XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оценка возможности самостоятельного выращивания спирулины в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ильина С.М. 1

---

1МБУДО ЦДО "Созвездие"

Блинов М.А. 1Шепс Г.П. 2

---

1МБУДО ЦДО "Созвездие"

2МБОУ СОШ №48

Работа в формате PDF

102.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Spirulina (Arthrospira) platensis – свободно плавающая нитевидная фотосинтетическая бактерия (цианобактерия, сине-зелёная прокариотическая микроводоросль, цианопрокариота), обитающая в тропических и субтропических солёных щелочных озёрах Африки, Южной Америки и Азии с высокой концентрацией карбонатов, бикарбонатов и гидрокарбонатов. Она является одним из наиболее популярных и пользующихся спросом видов микро-водорослей в пищевой и фармацевтической промышленности. Использование спирулины как добавки к пище приносит множество положительных эффектов, включая улучшение состояния сосудов, кожи, нормализацию обмена веществ и повышение иммунитета.

Цианобактерии рода Arthrospira культивируют по всему миру. Их используют в качестве самостоятельного продукта или пищевой добавки. Эта добавка производится в форме таблеток, порошка или хлопьев. Также находит широкое применение в сельском хозяйстве в качестве кормовой добавки при разведении животных.

Для выращивания спирулины необходима определенная среда, в которой она сможет расти и развиваться. Для этого используется среда Заррука, которая является стандартной для культур водорослей. Однако, использование этой среды может быть затратным и связанным с определенными трудностями.

Спирулину ученые называют продуктом будущего, так как она содержит уникальный набор компонентов. Появилось водоросль на Земле более 3,5 млрд лет назад.

Немного истории

Спирулина – одноклеточная цианобактерия класса Arthrospira. Развивается она в щелочной среде. Вплоть до XV века биопланктон служил источником пищи. Впервые о спирулине заговорили в 1521 году – Берналь Диас дель Кастильо рассказывал о зеленых лепешках, которые были повседневным продуктом ацтеков.

Дата официального открытия сине-зеленой водоросли – 1940 год, тогда французский геолог Данжер впервые обнаружил spirulina platensis в озерах Америки и опубликовал подробное описание вида в ботаническом издании. Информация осталась незамеченной. Лишь спустя 25 лет бельгиец Жан Леонаром заинтересовался спирулиной как возможным источником полезных нутриентов.

Также спирулину традиционно собирают в Чаде из многочисленных озёр и прудов, окружающих озеро Чад. Водорослевую массу прессуют в лепёшки под названием dihé, которые используются в дальнейшем и для непосредственного употребления, и в качестве ингредиента для варки супов.

Спирулина активно культивируется, в том числе в России.

Наряду с озером Чад китайское озеро Цинхай является одним из немногих природных ареалов спирулины. После исчезновения озера Тескоко только в озёрах Чад и Цинхай собирается естественно выросшая спирулина.

Сине-зеленая водоросль спирулина является одним из наиболее перспективных микроорганизмов, применяемых в промышленной биотехнологии, так как активно используется в странах дальнего и ближнего зарубежья в качестве пищевой и кормовой добавки, в медицине для лечения и профилактики ряда заболеваний, а также в производстве косметики. Спирулина содержит белок высокого качества, в состав которого входят незаменимые аминокислоты, пигменты, липиды, ненасыщенные жирные кислоты (в том числе и 3-омега-жирные), витамины, антиоксиданты и другие соединения, обладающие высокой биологической активностью

Для роста и развития спирулины требуется высокая температура и освещённость. Она может выживать при температуре до 60 °C, а отдельные её пустынные виды выживают, впадая в глубокую спячку, даже если водоём выпарится, и она окажется на камнях с температурой 70 °C.

Это говорит о том, что содержащиеся в спирулине белок, аминокислоты, витамины, ферменты сохраняются даже при такой температуре, тогда как в обычных условиях температура 50—54 °C для большинства ферментов губительна, а некоторые витамины и аминокислоты в этих условиях начинают терять свои полезные свойства.

В состав сине-зеленой водоросли спирулина также входят 3 пигмента: каротиноиды, хлорофилл и фикоцианин, которые участвуют в обмене веществ, помогают синтезировать гормоны. Наиболее значимым из них является фикоцианин – синий белковый комплекс. Он не только останавливает рост раковых клеток и отвечает за насыщение тканей кислородом, но также используется в качестве пищевого красителя.

Воздействие на организм человека

Аминокислотный состав цианобактерии сбалансирован – 18 аминокислот, 8 из которых являются незаменимыми. Самое большое влияние на организм оказывают лейцин, валин и изолейцин. Их суммарное содержание в 100 г биомассы 1,202 г.

Полезные свойства и противопоказания спирулины имеют научное обоснование. Так, проведенные в 2005 году исследования подтвердили мощное адаптогенное, биостимулирующее воздействие водоросли. По словам ученых, биомасса оказывает положительное влияние на гормональную, пищеварительную и нервную системы, поддерживает работу сердца, проявляет антистрессовый, радиопротекторный, кроворазжижающий эффекты.

Водоросль также является лучшим средством от авитаминоза, ускоряет адаптацию, повышает стрессоустойчивость, помогает справиться с патологиями у детей и взрослых. Разрешено растение также к применению Минздравом России, НИИ питания РАМН в качестве пищевой добавки.

Высушенная спирулина содержит около 60 % (51—71 %) белка. Это полноценный белок, содержащий все незаменимые аминокислоты, хотя и с пониженным содержанием метионина, цистеина и лизина по сравнению с белком мяса, яиц и молока. Однако по данным показателям спирулина превосходит другие растительные источники белка, такие как бобовые.

Токсикологические исследования

Польза и вред спирулины зависят от набора компонентов. Природа наделила водоросль огромным количеством витаминов, аминокислот, минеральных солей. Комплекс веществ сбалансирован. Пищевая ценность спирулины представлена в таблице 1 приложения.

Токсикологические исследования влияния употребления спирулины на людей и животных, включая употребление в пропорции 800 мг/кг и замены до 60 % суточной нормы белка на белок спирулины, не показали признаков токсического воздействия. Рождаемость, тератогенность, пери- и послеродовые исследования в течение нескольких поколений на животных также не нашли никаких негативных последствий от употребления спирулины. В рамках проведённого в 2009 году исследования 550 недоедающих детей употребляли до 10 граммов порошка спирулины в день без каких-либо побочных эффектов. Многочисленные клинические исследования также не выявили вредного воздействия добавок из спирулины.

Мы решили попробовать вырастить спирулину самостоятельно.

Актуальность работы.

Актуальность нашей работы не вызывает сомнений. Спирулина полезна для живых организмов. Она имеет сбалансированный и питательный состав. Кроме того, спирулина ценная пищевая добавка и стоит достаточно дорого. Если же выращивать ее самостоятельно, то эти затраты можно значительно снизить.

Сейчас древняя сине-зеленая водоросль уверенно нашла свое место в медицине и диетологии. Поистине чудодейственные свойства спирулины подтверждены многими исследованиями ведущих мировых ученых. В России спирулина уже стала привычной ежедневной добавкой к завтраку для многих людей. Но история Spirulina Platensis не закончена. Ученые находят все новое и новое применение этому чудесному растению, которое сопровождает человечество с самых первых дней.

Гипотеза: Спирулину возможно вырастить самостоятельно в домашних условиях. И это не сложно.

Цель работы: выяснить возможность самостоятельного выращивании спирулины.

Традиционная среда Заррука сложная и дорогая, но она может быть упрощена. Состав среды Заррука приведен в таблицах № 2-7 приложения.

Задачи:

1. Оценить пригодность среды Заррука для выращивания спирулины в домашних условиях.

2. Определить оптимальные температурные и световые условия для выращивания спирулины.

3. Оценить себестоимость начальной закупки компонентов для выращивания спирулины.

4. Оценить возможность выращивания спирулины на упрощенном варианте среды Заррука.

5. Оценить длительность использования среды Заррука.

