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Einfluss unterschiedlicher Lichtspektren und Temperaturen auf die Biomassen- und Wertstoffproduktion in Mikroalgen

Impact of different light spectra and temperatures on the growth and the production of valuable compounds in microalgae

  • Mikroalgen können bei den internationalen Bemühungen zur Begrenzung der CO2-Emissionen einen wichtigen Beitrag leisten. In der Photosynthese der Mikroalgen wird, wie auch bei Landpflanzen, das CO2 aus der Atmosphäre in Biomasse fixiert. Im Gegensatz zu Landpflanzen können Mikroalgen zudem exponentiell wachsen, haben geringere Anforderungen an die Wasserqualität und konkurrieren nicht mit Agrarflächen, die begrenzt und für die Nahrungsmittelsicherheit der Weltbevölkerung erforderlich sind. Die produzierte Mikroalgenbiomasse kann als regenerative Ressource zu Biokraftstoffen wie Biogas und Biodiesel umgewandelt und somit als Energieträger genutzt werden. Zudem können Mikroalgen auch bei der biotechnologischen Produktion kommerziell relevanter Wertstoffe wie Pigmenten und Omega-3-Fettsäuren für die Nahrungsmittelindustrie Anwendung finden. Mit dem Ziel der Steigerung dieser Wertstoffe stand die Untersuchung des Einflusses der Kultivierungsparameter Licht und Temperatur auf das Wachstum und die Zusammensetzung der Mikroalgenbiomasse im Mittelpunkt dieser Dissertation. Insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Lichtspektren auf das Wachstum und die Wertstoffproduktion in Mikroalgen wird in der Literatur kontrovers diskutiert und wurde daher detailliert untersucht. Zusätzlich wurde überprüft, ob sich die gewonnenen Erkenntnisse auch auf Landpflanzen übertragen lassen. Im Rahmen dieser Promotion wurde erstmals systematisch der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen und Lichtspektren im zeitlichen Verlauf der Kultivierung auf Mikroalgen untersucht. Hierbei konnten distinkte Spektralbereiche sowie Temperaturen ermittelt werden, die für eine maximale Produktion von Biomasse und Pigmenten sowie einem maximalen Desaturierungsgrad der Fettsäuren erforderlich sind. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Biochemie von photosynthetischen Organismen bei. Dieses Wissen ist bereits in die Entwicklung eines Hybridsystems zur komplementären Nutzung des Sonnenlichts für die Photovoltaik und Biomassenproduktion eingeflossen und könnte künftig bei der gezielten Produktion von Wertstoffen mittels Mikroalgen weitere Anwendungen finden. In den Untersuchungen wurden Mikroalgen sowie zusätzlich Rapspflanzen (Brassica napus L.) unter verschiedenen Bedingungen kultiviert und die Biomassenkonzentration sowie die Fettsäure- und Pigmentkomposition zu festgelegten Zeitpunkten untersucht. Mit einer modifizierten Folch-Extraktion wurden die Fettsäuren extrahiert, umgeestert und mittels Gaschromatografie mit Elektronenstoßionisation Massenspektrometrie (GC-EI/MS) analysiert. Die Analyse der Photosynthesepigmente erfolgte durch Hochleistungsflüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem UV/VIS Spektrometer (HPLC-UV/VIS). Zunächst wurde die grüne Mikroalge Acutodesmus obliquus (Turpin) bei unterschiedlichen Temperaturen mit blauem, grünem und rotem Licht unterschiedlicher Photonenflussdichte kultiviert. Die Bestrahlung mit blauem Licht führte unter allen Bedingungen zur geringsten Biomassenproduktion. Demgegenüber bewirkte die Behandlung mit rotem Licht bei allen Experimenten eine höhere Biomassenproduktion. Die Biomassenproduktion unter grünem Licht war dagegen sehr variabel und abhängig von den Rahmenbedingungen. Entgegen der klassischen Lehrmeinung ließ sich mit diesem Spektralbereich insbesondere bei hohen Photonenflussdichten und hohen Biomassenkonzentrationen ein höheres Wachstum als mit rotem Licht erzielen. In nachfolgenden Untersuchungen wurde zudem festgestellt, dass die Biomassenkonzentration im Vergleich zur Behandlung mit rotem Licht signifikant erhöht ist, wenn das Lichtspektrum neben langwelligeren Anteilen zusätzlich noch kurzwelligere Spektralanteile unter 550 nm enthält. Diese Ergebnisse wurden mehrfach an A. obliquus und bei der nah verwandten Grünalge Monoraphidium braunii (Nägeli) reproduziert. Bei der Fettsäureanalyse war ein starker Einfluss der Parameter Temperatur und Lichtspektrum auf die Fettsäurekomposition in A. obliquus feststellbar. So bewirkte eine niedrige Kultivierungstemperatur einen erhöhten prozentualen Anteil der mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs) 16:4, 18:3 und 18:4. Eine starke Erhöhung der prozentualen Anteile dieser PUFAs wurde ebenfalls bei Kultivierung mit grünem und blauem Licht gegenüber rotem Licht festgestellt. Umgekehrt waren die relativen Proportionen der ungesättigten Fettsäuren mit niedrigerem Desaturierungsgrad (16:1, 16:2, 16:3, 18:1 und 18:2) unter rotem Licht gegenüber grünem und blauem Licht erhöht. Weil der Spektralbereich zwischen 450 und 550 nm (blaugrünes Licht) im grünen und blauen Licht, nicht jedoch im roten Licht enthalten ist, wurde geschlossen, dass dieser Spektralanteil für den Einbau von Doppelbindungen in die Kohlenwasserstoffkette der Fettsäuren in A. obliquus relevant ist. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde diese Beobachtung bei A. obliquus reproduziert und durch die Kultivierung mit spezifischen Lichtspektren auf einen Spektralbereich von 470–520 nm eingegrenzt. Zudem wurde auch eine maximale Konzentration aller in A. obliquus identifizierten Pigmente bei Kultivierung mit blaugrünem Licht gemessen. Da sowohl die PUFAs 16:4 und 18:3 als auch die Pigmente vorwiegend in der Thylakoidmembran vorkommen, wurde die Hypothese entwickelt, dass blaugrünes Licht eine physiologische Reaktion bewirkt, die zu einer erhöhten Bildung von Thylakoidmembranen führt. Im letzten Teil der Arbeit wurde überprüft, ob die an A. obliquus gewonnenen Erkenntnisse auf die phylogenetisch nah verwandte Grünalgenart M. braunii und auf die Landpflanze B. napus übertragen werden können. Bei M. braunii wurde, ähnlich wie bei A. obliquus, ein maximaler Desaturierungsgrad der Fettsäuren und eine maximale Konzentration der Photosynthesepigmente bei Behandlung mit blaugrünem Licht gemessen. Zudem konnten Hinweise dafür gefunden werden, dass blaugrünes Licht ebenfalls relevant für die Desaturierung der Fettsäuren in den Folgeblättern von B. napus ist.
  • Due to international efforts to reduce the emission of CO2, microalgae-based industrial products are expected to gain importance. Like land plants, microalgae can fix CO2 into biomass by photosynthesis. Additionally, microalgae have several advantages compared to land plants, such as potentially exponential growth, a lower water quality requirement, and the fact that they do not compete for arable land with land-based crops. The different components of algal biomass can be used to produce renewable biofuels, such as biogas and biodiesel. Furthermore, microalgae can be used as a production platform for valuable compounds, e.g., pigments, and omega-3 fatty acids for the food industry. This work was focused on the impact of the parameters of temperature and light on the growth and biomass composition in microalgae. In particular, the impact of different light spectra on the growth and production of valuable compounds in microalgae has only been sparsely studied. Therefore, a systematic investigation of the effects of different light spectra on microalgal growth, fatty acid composition, and pigment concentration was carried out. Subsequently, it was tested if the effects identified in microalgae might be applicable to land plants. In this thesis, a systematic investigation of the impact of temperature and light spectra on microalgae cultivation was performed. The light spectra and temperatures that are required for maximized biomass production, pigment concentration, and fatty acid unsaturation in microalgae were identified. This knowledge brings new insights into the biochemistry of photosynthetic organisms. In addition, these data were subsequently used for developing a hybrid system for the comprehensive use of sunlight in one system for photovoltaic and biomass production. Furthermore, future applications might include the targeted production of valuable compounds in microalgae. Microalgae and canola plants (Brassica napus L.) were cultivated under different conditions for systematic investigation. After defined cultivation times, samples were taken to analyse the biomass concentration, fatty acid, and pigment composition. A modified Folch extraction was applied to isolate the fatty acids of microalgae and canola leaves. Subsequently, a qualitative characterization of the fatty acid composition was performed by gas chromatography coupled with electron impact ionization mass spectrometry (GC-EI/MS). Additionally, the microalgal pigments were quantitatively characterized using high-performance liquid chromatography with diode array detection (HPLC-UV/VIS). In the first part of this work, the green microalga, Acutodesmus obliquus (Turpin), was cultivated under different temperatures and photon flux densities, with blue, green, and red light. Blue light cultivation resulted in the lowest biomass production under all tested conditions. Thus, the red light treatment led to higher biomass production than the blue light treatment. The biomass production under green light was highly dependent on biomass concentration and photon flux density. Contrary to the common opinion in plant physiology, green light led to the highest biomass production under high light conditions and high biomass concentrations. In addition, it was observed that a spectral combination of red and blue light can outperform monochromatic red light in terms of biomass production at medium photon flux densities. These results were reproduced multiple times with A. obliquus and the closely related species Monoraphidium braunii (Nägeli). The results of the fatty acid analysis in A. obliquus showed a strong impact of the parameter temperature and light spectrum on the fatty acid composition. The shares of the polyunsaturated fatty acid (PUFA) 16:4, 18:3, and 18:4 were higher for low cultivation temperatures and blue-green light between 450 and 550 nm. In contrast, the shares of the lower desaturated fatty acids 16:1, 16:2, 16:3, 18:1, and 18:2 were maximized if blue-green light was not applied during cultivation. In the second part of this work, the waveband that affects fatty acid unsaturation in A. obliquus was identified with a higher spectral resolution (470–520 nm). Furthermore, a link was found between blue-green light application and a maximized concentration of all identified photosynthetic pigments in A. obliquus. These pigments, as well as the PUFAs 16:4 and 18:3, are contained in high proportions in thylakoid membranes. Therefore, it was assumed that blue-green light might trigger a physiological reaction that increases thylakoid membranes in microalgae. In the last part of this work, it was investigated whether blue-green light might also trigger similar effects in the closely related green microalga M. braunii and the land plant B. napus. The results of these experiments indicate that blue-green light-triggered effects related to fatty acid unsaturation and pigment concentration are widespread among photosynthetic organisms.

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Metadaten
Author:Mark HelamiehORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-13712
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1371
Advisor:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)
Referee:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)ORCiDGND, Vicky Temperton (Prof. Dr.)ORCiDGND, Sigrun Reumann (Prof. Dr.)ORCiD
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2024
Date of Publication (online):2024/01/25
Date of first Publication:2024/01/25
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2024/01/10
Release Date:2024/01/25
Pagenumber:177
Note:
Das Rahmenpapier der kumulativen Dissertation enthält 3 Fachartikel
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit
Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Nachhaltige Chemie (INSC)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht