SUPERVISOR
آمیت باتناگار (استاد مشاور) امیدوار فرهادیان (استاد راهنما) فاطمه پیکان حیرتی (استاد راهنما) جواد کرامت (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad javad Zarrinmehr
محمدجواد زرین مهر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده منابع طبیعی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Effect of Macronutrients on Growth and Biochemical Composition of Marine Microalga Isochrysis galbana
Today, the world is facing a crisis of energy resources, and limited fossil fuel resources are unable to meet growing energy demand. This coincides with rising fossil fuel prices and environmental pollution, prompting researchers to look for alternative energy sources that are renewable, safe and non-polluting. In recent years, Microalgae are among the raw materials in third-generation biofuels, have attracted the attention of many researchers. Currently, the most promising source of fossil fuel alternatives is the use of lipid produced by microalgae. Many factors affect the growth and biological production of algae cells, the most important of which are nitrogen, phosphorus and sulfur in the culture medium. In this study, during three experiments, the effects of different concentration of nitrogen, phosphorus and sulfur in the culture medium on biomass production and biochemical composition of Isochrysis galbana microalgae were investigated. After considering the different initial concentrations of nitrogen (0, 36, 72, 144 and 288 mg / l) in Valne culture medium, the minimum and maximum cells density (2×10 5 cells / ml) after 13 days Cultivation under different nitrogen concentrations was obtained at 0 and 144 mg of nitrogen (9×10 5 cells / ml) and (1.55×10 7 cells / ml), respectively. In terms of biochemical composition, with decreasing nitrogen concentration from 144 to zero mg / l, chlorophyll a concentration ranged from 0.41 to 0.11 mg / l and chlorophyll b decreased from 0.56 to 0.18 mg / l, respectively. Microalgae grown at 0 mg / l showed the highest carbohydrate content with 47% cell weight. The maximum protein content (36.3%) was obtained at a concentration of 36 mg / l nitrogen, the total values of lipid content in the experimental unit with concentrations of zero, 36, 72, 144 and 288 mg / l nitrogen were 17.2, 0.25, 29.4, 30.6 and 21.6 percent, respectively. The results showed that the concentration of nitrogen in the culture medium caused a significant increase in the amount of lipid. Also reducing the nitrogen concentration from 72 to 0 mg / l, SFAs increased from 36.63 to 75.79% and at the same time MUFAs decreased from 25.82% to 18.65%. Also reducing the nitrogen concentration from 72 to zero mg / l, SFAs increased from 36.63 to 75.79% and at the same time MUFAs decreased from 25.82% to 18.65%. In addition, PUFAs (linoleic acid, linoleic acid, ?-linolenic acid, and Eicosapentaenoic acid) under nitrogen deprivation were reduced by 6.78 times compared with adequate nitrogen 72 (mg / l) conditions. In the second part of this study, the growth of microalgae I. galbana under different phosphorus concentrations (0, 2, 4, 8 and 16 mg / l) was investigated. The initial concentration of algae 2×10 5 cells / ml changed significantly under different phosphorus conditions over a 13-day period. Cellular concentrations of minimum (3.75×10 6 cells / ml) and maximum (9.25×10 6 cells / ml) were obtained at 0 and 8 mg / l of phosphorus, respectively. Phosphorus restrictions reduce the amount of cellular pigments. By reducing the phosphorus concentration from 4 to 0 mg, the chlorophyll a concentration decreased from 0.66 and 0.18 mg / l, respectively, and the chlorophyll b decreased from 0.52 to 0.16 mg / l, respectively. The minimum and maximum total carotenoids at 0 and 8 mg / l of phosphorus were 0.84 and 0.03 mg / l, respectively. In a study of the biochemical composition of this algae, cells grown at full phosphorus deprivation showed the highest carbohydrate content at 23.53%. The percentage of protein accumulated at different concentrations of phosphorus ranged from 20.14 to 34.56% of cell weight. The maximum protein content (34.56 %) was obtained at a concentration of 8 mg / l Phosphorus, but significantly higher than the experimental units with a concentration of 4 and 16 mg / l of phosphorus. Total lipid content with concentrations of 0, 2, 4, 8 and 16 mg / l, respectively were 36.2%, 24.0%, 23.2%, 21% and 19.1% in the experimental unit, respectively. The results showed that a decrease in phosphorus concentration in the culture medium caused a significant increase in lipid content. The results also showed that the concentration of SFAs and MUFA was lower at concentrations lower than 8 mg / l of phosphorus. In the third part of the experiment, the growth and biochemical composition of microalgae I. galbana under different concentrations of sulfur (seawater, 0, 4, 8 and 16 mM) were examined during a 13-day culture period. In the constant phase, the maximum cell density was obtained with a rate (3.27×10 6 cells / ml) at the highest sulfur concentration (16 mM).
در سالهای اخیر جلبکها که جزو مواد اولیه سوختهای زیستی نسل سوم به شمار میروند توجه محققان زیادی را به خود معطوف کرده اند. در حال حاضر امید بخشترین منبع تامین سوخت جایگزین سوختهای فسیلی استفاده از چربی تولیدی توسط ریزجلبکها میباشد. عوامل زیادی در رشد و تولیدت زیستی سلولهای جلبک تاثیر گذارند که میزان نیتروژن، فسفر و گوگرد موجود در محیط کشت از مهمترین آنها به شمار میرود. در این تحقیق نیز طی سه آزمایش مواردی از جمله تاثیر مقادیر مختلف نیتروژن، فسفر و گوگرد موجود در محیط کشت بر تولید زیست توده و ترکیبات بیوشیمیایی ریزجلبک Isochrysis galbana مورد بررسی قرار گرفته است. پس از بررسی غلظتهای اولیه مختلف نیتروژن (0، 36، 72، 144 و 288 میلیگرم در لیتر)در شرایط محیط کشت والن، حداقل و حداکثر تعداد سلول اولیه (105× 2سلول/میلیلیتر) پس از گذشت 13 روز کشت تحت شرایط غلظتهای مختلف نیتروژن در صفر و 144 میلی گرم نیتروژن به ترتیب (105×5/9 سلول / میلیلیتر) و (107×55/1 سلول /میلیلیتر) به دست آمد. از نظر ترکیبات بیوشیمیایی با کاهش غلظت نیتروژن از 144 تا صفر میلیگرم در لیتر، غلظت کلروفیل a به ترتیب از 41/0 به 11/0 میلیگرم بر لیتر و کلروفیل b به ترتیب از 56/0 به 18/0 میلیگرم بر لیتر کاهش یافت. ریزجلبکهای کشت یافته در غلظت صفر میلیگرم در لیتر زیادترین میزان کربوهیدرات را با 47? وزن سلولی نشان دادند. حداکثر محتوای پروتئین (3/36 %) در غلظت 36 میلی گرم در لیتر نیتروژن به دست آمد، مقادیر کل محتوای چربی در واحد آزمایشی با غلظتهای صفر، 36، 72، 144 و 288 میلیگرم بر لیتر نیتروژن به ترتیب 2/17، 0/25، 4/29، 6/30 و 6/21 درصد بود. نتایج نشان داد که غلظت نیتروژن در محیط کشت سبب افزایش قابل توجهی در میزان چربیها میشود، همچنین کاهش غلظت نیتروژن از 72 به صفر میلیگرم در لیتر، SFAs از 63/36 به 79/75? افزایش یافت و همزمان MUFAها از 82/25 درصد به 65/18? کاهش یافت. علاوه بر این، PUFAs (لینولئیکاسید، لینولنیکاسید ، اسید ?-لینولنیک و ایکوزاتریونیئک اسید) تحت محرومیت نیتروژن، 78/6 برابر در مقایسه با شرایط مقدار کافی نیتروژن 72 (میلیگرم در لیتر) کاهش یافت. در بخش دوم این تحقیق به بررسی رشد ریزجلبک I. galbana تحت غلظتهای مختلف فسفر (0، 2، 4، 8 و16 میلیگرم بر لیتر) پرداخته شد. غلظت اولیه جلبک 105×2 سلول بر میلی لیتر به صورت معنی داری تحت شرایط مختلف فسفر در طی دوره ی 13 روزه تغییر یافت. غلظت سلولی حداقل (106×57/3) و حداکثر (106×25/9) به ترتیب در 0 و 8 میلیگرم بر لیتر فسفر بدست آمد. محدودیتهای فسفری منجر به کاهش میزان رنگذانههای سلولی میگردد. با کاهش غلظت فسفر از 4 تا 0 میلیگرم، غلظت کلروفیل a به ترتیب از 66/0 و 18/0 میلیگرم بر لیتر و کلروفیل b به ترتیب از 52/0 تا 16/0 میلیگرم بر لیتر کاهش یافت. حداقل و حداکثر کاروتنوئید کل در 0 و 8 میلیگرم فسفر به ترتیب 84/0 و 03/0 میلیگرم در لیتر بود. در بررسی ترکیبات بیوشیمیایی این ریزجلبک، سلولهای رشد یافته در محرومیت کامل فسفر، زیادترین میزان کربوهیدرات را 53/23درصد را نشان دادند. درصد پروتئین انباشته شده در غلظتهای مختلف فسفر از 14/20 تا 56/34 درصد از وزن سلولی متغیر بود. حداکثر محتوای پروتئین (56/34?) در غلظت 8 میلیگرم در لیتر فسفر به دست آمد، اما به طور معنی داری بیشتر از واحدهای آزمایشی با غلظت 4 و 16 میلیگرم در لیتر فسفر بود. مقادیر کل محتوای چربی به ترتیب 2/36، 0/24، 2/23، 0/21 و 1/19 درصد در واحد آزمایشی به ترتیب با غلظتهای 0، 2، 4، 8 و 16 میلیگرم بر لیتر فسفر بود. نتایج نشان داد که کاهش غلظت فسفر در محیط کشت سبب افزایش قابل توجهی در میزان چربیها میشود. نتایج همچنین نشان داد که غلظت SFAs و MUFA در غلظتهای پایین تر و زیادتر از 8 میلیگرم بر لیتر فسفر زیادتر است. در بخش سوم آزمایش رشد و ترکیب بیوشیمیایی ریزجلبک I. galbana تحت غلظت¬های مختلف گوگرد (آب دریا، صفر، 4، 8 و16 میلی مولار) در طی دوره ی 13 روزه پرورش مورد بررسی قرار گرفت. در فاز ثابت، حداکثر تراکم سلولی با میزان (106× 27/3 سلول / میلیلیتر) در بیشترین غلظت گوگرد (16 میلی مولار ) بدست آمد، به طور کلی نتایج بدست آمده از رشد سلولی در تیمارهای 4، 8 و 16 میلیمولار گوگرد اختلاف معنی داری وجود نداشت، ریزجلبکهای کشت یافته در غلظت صفر میلی¬گرم در لیتر زیادترین میزان کربوهیدرات را با 47 میلیگرم در لیتر نشان دادند. روند تغییرات میزان کربوهیدرات در بین واحدهای آزمایشی با غلظتهای مختلف گوگرد تفاوت معنی داری را نشان نداد. بازده پروتئین انباشته شده در غلظت¬های مختلف گوگرد از 84/28 تا 56/41 میلی گرم در لیتر متغیر بود. حداکثر محتوای پروتئین (56/41 میلی گرم در لیتر) در غلظت 4 میلیمولار گوگرد به دست آمد، اما با تیمارهای 8 و 16 میلی مولار گوگرد اختلاف معنی داری نداشت. در بررسی پروفایل اسیدآمینه، مقادیر متیونین و سیستئین در غلظتهای 0، 8 و 16 میلیمولار گوگرد به ترتیب 36/0، 42/0 و 53/0 (گرم در 100 گرم) و 72/0، 88/0و 06/1 (گرم در 100 گرم) میباشد، که این نتایج نشان دهنده این است که با کاهش مقدار گوگرد اسید آمینههای گوگردی نیز کاهش پیدا میکنند. در مجموع با توجه به اهداف پرورش جلبک به منظور استفاده از زیست توده برای صنایع مختلف همچون آبزی پروری، صنایع غذایی یا تولید سوخت زیستی میتوان با دستکاری محیط کشت مقادیر ترکیبات بیوشیمیایی مختلفی بدست آورد.