Обзор литературы

Известно, что загадочное растение, служившее одновременно пищей и лекарством, описывали еще средневековые авторы.

Ученые склонны думать, что спирулина известна человеку с незапамятных времен, а ее «первооткрывателями» принято считать американских ацтеков. До начала XVI века эта сине-зеленая водоросль составляла важную часть рациона индейцев, увеличивая их выносливость и укрепляя здоровье.

В 1980 году эксперт УНИДО г. Чамморо в своих исследованиях подтвердил биологическую ценность микроводоросли. А в начале XX века случился настоящий бум по промышленному производству спирулины.

Arthrospira имеет оптимум pH между 8 и 11[2], встречается в тропических и субтропических озёрах, вода которых обладает высоким рН и концентрацией карбонатов и бикарбонатов [3]. Arthrospira platensis встречается в Африке, Азии и Южной Америке, в то время как ареал Arthrospira maxima ограничен Центральной Америкой. Крупнейшие коммерческие производители спирулины расположены в США, Таиланде, Индии, Тайване, Китае, Бангладеш, Пакистане, Мьянме, Греции и Чили.

Для роста и развития спирулины требуется высокая температура и освещённость. Она может выживать при температуре до 60 °C, а отдельные её пустынные виды выживают, впадая в глубокую спячку, даже если водоём выпарится, и она окажется на камнях с температурой 70 °C. Это говорит о том, что содержащиеся в спирулине белок, аминокислоты, витамины, ферменты сохраняются даже при такой температуре, тогда как в обычных условиях температура 50—54 °C для большинства ферментов губительна, а некоторые витамины и аминокислоты в этих условиях начинают терять свои полезные свойства.

Использование человеком

Спирулина являлась источником пищи для ацтеков и других племён Мезоамерики вплоть до XVI века, сбор «урожая» с озера Тескоко и последующая продажа собранной водоросли в виде характерных зелёных лепёшек были описаны одним из солдат Кортеса[4][5]. Ацтеки называли их tecuitlatl [3]. Несмотря на то, что, по результатам произведённых в 1960-х годах французских исследований, озеро Тескоко по-прежнему было богато спирулиной, описания использования спирулины в качестве ежедневного источника пищи окрестных племён после XVI века отсутствуют. В качестве возможных факторов называют возникшую после осушения окрестных озёр ради более крупного сельского хозяйства пищевую альтернативу, а также постепенную урбанизацию региона [3].

Также спирулину традиционно собирают в Чаде из многочисленных озёр и прудов, окружающих озеро Чад. Водорослевую массу прессуют в лепёшки под названием dihé, которые используются в дальнейшем и для непосредственного употребления, и в качестве ингредиента для варки супов [6].

Спирулина активно культивируется, в том числе в России.

Наряду с озером Чад китайское озеро Цинхай является одним из немногих природных ареалов спирулины. После исчезновения озера Тескоко только в озёрах Чад и Цинхай собирается естественно выросшая спирулина.

Высушенная спирулина содержит около 60 % (51—71 %) белка. Это полноценный белок, содержащий все незаменимые аминокислоты, хотя и с пониженным содержанием метионина, цистеина и лизина по сравнению с белком мяса, яиц и молока. Однако по данным показателям спирулина превосходит другие растительные источники белка, такие как бобовые.

Другие питательные вещества

Содержание липидов составляет около 7 % от массы, в спирулине много гамма-линоленовой кислоты (GLA), присутствует альфа-линоленовая кислота, линолевая кислота (LA), стеаридоновая кислота (англ. SDA), эйкозапентаеновая кислота (EPA), докозагексаеновая кислота (DHA) и арахидоновая кислота (АА). Спирулина содержит витамины В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В3 (никотинамид), В6 (пиридоксин), В9 (фолиевая кислота), витамин С, витамин D, витамин А и витамин Е. Также спирулина является источником калия, кальция, хрома, меди, железа, магния, марганца, фосфора, селена, натрия и цинка. Спирулина содержит в 34 раза больше железа, чем шпинат и в 25 раз больше бета-каротина, чем сырая морковь. Спирулина содержит множество пигментов, в том числе бета-каротин, зеаксантин, хлорофилл а, ксантофилл, эхиненон, миксооксантофил, кантаксантин, диатоксантин, 3'-гидроксиэхиненон, бета-криптоксантин и осциллаксантин, фикобилипротеины с-фикоцианин и аллофикоцианин [1].

Материал и методика исследования

Опыт проходил следующим образом: была подготовлена среда Заррука по рецепту. В качестве емкостей использовались литровые прямоугольные бутыли. В ёмкости было помещено по 10 мл культуры спирулины на 1 литр раствора. Среда в ходе опыта не перемешивалась. После достижения необходимой плотности среды осуществлялся сбор спирулины. Первый сбор был проведен через через 1 месяц. Он проходил следующим образом: среда процеживалась через сачек из мельничного газа № 67. Затем он взвешивался, и его масса сравнивалась с массой этого же влажного сачка. Таким образом мы определяли массу полученной спирулины. Процеженный раствор возвращался в ёмкости и к нему добавлялась дистиллированная или осмотическая вода для компенсации испарения.

Спирулина вынималась из сачка и отправлялась в контейнер. Сачек ополаскивался в емкости со средой. Собранная таким образом спирулина отправлялась на хранение. Хранение обычно осуществляется двумя способами: путем высушивания и путем замораживания. Мы использовали замораживание как более простой способ.

Убедившись в том, что выращивание спирулины в домашних условиях возможно мы перешли ко второй части исследований в ходе которой планировалось выяснить сколько спирулины можно получить, выращивая ее дома и проверить будет ли она расти на упрощенном варианте среды Заррука которая будет состоять только из растворов макроэлементов 1 и 2 без раствора Fe+EDTA и растворов микроэлементов 1 и 2.

Для опыта нами было взято по 3 емкости объемом 1 литр для обычной и для упрощенной сред Заррука. Сбор спирулины осуществлялся 1 раз в 10 дней. В контейнерах 1, 2 и 3 была обычная среда Заррука, В контейнерах 4, 5 и 6 была упрощенная среда. После каждого сбора в оставшийся раствор добавлялась спирулина в количестве 10 мл на 1 литр из резервной емкости. Через 10 дней сбор повторялся. Продолжительность опыта по сбору спирулины составляла 60 дней.

Результаты исследования

В ходе исследования было выяснено, что спирулина хорошо растет в домашних условиях. Её можно выращивать как с использованием специального освещения, так и без него, например на подоконнике. Лучше в этом случае использовать солнечную сторону. Мы выращивали её в литровых ёмкостях, однако можно использовать пятилитровые пластиковые ёмкости. Спирулину обычно собирают один раз в 7-10 дней. Её процеживают через матерчатое сито, так же можно использовать технический капрон ( мельничный газ) №67 и более. Затем её промывают водой, фасуют по пакетам и замораживают. Можно её употреблять и в свежем виде. Существуют так же варианты хранения её в засушенном виде, но на данный момент мы экспериментируем с ними.

Результаты опыта по сбору спирулины представлены в таблице 1.

Таблица 1. Количество полученной спирулины.

Таким образом, при использовании обычной среды средний выход спирулины составил 29,3 грамма с 1 литра в месяц, а при использовании упрощенной среды 26,7 грамма с 1 литра в месяц.

Всего же за 2 месяца нами было собрано 336,1 грамма спирулины, что в среднем составляет 28 грамм с 1 литра в месяц.

Наши опыты показали, что спирулину не сложно выращивать дома, получая 9-10 грамм продукции с 1 литра среды за 10 дней. Причем разница в количестве продукции при использовании обычной и упрощенной сред Заррука составляет менее 10 % (8,4-9,3%).

Кроме того сборы можно кратно увеличить используя емкости большего объема. Так, например, на подоконниках вполне можно использовать пластиковые емкости от бутилированной воды объемом 5 литров. А при наличии небольшого стеллажа можно использовать пластиковые контейнеры 10-20 литров или даже больше.

