και το Gracilaria (8,4%). Τέσσερα μόνο γένη (Laminaria, Porphyra, Undaria και Gracilaria) αντιστοιχούν στο 95,6% της οικονομικής αξίας της. Οι εγκαταστάσεις των εμπορικών καλλιεργειών θαλάσσιων μακροφυκών είναι κατ’ εξοχήν υπαίθριες, μεγάλης καλλιεργητικής επιφάνειας που κυμαίνεται από μερικές δεκάδες έως εκατοντάδες εκτάρια (1 εκτάριο=10.000m2). Ουσιαστικά πρόκειται για εκτατικού τύπου καλλιέργειες, καλά προσαρμοσμένες στις τοπικές κλιματικές συνθήκες. Οι κύριοι τομείς της βιομηχανίας που στηρίζουν τα μακροφύκη (Πίνακας 6.6) είναι τα εδώδιμα φύκη, γνωστά και ως “θαλάσσια λαχανικά” (76,1% της παραγωγής και 88,3% της αξίας), τα φυκοκολλοειδή (11,2%

20 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

της παραγωγής και 10,8% της αξίας), και η αναδυόμενη αγορά των φυκοσυμπληρωμάτων (phycosupplements) που αντιστοιχεί στο 10,8% του όγκου και μόλις στο 0,9% της αξίας, αλλά με προοπτικές επέκτασης στο εγγύς μέλλον για νέα, υψηλής αξίας προϊόντα. Το πιο γνωστό φυκοκολλοειδές που εκχυλίζεται από μακροφύκη είναι το άγαρ, γνωστό για την ικανότητά του να σχηματίζει πηκτώματα. Το άγαρ χρησιμοποιείται για να προστατεύει τρόφιμα κατά την κονσερβοποίησή τους, σε τροφές χαμηλής περιεκτικότητας σε θερμίδες (επειδή δεν πέπτεται από τον άνθρωπο) και ως πηκτικό. Επίσης, χρησιμοποιείται στα καθαρτικά και άλλες φαρμακευτικές ουσίες, αλλά και στα καλλυντικά. Οι βιολόγοι χρησιμοποιούν το άγαρ ως μέσο καλλιέργειας βακτηρίων και μυκήτων. Ένα συστατικό του, η αγαρόζη, χρησιμοποιείται στην έρευνα που αφορά την ανάλυση πρωτεϊνών και DNA. Το άγαρ εκχυλίζεται σε εμπορική κλίμακα από αρκετά είδη ροδοφυκών και ιδιαίτερα από είδη των Gelidium, Gelidiella και Pterocladiella. Μια άλλη κατηγορία φυκοκολλοειδών, οι καραγενάνες, λαμβάνονται από τα ροδοφύκη, όπως το Chondrus στον βόρειο Ατλαντικό και το Eucheuma στις τροπικές περιοχές. Πολλά είδη Eucheuma καλλιεργούνται εκτεταμένα στις Φιλιππίνες. Οι καραγενάνες είναι ιδιαίτερα πολύτιμες ως γαλακτοματοποιητές. Τα μακροφύκη μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως λιπάσματα, προσθετικά ζωοτροφών και ως υλικό επίδεσης τραυμάτων στα νοσοκομεία. Τα κοραλλιοειδή ροδοφύκη χρησιμοποιούνται συχνά στην Ευρώπη για τη μείωση της οξύτητας του εδάφους, ενώ μερικά ροδοφύκη πωλούνται στην αγορά ως συμπληρώματα διατροφής. Τα μακροφύκη ερευνώνται επίσης ως πηγή βιοκαυσίμων (βλέπε Ενότητα 7).

Πίνακας 6.6 Κύριοι τομείς της βιομηχανίας μακροφυκών και η οικονομική τους αξία.

Τομέας Ακατέργαστο υλικό

(υγροί τόνοι) Προϊόν (τόνοι)

Αξία (εκατομ. €)

Εδώδιμα φύκη 8.590.000 1.420.000 4.880 Kombu (Laminaria) 4.520.000 1.080.000 2.500 Nori (Porphyra) 1.400.000 141.556 1.230 Wakame (Undaria) 2.520.000 166.320 940

Φυκοκολλοειδή 1.260.000 70.630 600 Καραγενάνες 528.000 33.000 277 Αλγινικά οξέα 600.000 30.000 196 Άγαρ 127.167 7.630 126

Φυκοσυμπληρώματα 1.220.000 242.600 49 Προσθετικά εδάφους 1.100.000 220.000 27,7 Αγροχημικά 20.000 2.000 9,2 Ζωοτροφές 100.000 20.000 9,2

Φαρμακευτικά προϊόντα, συμπληρώματα, προϊόντα κοσμετολογίας, χρωστικές, βιοδραστικές ουσίες, αντι-ιικοί παράγοντες, ζυθοποιία

3.000 600 2,8

Ένα πολύ σημαντικό νέο πεδίο εφαρμογής που σχετίζεται με τις υδατοκαλλιέργειες των μακροφυκών είναι ο βιομετριασμός (biomitigation). Οι κυρίαρχες πρακτικές της μονοκαλλιέργειας και των κοινωνικοοικονομικών συνηθειών έχουν οδηγήσει σε μια γεωγραφική απομόνωση των διαφορετικών τύπων υδατοκαλλιεργειών, και ως εκ τούτου, σπάνια εξισορροπούνται μεταξύ τους σε τοπικό ή περιφερειακό επίπεδο. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τον φυκομετριασμό (phycomitigation), με την ανάπτυξη των ολοκληρωμένων υδατοκαλλιεργειών (ΙΝΤΑQ-Integrated Aquacultures), μια ιδέα που βασίζεται σε μια παλιά, κοινή λογική, την ανακύκλωση. Οι ολοκληρωμένες υδατοκαλλιέργειες είναι οι καλλιέργειες δύο ή περισσότερων ειδών από διαφορετικά τροφικά επίπεδα σε μία μονάδα με τρόπο ώστε να μιμούνται τα μονοπάτια ροής ενέργειας των φυσικών οικοσυστημάτων, και

21 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

γεωργικές πρακτικές στις οποίες τα παραπροϊόντα της καλλιέργειας ενός είδους γίνονται τροφή για ένα άλλο.

8.1.1 Καλλιέργεια Porphyra To γένος Porphyra ανήκει στο άθροισμα των Rhodophyta (κλάση Rhodophyceae, τάξη Bangiales, οικογένεια Bangiaceae). Περιλαμβάνει περίπου 70 είδη που απαντούν σε βραχώδεις ακτές στην υποπαραλιακή ζώνη, από τις πολικές μέχρι τις τροπικές περιοχές. Η πιο κοινή μορφή ανάπτυξης είναι ένας φυλλοειδής θαλλός που αποτελείται από λεπτά, μεγάλα ελάσματα. Ο θαλλός αναπτύσσεται σε στέρεο υπόστρωμα και συνιστά την εμπορεύσιμη ύλη του φύκους. Αποτελείται από μια στρώση κυττάρων ερυθράς απόχρωσης, η οποία οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητά του σε φυκοερυθρίνη, η οποία εντοπίζεται στην εξωτερική επιφάνεια των πλαστιδίων, στα φυκοβιλλισώματα. Οι διαστάσεις του εμπορεύσιμου θαλλού έχουν πλάτος 5-10 cm και μήκος 15-30 cm. Εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων, τα είδη του γένους Porphyra διαθέτουν έναν ετήσιο, διφασικό, ετερόμορφο κύκλο ζωής με εναλλασσόμενες την γαμετοφυτική (φυλλοειδής θαλλός) και σποριοφυτική (νηματοειδής θαλλός) γενεά (Εικόνα 6.6).

Εικόνα 6.6 Σχηματική αναπαράσταση του κύκλου ζωής του Porphyra σε συνθήκες καλλιέργειας. Τα ελάσματα στην εγγενή αναπαραγωγή παράγουν μονοκύτταρα φυλλοσπόρια ή αγενή αγαμοσπόρια που εποικούν όστρακα και σχηματίζουν μικρές νηματοειδείς μορφές (φάση-Conchocelis) που παράγουν διπλοειδή καρποσπόρια (κογχοσπόρια). Τα τελευταία επάγονται προς εποικισμό ειδικών σκοινιών που βρίσκονται αναρτημένα στη θάλασσα και παράγουν ελάσματα. Ελάσματα μπορεί να προκύψουν και αγενώς. Τροποποιημένη από Mumford και Miura (1988) (ελεύθερη διάθεση με αναφορά της πηγής από Cambridge University Press).

Σήμερα, η παραγωγή γόνου, δηλαδή κογχοσπορίων, γίνεται σε ειδικές εγκαταστάσεις κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες κυρίως θερμοκρασίας και φωτισμού. Σε αυτό συνέβαλε η ανακάλυψη της

22 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

Βρετανίδας φυκολόγου Kathleen Drew Baker στον κύκλο ζωής της Porphyra. Συγκεκριμένα, η Baker χρησιμοποιώντας τεχνικές καλλιεργειών διαπίστωσε ότι το γνωστό μέχρι τότε νηματοειδές ροδοφύκος με την ονομασία Conchocelis rosea, που αναπτυσσόταν σε άδεια κελύφη οστρακοειδών, αποτελούσε μια φάση στον κύκλο ζωής της Porphyra από το οποία παράγονταν ο γόνος ή τα κογχοσπόρια. Τα αποτελέσματα της που δημοσιεύτηκαν το 1949 στο περιοδικό Nature μεταμόρφωσαν τη βιομηχανία. Στις σύγχρονες μονάδες καλλιέργειας, η παραγωγή του γόνου κογχοσπορίων γίνεται πλέον σε δεξαμενές θερμοκηπίων. Η διάρκεια φωτός δεν πρέπει να ξεπερνά τις 14 ώρες την ημέρα ούτε να είναι μικρότερη από 8 ώρες. Βέλτιστη θερμοκρασία για την παραγωγή κογχοσπορίων θεωρούνται οι 21οC. Ο ανωτέρω συνδυασμός φωτοπεριόδου και θερμοκρασίας στο φυσικό περιβάλλον παρατηρείται σε ακτές της Ιαπωνίας προς τα τέλη Σεπτεμβρίου. Ο γόνος, προσκολλημένος σε ειδικά δίχτυα διαμέτρου πόρων 15x15mm, μεταφέρεται στις αρχές του φθινοπώρου στο φυσικό περιβάλλον για να εκβλαστήσουν οι φυλλοειδείς θαλλοί. Τα δίχτυα-φορείς τοποθετούνται με τη βοήθεια αλτήρων σε αβαθείς, κατά προτίμηση, περιοχές προστατευμένες από τον κυματισμό. Η συγκομιδή του φυλλοειδούς θαλλού γίνεται με τη βοήθεια ειδικών σκαφών από τις αρχές του Οκτωβρίου έως τα μέσα Μαρτίου. Στο διάστημα αυτό, επιτυγχάνονται 3-4 σοδιές. Οι κύριες καλλιεργητικές ποικιλίες είναι εκείνες με τα ιδιαιτέρως μεγάλα ελάσματα που παρουσιάζουν καθυστερημένη φυλετική ωρίμανση και υψηλό ρυθμό αύξησης, της τάξης των 3-4cm την ημέρα. Σχεδόν όλα τα ελάσματα της Porphyra είναι γενετικά μωσαϊκά που έχουν προέλθει από έως και τέσσερις διαφορετικούς γενότυπους. Εκτός από τις χώρες της Άπω Ανατολής, εμπορικές καλλιέργειες του γένους Porphyra υπάρχουν ήδη από τη δεκαετία του 1980 στη βόρεια Αμερική. Στην Ευρώπη, ο κλάδος των καλλιεργειών έχει πολύ λίγο αναπτυχθεί, με ορισμένες μονάδες στη Γαλλία και τη Νορβηγία.

8.2 Mικροφύκη Οι δυνατότητες για εμπορικές χρήσεις των μικροφυκών παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτες. Καταρχάς, εκτιμάται ότι υπάρχουν αρκετά εκατομμύρια είδη φυκών σε σύγκριση με τα περίπου 250.000 είδη χερσαίων φυτών. Η εμπορική παραγωγή μικροφυκών μεγάλης κλίμακας ξεκίνησε στις αρχές του 1960 στην Ιαπωνία με την καλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorella, που χρησιμοποιείται ως πρόσθετο τροφίμων, και ακολούθησε, κατά τη δεκαετία του 1970 και 1980, εκτεταμένη παγκόσμια παραγωγή σε χώρες όπως οι ΗΠΑ, η Ινδία, το Ισραήλ και η Αυστραλία. Το 2012, η βιομηχανία μικροφυκών έφτασε στην παραγωγή πάνω από 9.000 τόνων ξηρού βάρους ετησίως (Πίνακας 6.7). Η κατανάλωση βιομάζας μικροφυκών από τον άνθρωπο περιορίζεται σε πολύ λίγα είδη λόγω των αυστηρών κανονισμών ασφαλείας των τροφίμων, εμπορικών παραγόντων, ζήτησης της αγοράς και ειδικής προετοιμασία που απαιτείται. Στην αγορά κυριαρχούν τα χλωροφύκη Chlorella και Dunaliella και το κυανοβακτήριο σπιρουλίνα (Arthrospira). H βιομάζα των μικροφυκών κυκλοφορεί στο εμπόριο σε μορφή δισκίου ή σκόνης ως πρόσθετα τροφίμων ειδών υγιεινής διατροφής, η οποία αναμένεται να παραμείνει μια σταθερή αγορά. Η παραγωγή της Chlorella, η οποία έχει υψηλή διατροφική αξία και υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη, έφτασε το 2012 τους 2.500 τόνους ετησίως (Πίνακας 6.7). Η Chlorella χρησιμοποιείται επίσης στην ιατρική σε φάρμακα για την προστασία έναντι της νεφρικής ανεπάρκειας και τη διέγερση της ανάπτυξης του εντερικού λακτοβάκιλου. Η Dunaliella salina, με ετήσια παραγωγή 2.000 τόνους ετησίως (Πίνακας 6.7), αξιοποιείται για το περιεχόμενο β-καροτένιο που φτάνει έως και το 14% της ξηρής βιομάζας. Συγκεκριμένα είδη φυκών είναι κατάλληλα για χρήση ως συμπληρώματα σε ζωοτροφές. Φύκη όπως η Chlorella, το χλωροφύκος Scenedesmus και η σπιρουλίνα (Arthrospira) έχουν ευεργετικά αποτελέσματα στην υγεία των εκτρεφόμενων ζώων: βελτίωση του ανοσοποιητικού, βελτιωμένη γονιμότητα, καλύτερο έλεγχο του βάρους, υγιέστερο δέρμα. Ωστόσο, η παρατεταμένη σίτιση με υψηλές συγκεντρώσεις αυτών των φυκών θα μπορούσε να είναι επιζήμια. Τα φύκη είναι η φυσική πηγή τροφής πολλών σημαντικών ειδών υδατοκαλλιέργειας, όπως τα μαλάκια, οι γαρίδες και ορισμένα ψάρια. Οι κύριες χρήσεις της

23 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

βιομάζας μικροφυκών στις υδατοκαλλιέργειες είναι οι εξής: τροφή σε ιχθυοκαλλιέργειες, συμπεριλαμβανομένης της διατροφής των προνυμφών μαλακίων ή των γαρίδων Penaeidae, ενίσχυση του χρώματος των εκτρεφόμενων σολομών, σταθεροποίηση και βελτίωση της ποιότητας του μέσου καλλιέργειας, επαγωγή των βασικών βιολογικών δραστηριοτήτων σε εκτρεφόμενα υδρόβια είδη και ενίσχυση του ανοσοποιητικού συστήματος των ψαριών.

Πίνακας 6.7 Κύρια καλλιεργούμενα είδη μικροφυκών, προϊόντα και η οικονομική τους αξία.

* ξβ: ξηρή βιομάζα, DHA: εικοσιδιεξαενοϊκό οξύ, ένα πολυακόρεστο λιπαρό οξύ

Ορισμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας των μικροφυκών, κυρίως η πυρόλυση, έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός στερεού υπολείμματος άνθρακα που ονομάζεται βιοκάρβουνο (biochar) και είναι χρήσιμο σε γεωργικές εφαρμογές ως βιολίπασμα αλλά και για τη δέσμευση του CO2. Η εφαρμογή του για τη δέσμευση CO2 μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μακροπρόθεσμο σύστημα απομάκρυνσης που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα έως και 84%. Οι δυνατότητες είναι τόσο μεγάλες, που έχει προταθεί ότι το βιοκάρβουνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή βιοκαυσίμων με αρνητικό ενεργειακό αποτύπωμα. Τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (PUFA) είναι απαραίτητα για την ανθρώπινη ανάπτυξη και φυσιολογία. Μεταξύ άλλων, έχει αποδειχθεί ότι τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα μειώνουν τον κίνδυνο καρδιαγγειακής νόσου. Επί του παρόντος, τα ψάρια και τα ιχθυέλαια είναι οι κύριες πηγές πολυακόρεστων λιπαρών οξέων αλλά η χρήση τους ως πρόσθετο τροφίμων είναι περιορισμένη λόγω πιθανής συσσώρευσης τοξινών, οσμής ψαριού, δυσάρεστης γεύσης, οξειδωτικής αστάθειας, παρουσίας μικτών λιπαρών οξέων και ακαταλληλότητας για χορτοφαγικές δίαιτες. Τα μικροφύκη αποτελούν κύρια πηγή πολυακόρεστων λιπαρών οξέων και στη φύση τροφοδοτούν ολόκληρες τροφικές αλυσίδες με αυτά τα ζωτικής σημασίας συστατικά, αφού τα ανώτερα φυτά και τα ζώα δεν διαθέτουν τα απαιτούμενα ένζυμα για να συνθέσουν πολυακόρεστα λιπαρά οξέα. Τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα των μικροφυκών έχουν επίσης πολλές άλλες εφαρμογές, όπως πρόσθετα σε γάλα βρεφών ή τη διατροφή πουλερικών για την παραγωγή αυγών πλούσιων σε ωμέγα-3. Προς το παρόν, το εικοσιδιεξαενοϊκό οξύ είναι το μόνο εμπορικά διαθέσιμο πολυακόρεστο λιπαρό οξύ, επειδή τα εκχυλίσματα των μικροφυκών δεν είναι ακόμη ανταγωνιστικές πηγές για τα βασικά

Μικροφύκος

Ομάδα Ετήσια παραγωγή (τόνοι)

Παραγωγός χώρα

Πεδίο εφαρμογής-προϊόν

Τιμή (€)

Spirulina (Arthrospira) κυανοβακτήρια 4.000 ξβ* Kίνα, Ινδία, ΗΠΑ, Μιανμάρ, Ιαπωνία, Ελλάδα

ανθρώπινη διατροφή ζωοτροφές καλλυντικά φυκοβιλιπρωτεΐνες

36 kg-1

11mg-1 Chlorella spp. χλωροφύκη 2.500 ξβ Ταϊβάν,

Γερμανία, Ιαπωνία

ανθρώπινη διατροφή καλλυντικά υδατοκαλλιέργειες

36 kg-1

50 L-1 Dunaliella salina χλωροφύκη 2.000 ξβ Αυστραλία,

Ισραήλ, ΗΠΑ, Ιαπωνία

ανθρώπινη διατροφή καλλυντικά β-καροτένιο

215-2150 kg-1

Aphanizomenon flos-aquae

κυανοβακτήρια 500 ξβ ΗΠΑ ανθρώπινη διατροφή

Haematococcus pluvialis χλωροφύκη 300 ξβ ΗΠΑ, Ινδία, Ισραήλ

υδατοκαλλιέργειες ασταξανθίνη

50 L-1 7150kg-1

Crypthecodinium cohnii δινοφύκη 240 έλαιο DHA* ΗΠΑ έλαιο DHA 43 g-1 Schizochytrium sp. σταχυομαστιγωτά 240 έλαιο DHA ΗΠΑ έλαιο DHA 43 g-1

24 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

πολυακόρεστα λιπαρά οξέα όπως το εικοσιπεντανοϊκό οξύ, το γ-λινολενικό οξύ και το αραχιδονικό οξύ, έναντι των άλλων πρωτογενών πηγών. Σημαντικά προϊόντα που λαμβάνονται από εκχυλίσματα μικροφυκών περιλαμβάνουν το β-καροτένιο, την ασταξανθίνη, και τη C-φυκοκυανίνη. Το καροτενοειδές β-καροτένιο έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χρωστική τροφίμων, ως πηγή προ-βιταμίνης Α και ως πρόσθετο σε καλλυντικά. Το χλωροφύκος Dunaliella salina είναι η καλύτερη βιολογική πηγή του β-καροτένιου και μπορεί να παράγει μέχρι και 14% του ξηρού του βάρους. Το μεγαλύτερο μέρος (>90%) του β-καροτένιου που διατίθεται στην αγορά συντίθεται χημικά και οι τιμές για το φυσικό β-καροτένιο κυμαίνονται από 215 έως 2150 € το κιλό. Το καροτενοειδές ασταξανθίνη έχει δυνητικές εφαρμογές στη φαρμακευτική διατροφή, τα καλλυντικά, τις βιομηχανίες τροφίμων και ζωοτροφών. Είναι ένα ισχυρό αντιοξειδωτικό με πιθανούς ρόλους στην ανθρώπινη υγεία όπως η προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία, η ενίσχυση του ανοσοποιητικού συστήματος, και η δράση του ως πρόδρομος ορμονών, πηγή προ-βιταμίνης Α και αντιφλεγμονώδες. Είναι επίσης ένας ισχυρός παράγοντας χρωματισμού, που χρησιμοποιείται για τον χρωματισμό των μυών σε ψάρια. Το χλωροφύκος Haematococcus pluvialis είναι μια πλούσια φυσική πηγή σε ασταξανθίνη και μπορεί να περιέχει 1-8% του ξηρού του βάρους ασταξανθίνη. Η φυσικής προέλευσης ασταξανθίνη προτιμάται έναντι της συνθετικής και η αξία της στην αγορά είναι 7.150 € το κιλό. Η C-φυκοκυανίνη (C-PC) είναι μια κύρια φωτοσυνθετική χρωστική κυανού χρώματος που βρίσκεται στα κυανοβακτήρια, τα ροδοφύκη και τα κρυπτοφύκη. Η C-φυκοκυανίνη έχει εφαρμογές ως θρεπτική ουσία για τον άνθρωπο και τα ζώα, ως φυσική χρωστική για τρόφιμα και καλλυντικά και στη φαρμακευτική βιομηχανία λόγω των αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων της. Επί του παρόντος, η C-PC χρησιμοποιείται ως συστατικό σε τροφές που προέρχονται από κυανοβακτήρια. Η κύρια εμπορική χρήση της είναι ως φυσική χρωστική ουσία, για την αντικατάσταση συνθετικών χρωστικών. Ωστόσο, πρόσφατες έρευνες έχουν επεκτείνει τις δυνατότητες της C-PC στον τομέα της βιοτεχνολογίας, τη διαγνωστική, τα τρόφιμα και την ιατρική. Για παράδειγμα, οι ιδιότητές της την καθιστούν πολύ ισχυρό αντιδραστήριο φθορισμού για χρήση σε πειράματα ανοσοσήμανσης. Σήμερα, εξάγεται από συστήματα ανοικτών καλλιεργειών του κυανοβακτηρίου σπιρουλίνα (Arthrospira) και του ροδοφύκους Porphyridium cruentum. Η τιμή των προϊόντων φυκοβιλιπρωτεϊνών κυμαίνονται από 215 έως 1.790€ το κιλό για τη φυσική χρωστική, αλλά μπορεί να φτάσει τα 10.700€ το κιλό για διασυνδεδεμένες χρωστικές.

8.2.1 Kαλλιέργεια σπιρουλίνας (Arthrospira) To γένος Arthrospira ανήκει στο άθροισμα (ή φύλο) Cyanobacteria (κλάση Cyanophyceae, τάξη Oscillatoriales, οικογένεια Microcoleaceae). Περιλαμβάνει περίπου 35 είδη που απαντούν συνήθως σε αλκαλικές, εύτροφες και υψηλής αλατότητας λίμνες. Tα κυανοβακτήρια είναι προκαρυωτικοί οργανισμοί που διεξάγουν φωτοσύνθεση παρόμοια με εκείνη των ευκαρυωτικών φυκών και των ανώτερων φυτών. Τα κυανοβακτήρια του γένους Arthrospira σχηματίζουν νηματοειδείς αποικίες με χαρακτηριστική ελικοειδή μορφή των νημάτων (Εικόνα 6.7A).Τα νήματά τους αποτελούνται από πολλά κυλινδρικά κύτταρα και έχουν πρασινο-κυανή απόχρωση ως αποτέλεσμα των κύριων φωτοσυνθετικών τους χρωστικών (χλωροφύλλη-α και φυκοκυανίνη). Ως προκαρυωτικοί οργανισμοί δεν διαθέτουν οργανωμένο πυρήνα ούτε οργανίδια (πλαστίδια, μιτοχόνδρια) και το κυτταρικό τους τοίχωμα είναι παρόμοιας δομής και σύστασης με τα κατά Gram αρνητικά βακτήρια. Τα κύτταρα αναπαράγονται αποκλειστικά αγενώς με διχοτόμηση και παραμένουν μεταξύ τους ενωμένα μετά τη διαίρεση, περιβαλλόμενα από μία θήκη. Παρόλο που τα κυανοβακτήρια Arthrospira και Spirulina έχουν αναγνωριστεί ως διαφορετικά γένη4 από το 1989, το καθιερωμένο εμπορικό όνομα “Spirulina” χρησιμοποιείται ευρέως, για τα εμπορικά είδη του

4Στην τελευταία ταξινομική αναθεώρηση των κυανοβακτηρίων (2015) το γένος Spirulina μεταφέρθηκε σε μια νέα ξεχωριστή τάξη, την Spirulinales μαζί με τα συγγενικά γένη Glaucospira και Halospirulina.

25 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

γένους Arthrospira. Τα κοινά μορφολογικά, φυσιολογικά και οικολογικά χαρακτηριστικά μεταξύ των Arthrospira και Spirulina δημιουργούν δυσκολίες στην αναγνώρισή τους, ενώ η συχνή μεταβολή ορισμένων μορφολογικών χαρακτηριστικών τους, που παρατηρείται σε συνθήκες καλλιέργειας, εντείνει περεταίρω το πρόβλημα της διάκρισης των δύο γενών. Η χρήση της πολυφασικής ταξινόμησης των κυανοβακτηρίων (η οποία συνδυάζει μορφολογικά, φυλογενετικά, κυτταρολογικά, οικολογικά, βιοχημικά κ.α. γνωρίσματα) οδήγησε στην οριστική διάκριση των δύο γενών. Αποτέλεσμα τούτου, ήταν πολλά είδη που ανήκαν στο γένος Spirulina μεταξύ των οποίων και τα σημαντικά από οικονομικής απόψεως καλλιεργούμενα είδη Spirulina maxima και Spirulina platensis, να μεταφερθούν στο γένος Arthrospira και να μετονομαστούν σε Arthrospira maxima και Arthrospira platensis, αντίστοιχα.

Εικόνα 6.7 Το εμπορικώς καλλιεργούμενο κυανοβακτήριο σπιρουλίνα (Arthrospira). Φωτογραφία στελέχους σε οπτικό μικροσκόπιο (Α). Στελέχη Arthrospira καλλιεργούνται και η βιομάζα τους συλλέγεται, ξηραίνεται και λαμβάνεται ως νιφάδες (Β) που ακολούθως κονιορτοποιούνται (Γ) και συσκευάζονται σε χάπια ή κάψουλες (Δ). Φωτογραφίες © Σπύρος Γκέλης.

Πέρα από την ονοματολογική σύγχυση που μπορεί να δημιουργείται σε μη ειδικούς, η διάκριση των δύο γενών είναι σημαντική καθώς αυτά διαφέρουν σε ορισμένα σημαντικά για τις υδατοκαλλιέργειες ποιοτικά χαρακτηριστικά (π.χ. παρουσία γ-λινολενικού οξέος, διαφορετική θρεπτική αξία). Τα κυριότερα διαγνωστικά γνωρίσματα για το διαχωρισμό των γενών Arthrospira και Spirulina είναι το πλάτος τριχώματος, η αρχιτεκτονική των σπειρών του τριχώματος, τα εγκάρσια τοιχώματα των κυττάρων του

26 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

τριχώματος, η παρουσία αεροτοπίων, η παρουσία γ-λινολενικού οξέος, η διαφορετική αλληλουχία των 16S rRNA γονιδίων. Η μοριακή ταξινόμηση με την αλληλούχιση φυλογενετικώς πληροφοριακών περιοχών του γονιδιώματος (16S rRNA γονίδιο, οπερόνιο φυκοκυανίνης, κ.λπ.) αποτελεί τον ασφαλέστερο τρόπο διάκρισης καθώς η μορφολογική διάκριση αφενός απαιτεί υψηλής εξειδίκευσης προσωπικό και αφετέρου μπορεί να καταστεί δύσκολη αν κάποιο από τα διαγνωστικά γνωρίσματα μεταβληθεί σε συνθήκες καλλιέργειας. Διαιτητικά, το κυανοβακτήριο Arthrospira χαρακτηρίζεται από υψηλή θρεπτική αξία διότι έχει εξαιρετικά υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες (50-71% της ξηρής βιομάζας). Η πρωτεΐνη της σπιρουλίνας είναι πλήρης καθώς περιέχει όλα τα απαραίτητα αμινοξέα (αν και με σχετικά μειωμένα ποσοστά σε μεθειονίνη, κυστεΐνη και λυσίνη σε σύγκριση με τις ζωικές πρωτεΐνες). Περιέχει περίπου 7% λιπαρά, τα περισσότερα από τα οποία είναι πολυακόρεστα. Είναι πολύ πλούσια σε γ- λινολενικό οξύ (GLA) ενώ περιέχει και εικοσιδιεξαενοϊκό οξύ (DHA), εικοσιπεντανοϊκό οξύ (ΕΡΑ), στεαριδονικό οξύ (SDA), αραχιδονικό οξύ (ΑΑ). H σπιρουλίνα περιέχει βιταμίνες Β1, Β2, Β6, Β9, Α, C και Ε. Τέλος, περιέχει πολλές βιοδιαθέσιμες χρωστικές, ωφέλιμες για την ανθρώπινη υγεία, όπως β-καροτένιο, ζεαξανθίνη, ξανθοφύλλες και βέβαια C-φυκοκυανίνη. Παρόλο που οι περισσότερες εταιρείες που καλλιεργούν και εμπορεύονται τη σπιρουλίνα ισχυρίζονται ότι αποτελεί σημαντική πηγή βιταμίνης Β12, οι μέχρι σήμερα έρευνες δείχνουν ότι περιέχει κυρίως ψευδοβιταμίνη Β12, η οποία είναι ανενεργή στον άνθρωπο. Ένα σημαντικό στοιχείο που συχνά παραβλέπεται από τους καλλιεργητές της σπιρουλίνας είναι η ενδεχόμενη τοξικότητα. Είναι γνωστό ότι ένας μεγάλος αριθμός ειδών κυανοβακτηρίων έχει την ικανότητα να παράγει τοξίνες ως προϊόντα του μεταβολισμού του (κυρίως ηπατοτοξίνες και νευροτοξίνες). Ενδεχόμενη έκθεση σε τοξικά κυανοβακτήρια μέσω της διατροφής μπορεί να προκαλέσει τόσο οξείες (θάνατος) όσο και χρόνιες (καρκινογένεση) τοξινώσεις. Τελευταία βρέθηκε ότι πολλά κυανοβακτήρια είναι ικανά να παράγουν την ουσία β-Ν-μεθυλαμινο-αλανίνη (BMAA). Το BMAA συνδέεται με μια σειρά νευρολογικών ασθενειών όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, η νόσος Lou Gehrig (ALS) και η νόσος Alzheimer. Μια έρευνα που έγινε στην ασιατική αγορά σε προϊόντα με το όνομα “Spirulina” έδειξε ότι το 94% των σκευασμάτων περιείχαν ηπατοτοξίνες, ενώ το 2008 στην Κρήτη συνέβη ένα επεισόδιο ραβδομυόλυσης που συνδέθηκε με την κατανάλωση συμπληρώματος διατροφής “Spirulina”. Μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί κάποιο τοξικό στέλεχος Arthrospira (αν και το είδος A. fusiformis ενοχοποιήθηκε για το θάνατο πτηνών σε δύο λίμνες στην Τανζανία). Η ανησυχία προέρχεται κυρίως από το γεγονός ότι η βιομάζα Arthrospira που παράγεται σε ανοικτά συστήματα ή συλλέγεται από φυσικά συστήματα μπορεί να περιέχει κυανοτοξίνες ως αποτέλεσμα μόλυνσης της καλλιέργειας από άλλα κυανοβακτήρια που παράγουν τοξίνες (π.χ. είδη του γένους Microcystis) και όχι στο ίδιο το Arthrospira. Εξαιτίας αυτών των ενδεχόμενων που μπορεί να είναι ιδιαίτερα επικίνδυνα για τη δημόσια υγεία συνίσταται να γίνονται τακτικοί έλεγχοι τοξικότητας των καλλιεργειών με αξιόπιστες μεθόδους (π.χ. μοριακή ανίχνευση γονιδίων υπεύθυνων για τη βιοσύνθεση τοξινών, υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας) ενώ πολλές χώρες έχουν ήδη προχωρήσει στον τακτικό έλεγχο των κυανοτοξινών σε προϊόντα διατροφής και έχουν υιοθετήσει ανώτατα όρια συγκέντρωσης για την ασφαλή κατανάλωσή τους. Όπως αναφέρθηκε (βλέπε Ενότητα 6.2) η χρήση της σπιρουλίνας ως διατροφικού προϊόντος περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Ισπανό εξερευνητή Toribio de Benavente, ο οποίος κατέγραψε ιθαγενείς της λίμνης Texcoco στο Μεξικό να συλλέγουν τη βιομάζα κυανοβακτηρίων (αργότερα διαπιστώθηκε ότι πράγματι ανήκαν στο γένος Arthrospira) από τις λίμνες και να τη χρησιμοποιούν για την παρασκευή ενός είδους πίτας, γνωστή ως «tecuitlatl» (βλέπε Εικόνα 6.1α). Μέχρι τη δεκαετία του 1970, η χρήση της σπιρουλίνας ήταν περιορισμένη και η προμήθεια της βιομάζας της γινόταν από τη φύση. Η ανακάλυψη της θρεπτικής της αξίας και η καθιέρωση της ως διατροφικού προϊόντος υψηλής ποιότητας (η σπιρουλίνα πλέον συγκαταλέγεται στις λεγόμενες υπερ-τροφές) οδήγησε στην τεράστια ανάπτυξη της καλλιέργειάς της

27 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

παγκοσμίως. Σήμερα η παγκόσμια παραγωγή σπιρουλίνας ανέρχεται σε 4.000 τόνους ξηρής βιομάζας ετησίως (βλέπε Πίνακα 6.7). Η καλλιέργεια σπιρουλίνας γίνεται κυρίως σε ανοιχτά συστήματα, ενώ οι φωτοβιοαντιδραστήρες συνήθως χρησιμοποιούνται για μικρή παραγωγή ή για τη σταδιακή μεταφορά της καλλιέργειας από το απόθεμα στα ανοιχτά συστήματα (scale-up) (Εικόνα 6.8A). Τα νήματα Arthrospira αναπτύσσονται ελεύθερα στη στήλη του νερού το οποίο αποτελεί και το μέσο καλλιέργειας. Στις εμπορικές καλλιέργειες μαζικής παραγωγής, η αύξηση του φύκους γίνεται σε ρηχές δεξαμενές ή υδατοδιαδρόμους βάθους 20-30cm, πλάτους 5-20m και μήκους αρκετών δεκάδων έως εκατοντάδων μέτρων (Εικόνα 6.8B). Οι δεξαμενές κατασκευάζονται είτε ως κοιλώματα μέσα στο έδαφος είτε ως υπέργειες τοιχοποιίες από σκυρόδεμα. Στις χωμάτινες κατασκευές, η επιφάνεια του πυθμένα και των πλευρικών τοιχωμάτων καλύπτεται με ανθεκτική μεμβράνη από υλικό τύπου PVC, ενώ στις δεξαμενές τοιχοποιίας με επίστρωση από ειδικές ρητίνες. Οι δεξαμενές μπορεί να είναι υπαίθριες ή στεγανές (θερμοκήπια).

Εικόνα 6.8 Καλλιέργεια του κυανοβακτηρίου σπιρουλίνα (Arthrospira) σε φωτοβιοαντιδραστήρα (Α) και ανοιχτό σύστημα υδατοδιαδρόμου (Β). Φωτογραφία Α © Νίκος Ζαούτσος, Φωτογραφία Β © Σπύρος Γκέλης.

Όπως και για τα υπόλοιπα μικροφύκη, έτσι και για την καλλιέργεια της Arthrospira οι κρίσιμοι παράγοντες είναι ο φωτισμός, η θερμοκρασία, το pH και η διαθεσιμότητα των θρεπτικών. Εργαστηριακές έρευνες δείχνουν ότι η αύξηση του A. platensis κορρένυται σε ένταση φωτισμού μεταξύ 150 - 200μE m-2 s-1. Η

28 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

φωτοαναστολή και φωτοοξείδωση προλαμβάνονται με τη συνεχή ανάμιξη της καλλιέργειας και τη διατήρηση υψηλής πυκνότητας κυττάρων. Η ανάμιξη στις ανοιχτές καλλιέργειες υποστηρίζεται μηχανικά με μηχανοκίνητες φτερωτές, κατακόρυφα τοποθετημένες σε διάφορα σημεία των υδατοδιαδρόμων (Εικόνα 6.8B). O μέγιστος ρυθμός αύξησης (μmax) της Arthrospira αντιστοιχεί σε χρόνο αναδιπλασιασμού μεταξύ 8-10h. H Arthrospira είναι ένας σχετικά θερμόφιλος οργανισμός. Η βέλτιστη θερμοκρασία καλλιέργειας κυμαίνεται μεταξύ 30-38oC. Ωστόσο, πολλά στελέχη διαφέρουν τόσο ως προς τη βέλτιστη θερμοκρασία αύξησης όσο και ως προς την αντοχή τους σε ακραίες θερμοκρασίες. Έχει βρεθεί στέλεχος Arthrospira με βέλτιστη θερμοκρασία τους 24-28oC, ενώ άλλο μεγαλώνει περίφημα και στους 40-42oC. Η θερμοκρασία καλλιέργειας επηρεάζει επιπλέον και τη βιοχημική σύσταση των κυττάρων. Έχουν βρεθεί στελέχη στα οποία, όταν μεγαλώνουν στη μέγιστη θερμοκρασία αύξησης 42oC, παρατηρείται μια αξιοσημείωτη ελάττωση των φωτοσυνθετικών χρωστικών και των πρωτεϊνών με ταυτόχρονη αύξηση του κυτταρικού περιεχομένου σε υδατάνθρακες, γεγονός που σχετίζεται με τον βαθμό κορεσμού των λιπαρών οξέων. Πρακτικά η εξασφάλιση των κατάλληλων για καλλιέργεια επιπέδων θερμοκρασίας απαιτεί τη θέρμανση του νερού της καλλιέργειας. Αυτό μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, όπως για παράδειγμα η κυκλοφορία θερμού νερού μέσω σωλήνων τοποθετημένων στον πυθμένα των δεξαμενών καλλιέργειας. Θερμό νερό προερχόμενο από ατμοηλεκτρικά εργοστάσια, ηλιακοί συλλέκτες ή και γεωθερμικά πεδία αποτελούν πολύ καλές πηγές θέρμανσης του νερού με χαμηλό ή μηδενικό κόστος και ενεργειακό αποτύπωμα. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η Arthrospira είναι ένας ιδιαίτερα αλκαλόφιλος οργανισμός. Δεν επιβιώνει απλώς αλλά αυξάνεται καλύτερα και ταχύτερα σε υψηλές τιμές pH. Έτσι, ο μέγιστος ρυθμός αύξησης επιτυγχάνεται σε pH που κυμαίνεται μεταξύ 9,5-9,8. Μια από τις πιο σημαντικές παραμέτρους στην καλλιέργεια της Arthrospira είναι η διαθεσιμότητα του CO2. To CO2 είναι απαραίτητο όχι μόνο για τη διατήρηση του pH σε υψηλά επίπεδα, αλλά και για την εξασφάλιση συνεχούς αύξησης της βιομάζας. Όπως και για όλα τα φυτά, υψηλές αναλογίες Ο2:CO2 μπορεί να έχουν αρνητική επίδραση στην αύξηση και την παραγωγικότητα της Arthrospira, εξαιτίας της επαγωγής της δραστικότητας οξυγενάσης της Rubisco5και της επαγόμενης φωτοαναπνοής. Η συγκομιδή της βιομάζας, δηλαδή η παραλαβή της από το νερό γίνεται στο τέλος της λογαριθμικής φάσης αύξησης ή στην αρχή της φάσης στασιμότητας (βλ. Εικόνα 6.3). Για την παραλαβή της βιομάζας εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές με συνηθέστερες τη φυγοκέντρηση σε ειδικές συσκευές (διαχωριστές πυκνότητας) ή τη διαδοχική άντληση με χρήση αντλιών κενού. Στη συνέχεια, γίνεται αφυδάτωση της βιομάζας με ήπια ξήρανση σε θερμό αέρα, σε κλιβάνους ή στον ήλιο. Η αφυδατωμένη βιομάζα αποθηκεύεται, συνήθως αεροστεγώς, μέχρι το επόμενο στάδιο επεξεργασίας, που είναι συνήθως η συσκευασία σε ταμπλέτες ή κάψουλες. Η καλλιέργεια της σπιρουλίνας είναι ιδιαίτερα αναπτυγμένη στην Ελλάδα, όπου σήμερα δραστηριοποιούνται τουλάχιστον τέσσερις εταιρείες με σημαντική παραγωγή (μπορεί να φτάσει τους 3-4 τόνους ξηρής βιομάζας ετησίως), τζίρο αρκετών εκατομμυρίων ευρώ και εξαγωγές στην Ευρώπη. Οι καλλιεργητές εκμεταλλεύονται την υψηλή ηλιοφάνεια (στις περιοχές καλλιέργειας μπορεί να φτάνει και τις 285 ημέρες το χρόνο) και τις υψηλές θερμοκρασίες της χώρας επιτυγχάνοντας υψηλή παραγωγή με χαμηλό κόστος. Σε ορισμένες από αυτές μάλιστα (π.χ. στην ευρύτερη περιοχή των Σερρών) γίνεται χρήση της γεωθερμίας της περιοχής, όπου λαμβάνεται θερμό νερό εμπλουτισμένο σε CO2, καθιστώντας τις καλλιέργειες όχι μόνο τις πλέον οικονομικές, αλλά και με ελάχιστο ενεργειακό αποτύπωμα.

5Η καρβοξυλάση-οξυγενάση της 1,5 διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco-Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/ oxygenase) είναι το ένζυμο που εμπλέκεται στην ενσωμάτωση του CO2 προς γλυκόζη. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις CO2 ή υψηλές συγκεντρώσεις Ο2 η Rubisco αντιδράει με το Ο2 αντί του CO2 με τελικό αποτέλεσμα τη μικρότερη παραγωγή γλυκόζης και επομένως βιομάζας, μια διαδικασία γνωστή ως φωτοαναπνοή.

29 | Υ δ α τ ο κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι ε ς

Επιλεγμένη βιβλιογραφία

Ξενόγλωσση Angel D., Freeman S., 2009. Integrated aquaculture (INTAQ) as a tool for an ecosystem approach to the marine farming

sector in the Mediterranean Sea. In D. Soto (ed.). Integrated mariculture: a global review. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper. No. 529. FAO,Rome. pp. 133-183

Becker, E. W., 1994. Microalgae: Biotechnology and Microbiology. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Batello C., Marzo M., Touré A. H., 2004. The future is an ancient lake. FAO Interdepartmental Working Group on

Biological Diversity for Food and Agriculture, Rome. Brennan L., Owende P., 2010. Biofuels from microalgae-A review of technologies for production, processing, and

extractions of biofuels and co-products. Ren. Sust. Energy Rev. 14: 557-577. But, P. P., Cheng, L., Chan, P. K., Lau, D. T., But, J. W., 2002. Nostoc flagelliforme and faked items retailed in Hong Kong.

J. Appl. Phycol., 14:143–145. Carvalho A., Silva S., Baptista J., Malcata F., 2011. Light requirements in microalgal photobioreactors: an overview of

biophotonic aspects. Appl. Microbiol. Biotechnol., 89: 1275-1288. Chisti, Y., 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25: 294-306. Chopin T., Sawhney M., 2009. Seaweeds and their mariculture. In: The Encyclopedia of Ocean Sciences. J.H. Steele, S.A.

Thorpe & K.K. Turekian (eds). Elsevier, Oxford. pp. 4477-4487. Costa J. A. V., Cozza K. L., Oliveira L., Magagnin G., 2001. Different nitrogen sources and growth responses of Spirulina

platensis in microenvironments. World J. Microbiol. Biotechnol., 17: 439-442 Doucha J., Straka F., Lívanský K., 2005. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor

open thin-layer photobioreactor". J. Appl. Phycol., 17: 403-412. FAO, 2015. Global Aquaculture Production. Διαθέσιμο: http://www.fao.org/fishery/statistics/global-aquaculture-

production/en FAO, 2014. The State of World Fisheries and Aquaculture. Rome, FAO, 197p. Gantar M., Svirčev Z., 2008. Microalgae and cyanobacteria: food for thought. J. Phycol., 44:260-268. Greque de Morais M., da SilvaVaz B., Greque de Morais, E., Costa, J. A. V., 2015. Biologically Active Metabolites

Synthesized by Microalgae. BioMed Res. Intl.: ID 835761. GrobbelaarJ. U., 2004. Algal nutrition. Mineral nutrition. In: A. Richmond ed. Handbook of microalgal culture:

Biotechnology and applied phycology, Oxford, p. 97-115. Hegemann P., Fuhrmann M., Kateriya S., 2001. Algal sensory photoreceptors. J. Phycol., 37:668-676. Khan S. A., Rashmi, M. Z. Hussain, Prasad S., Banerjee U. C., 2009. Prospects of biodiesel production from microalgae in

India. Renew Sust Energy Rev, 13 :2361-2372. Kliphuis, A.M.J , de Winter L., Vejrazka C., Martens D.E., Janssen M., Wijffels R.H., 2010. Photosynthetic efficiency of

Chlorella sorokiniana in a turbulently mixed short light-path photobioreactor. Biotechnol. Prog., 26: 687-696. Komárek J., Kaštovský J., Mareš J., Johansen J. R., 2014. Taxonomic classification of cyanoprokaryotes (cyanobacterial

genera) 2014, using a polyphasic approach. Preslia, 86: 295-335. Lee, R. E. 2008. Phycology. 4th Edition. Cambridge University Press. Li Y., Horsman M., Wu N., Lan C.Q., Dubois-Calero N., 2008. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog., 24:815-820. Lucas J.S., Southgate P.C, 2012. Aquaculture: Farming Aquatic Animals and Plants. 2nd Edition. Wiley-Blackwell. Lugomela C., Pratap H.B., Mgay, Y.D., 2006. Cyanobacteria blooms-A possible cause of mass mortality of Lesser

Flamingos in Lake Manyara and Lake Big Momela, Tanzania. Harmful Algae, 5: 534-541. Malcata F. X., 2011. Microalgae and biofuels: A promising partnership? Trends Biotechnol., 29:542-549. Mazokopakis E.E., Karefilakis, C.M., Tsartsalis, A.N., Milkas, A.N., Ganotakis, E.S., 2008. Acute rhabdomyolysis caused by

Spirulina (Arthrospira platensis). Phytomedicine, 15: 525-527. Molina E., Fernández J., Acién F. G., Chisti Y., 2001.Tubular photobioreactor design for algal cultures. J. Biotechnol.,

92:113-131. Molnár A., Schwach F., Studholme D.J., Thuenemann E.C., Baulcombe D.C., 2007. miRNAs control gene expression in

the single-cell alga Chlamydomonas reinhardtii. Nature, 447:1126-1129. Mumford T.F., Miura A., 1988. Porphyra as food: Cultivation and Economics. In: Lembi C. A., J. R. Waaland (Eds), Algae

and Human Affairs, Cambridge University Press, Cambridge, UK, pp. 87-118. Perez-Garcia O., Escalante F. M. E., de-Bashan L. E., Bashan Y., 2011. Heterotrophic cultures of microalgae: Metabolism

and potential products. Water Res., 45: 11-36. Reynolds, C. S.,1984. The Ecology of Freshwater Phytoplankton. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Rosenberg, J.N., Oyler, G.A., Wilkinson L., Betenbaugh M.J., 2008. A green light for engineered algae: redirecting

metabolism to fuel biotechnology revolution. Curr. Opin. Biotechnol., 19: 430-436.

30 | Κ α λ λ ι έ ρ γ ε ι α φ υ κ ώ ν |

Schlagermann P., Göttlicher G., Dillschneider R., Rosello-Sastre R., Posten C. 2012. Composition of Algal Oil and Its Potential as Biofuel. J. Combustion: ID285185.

Troell M., 2009. Integrated marine and brackishwater aquaculture in tropical regions: research, implementation and prospects. In D. Soto (ed.). Integrated mariculture: a global review. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper. No. 529. Rome, FAO. pp. 47–131.

Vonshak A., Tomaselli L., 2002. Arthrospira (Spirulina): Systematics and Ecophysiology. In: B. A. Whitton and M. Potts eds. The ecology of cyanobacteria: their diversity in time and space, Kluwer Academic Pupblishing, New York, p. 505-522.

Watanabe, F. 2007. Vitamin B12 sources and bioavailability. Exp. Biol. Med. (Maywood) 232: 1266-1274. Zhang X., Rong J., Chen H., He C., Wang Q., 2014. Current status and outlook in the application of microalgae in

biodiesel production and environmental protection. Front. EnergyRes. 2:32. doi: 10.3389/fenrg.2014.00032.

Ελληνόγλωση Graham L. E., Graham J. M., Wilcox L. W., 2011. Φύκη. Εκδόσεις Κωσταράκη. Παπαπαναγιώτου Γ., Γκέλης Σ., 2014. Πολυφασικός χαρακτηρισμός στελεχών του γένους Arthrospira (Spirulina) που

χρησιμοποιούνται σε εμπορικές καλλιέργειες της Ελλάδας. Πρακτικά 36ου Επιστημονικού Συνεδρίου της Ελληνικής Εταιρείας Βιολογικών Επιστημών. σελ. 292-293.