В наших опытах среда успешно работала до трех месяцев. Более длительные сроки мы не пробовали, так как на данный момент перед нами такой задачи не стояло. Мы планируем заняться этим в дальнейшем.

Некоторую проблему представляет только покупка необходимых химикатов и приобретение живой культуры. Однако, при желании эти вопросы можно решить. Тема нас заинтересовала, поэтому в дальнейшем мы планируем заняться ей более углубленно.

Выводы

Проведенное нами исследование позволяет сделать следующие выводы.

1. Выращивание спирулины на среде Заррука в домашних условиях несложно и возможно.

2. Спирулина хорошо растёт в различных световых и температурных условиях. В наших опытах длительность освещения была 8-24 часа в сутки. Температура 20-27 °С.

3. Примерная себестоимость начальной покупки солей для среды ориентировочно составит 7143 рубля. Однако ее можно значительно снизить вплоть до 596 рублей оставив только макроэлементы..

4. Спирулина может расти на упрощенном варианте среды Заррука (только с использованием макроэлементов). При этом количество получаемой спирулины уменьшается незначительно (менее 10 %).

5. В наших опытах среда использовалась до 2х месяцев без значительного изменения результатов

Перспективы дальнейшей работы мы видим в нескольких направлениях:

1. Определение оптимального светового режима.

2. Определение необходимости перемешивания среды.

3. Определение влияния частоты сбора на количество полученной спирулины.

Список использованной литературы

1. Кедик С.А., Ярцев Е.И., Гультяева Н.В. Спирулина – пища XXI века / Авт. и . сост. Кедик С.А., Ярцев Е.И., Гультяева Н.В. Москва: Фарма Центр, 2006. 166 с.

2. Нечаева С.В. Культивирование микроскопических водорослей спирулина. В кн. Биотехнология биологически активных веществ. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / под ред. д.б.н., проф. МГУПП И.М. Грачевой и д.т.н., проф. МГУПП Л.А. Ивановой. М. : Издательство НПО «Элевар», 2006. С. 177-188.

3. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Киселева С.В. Микроводоросль спирулина как объект биотехнологии // Биология. 2006. № 13 (812). С. 1-15.

4. Среда Заррука [Электронный ресурс]: URL: https://cellreg.org/Catalog_2020/Catalog%20NEW/media/zarruka.html

5. Пиневич Г.Д., Верзилин Н.Н., Михайлов А.А. Изучение Spirulina platensis – нового объекта высокоинтенсивного культивирования // Физиология растений. 1970. Т.17. Вып. 5. С. 1037 – 1046.

6. Владимирова М.Г., Барцевич Е.Д., Жолдаков И.А., Епифанова О.О., Маркелова А.Г., Маслова И.П., Купцова Е.С. IPPAS - коллекция культур микроводорослей Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева АН СССР // В кн. Каталог культур коллекций СССР, М., (1991) с. 8 - 61

Приложение

Таблица №1 Пищевая ценность спирулины

Среда Заррука [5,6]

Таблица №2 Состав среды Заррука

Рекомендации по приготовлению среды:

Рекомендуется готовить среду из готовых растворов. Все растворы должны быть стерильными, смешивать их необходимо в стерильных условиях в ламинаре. Растворы 1 и 2 должны быть простерилизованы автоклавированием, микроэлементы и раствор Fe + EDTA стерелизуют фильтрацией через фильтр с диаметром пор 0,22 мкм.

Таблица №3 Пропорции смешивания среды Заррука

Таблица № 4 Раствор 1

Таблица № 5 Раствор 2

Приготовление специального раствора FeSO₄ и ЭДТА:

В 134 мл 1N KOH растворить 30,2 г EDTA. Раствор разбавить водой, внести 24,9 г FeSO₄×7H₂O и долить водой до 1 литра. Продуть раствор воздухом без CO₂ в темноте в течение 12 часов. Чтобы избавиться от СО₂, воздух должен пройти через раствор щелочи.

Прописи для растворов микроэлементов в граммах на литр:

Таблица № 6 Раствор микроэлементов 1:

Таблица № 7 Раствор микроэлементов 2: