Scenedesmus – Wikipedia

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Gattung der Grünalgen

Scenedesmus ist eine Gattung von Grünalgen in der Klasse der Chlorophyceae. Sie sind kolonial und unbeweglich.

Taxonomie[edit]

Derzeit gibt es 74 taxonomisch akzeptierte Arten von Scenedesmus.[1] Zusätzlich wurden mehrere Untergattungen identifiziert, die jedoch je nach Quelle variieren. Hegewald bezeichnet Acutodesmus, Desmodesmus, und Scenedesmus als die drei Hauptkategorien. Acutodesmus ist dadurch gekennzeichnet, dass es akute Zellpole aufweist, während Desmodesmus und Scenedesmus stumpfe / abgeschnittene Zellpole haben (unterschieden durch das Vorhandensein bzw. Fehlen von Stacheln). Datum der Fossilienbestände Scenedesmus vor 70 bis 100 Millionen Jahren mit Desmodesmus vermutet, die jüngste dieser drei Gruppen zu sein.[2]

Grundlegende Biologie[edit]

Scenedesmus ist eine der häufigsten Süßwasseralgengattungen; Die extrem unterschiedlichen Morphologien innerhalb der Arten erschweren jedoch die Identifizierung.[3] Während die meisten Arten auf der ganzen Welt vorkommen, existieren bestimmte Arten nur in lokalen Populationen wie S. intermedius und S. serratus die in Neuseeland gefunden werden.[3]

Coenobie und Zellwachstum[edit]

Scenedesmus kann als Einzellen existieren; Sie kommen auch häufig bei Coenobien von vier oder acht Zellen vor[3] innerhalb einer elterlichen Mutterwand. Es wurden verschiedene coenobiale Architekturen beschrieben, darunter lineare, costulatoide, unregelmäßige, alternierende oder dactylococcoide Muster (Abbildung 1).[3] Die Bildung von Coenobia hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Ein höherer Anteil einzelliger Organismen wurde bei hohen Lichtintensitäten und hohen Temperaturen gefunden, was darauf hindeutet, dass die Organismen bei höheren Wachstumsraten es vorziehen, nicht kolonisiert zu werden.[3]

Erfolgreiches Wachstum und Teilung von Algen hängen von einem Gleichgewicht zwischen der Aufrechterhaltung des Auftriebs in der euphotischen Zone (die ideale Licht- und Ernährungsbedingungen enthält) und der Vermeidung weidender Raubtiere ab.[3] Größere Kolonien haben ein kleineres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was die Nährstoffaufnahme und die leichte Ernte begrenzt, und die große Masse fördert das Absinken. In Gegenwart von Weiden, wie z DaphniaDie größeren Kolonien, die einzellige Algen zu verzehren drohen, bieten erhebliche Sicherheit.[3] Diese Bedrohung kann so bedeutend sein, dass die Zellen selbst unter stark eingeschränkten Wachstumsbedingungen zu diesen 8-Zell-Kolonien verschmelzen, um die Anfälligkeit für Weideland zu verringern, oder unter nährstoffarmen Bedingungen.[3][4]

Verteidigungsmechanismus[edit]

Die Zellen haben neben der Kolonisierung noch andere Selbstverteidigungsmechanismen. Scenedesmus kann in zwei Untergattungen unterteilt werden, die nicht stacheligen Scenedesmus und die stachelige Desmodesmus. Obwohl ohne Rückgrat, die Scenedesmus Subgenera-Zellen haben dicke Zellwände und Schleim, wodurch sie verdauungsresistent werden können. Einige chemische Verbindungen in Scenedesmus könnte beim Verzehr sogar für bestimmte Organismen toxisch sein. Borsten von bis zu 100 um können sowohl bei stacheligen als auch bei nicht stacheligen Sorten ein Netz bilden, um die Raubtiere noch weiter zu entmutigen.[3] Zellen bilden diese Borsten defensiv, wenn Kairomone nachgewiesen werden, eine Infochemikalie, die von freigesetzt wird Daphnia Das Scenedesmus hat sich entwickelt, um als Warnsignal zu erkennen.[3][4]

Fortpflanzung und Koloniebildung[edit]

Während der Replikation vergrößert sich die Mutterzelle und wird nach mehreren Teilungen mehrkernig. Das Zytoplasma wird dann in nichtkernige Tochterzellen gespalten, die sich üblicherweise als nicht bewegliche Autosporen entwickeln. Diese Tochterzellen verbinden sich typischerweise mit anderen Tochterzellen, um eine Kolonie innerhalb der elterlichen Zellwand zu bilden, die später freigesetzt wird.[5] Die Zellen durchlaufen einen typischen Mitosezyklus, der anderen Mitgliedern von Chlorophyceae ähnlich ist, wobei das Zytoplasma der Tochterzellen sehr dicht wird.[5] Schließlich bricht die Mutterzellwand und setzt die Sporen frei, die ein normales zelluläres Erscheinungsbild annehmen.[5] Die Zellen an beiden Enden des Coenobiums unterscheiden sich in ihrer Morphologie von denen im Zentrum.[5] Wie die Zellen während der Entwicklung aneinander haften, ist noch unklar, aber es ist bekannt, dass eine trilaminare Hülle (TLS) aus Algenan eine der ersten äußeren Strukturen ist, die sich in Flecken bilden, bevor sie wachsen, um sich zu einer kontinuierlichen Schicht zu verbinden .[5] Die verzierte Schicht ist die letzte Komponente, die sich entwickelt.[5]

Zellornamentik und äußere Schichten[edit]

Die äußere Verzierung ist innerhalb der Gattung sehr variabel Scenedesmus. Staehelin et al. charakterisierte zwei Arten im Detail: S. pannonicus und S. longus. S. pannonicus setzt eine eng anliegende “Warzen” -Schicht im Vergleich zu der lockeren “Retikulat” -Schicht zusammen S. longus.[6] Ein gemeinsames Merkmal der beiden ist ein TLS an der Verbindungsstelle zwischen benachbarten Zellen, mit dessen Hilfe sie zusammengeklebt werden können.[6] Eine zusätzliche pektische Schicht, die bei S. pannonicus beobachtet wird, bildet ein dickes Netz aus dünnen Filamenten, die aus der Warzenschicht stammen.[6] Ein weiteres Merkmal der äußeren Coenobialfläche von S. pannonicus ist eine Kombination aus einzelnen Ähren (die scheinbar mit den Warzen verbunden sind) und kleinen Ährchen, die zu Kämmen verschmelzen, die sich im Zickzack entlang der Zelle bewegen.[6] Eine Übersicht über diese Strukturen ist in Abbildung 2 zu sehen. Die letzte Hauptkategorie von Ornamenten sind Rosetten, die vielen gemeinsam sind Scenedesmus Spezies.[6] Rosetten sind ringförmige Strukturen, die kleine Hügel auf der Zelloberfläche einschließen und normalerweise auf einer dickeren Schicht Zellwand sitzen als die umgebenden Bereiche.[6] Es wurde keine mögliche Funktion für diese Strukturen vorgeschlagen. Während S. longus wurde bei den kammartigen Strukturen von nicht beobachtet S. pannonicusEs gab zwei Variationen von Ährchen, die sich zwischen dem TLS und der Netzschicht bildeten, um die beiden auseinander zu halten.[6]

Mitochondriale DNA[edit]

Scenedesmus obliquus ist bemerkenswert für die nicht standardmäßige Kodierung seiner mitochondrialen DNA, die eine Zwischenform bei der Entwicklung der mitochondrialen DNA von Grünalgen darstellen kann.[7] Dieser Code wird durch die NCBI-Übersetzungstabelle 22 dargestellt. Scenedesmus obliquus Mitochondriencode.[8]

Biokraftstoffproduktion[edit]

Obwohl Scenedesmus ist in der Lage, viele Arten von Biokraftstoffen wie Biowasserstoff, Biodiesel, Bioethanol und Drop-In-Kraftstoffe herzustellen Scenedesmus für die Biodieselproduktion. Wie bei allen Algensystemen erfolgt die Implementierung einer integrierten Biokraftstoffproduktion von Scenedesmus Aus dem Labor ergeben sich Herausforderungen in der Großserienfertigung. Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen die Versorgung und das Recycling von Nährstoffen, der Transfer und Austausch von Gas, die Bereitstellung von PAR (Photosynthetically Active Radiation), kulturelle Integrität, Umweltkontrolle, Verfügbarkeit von Land und Wasser, Ernte sowie Gentechnik und Stoffwechsel[9]

Bio-Wasserstoff (H.2) Produktion[edit]

1942 kann Gaffron und Rubin die Durchführung eines Experiments zugeschrieben werden, das H auslöste2 Produktionsforschung in Grünalgen mit Scenedesmus obliquus.[10] Algen produzieren H.2 Gas unter anaeroben Bedingungen durch Bereitstellung von Wasserstoffionen mit Wasserstoffionen, die aus der Spaltung von Wassermolekülen durch Photosynthese stammen.[11] Die Enzymaktivität ist jedoch aufgrund der Hemmung von O vorübergehend2 Produktion über Photosynthese, ein Problem, das H weiterhin plagt2 Produktion.[12]S. obliquus Es ist traditionell bekannt, dass eine Nickel-Eisen-Hydrogenase verwendet wird, aber andere Eisenhydrogenasen in H.2 Produktion wird auch berichtet.[13] Hydrogenase-Enzymaktivität in Scenedesmus Es wird berichtet, dass die Arten niedriger sind als die von Chlamydomonas reinhardtii.[14] H.2 Produktion unabhängig von Photosystem II in Scenedesmus wurde auch unter Verwendung von Redoxäquivalenten des fermentativen Metabolismus unter dunkler anaerober Inkubation durchgeführt.[10][15] Forschungsergebnisse legen nahe, dass eine schwefelarme Umgebung ein Ungleichgewicht in der Beziehung zwischen Photosynthese und Atmung auslöst, was zu einem Nettoverbrauch von O führt2, verursacht Anaerobiose und wechselt zur Wasserstoffproduktion.[12] Die Vorbehandlung mit Ultraschall war wirksam bei der Steigerung der fermentativen Bioenergieproduktion von Scenedesmus oliquus YSW15.[16] Bio-Wasserstoff-Produktionsforschung mit Scenedesmus wird durch seine Anwendungen in der Abwasserbehandlung aktiv vorangetrieben. (Siehe nachfolgenden Abschnitt zur Abfallwirtschaft von Scenedesmus).

Biodieselproduktion[edit]

Scenedesmus Es ist bekannt, dass Grünalgen eine hohe Biomasseproduktivität aufweisen, und sie wurden aktiv auf ihre Verwendung für die Biodieselproduktion untersucht. Es wird berichtet, dass seine heterotrophe Produktion von Biomasse und Lipid unter optimierten Bedingungen eine höhere Effizienz aufweist als seine autotrophe Produktion.[17][18][19][20] Die Optimierung der Biomasseproduktivität sowie des Lipidgehalts durch unterschiedliche Konzentration zusätzlicher Nährstoffe wurde in zahlreichen Studien durchgeführt. zur Zeit, Scenedesmus Die Lipidausbeute nach der Optimierung hat ~ 60% Trockenzellgewicht erreicht, niedriger als bei einigen anderen Algen.[18][21] Jedoch, Scenedesmus ist effizienter bei der Erfassung von CO2 als andere Algen.[20] Wie viele Algenarten, Scenedesmus erforderte einen Zustand mit Nitratmangel, um seine Lipidausbeute tiefgreifend zu erhöhen.[22] Eine signifikante (bis zu sechsfache) Verbesserung der Ausgangsmaterialausbeuten wurde durch Zugabe unterschiedlicher Ethanolkonzentrationen unter einer 12-stündigen Photoperiode und im Dunkeln erreicht.[22] Die signifikanteste Verbesserung der Lipidproduktion wurde erzielt, wenn Kulturen der stationären Phase 7 Tage lang auf Medien mit Nitratmangel bzw. 3 Tage lang auf Phosphat übertragen wurden.[18] Extraktion von Ölen mit Methanol oder Ethanol aus dem Scenedesmus bleibt eine Herausforderung und sein niedrigerer Lipidgehalt erhöht die Produktionskosten.[18]

In einer aktuellen Studie[23]Scenedesmus reichlich wurde aus Dal Lake, Kaschmir, isoliert und erwies sich als geeigneter Rohstoff für die Biodieselproduktion. Die Alge nahm mit einer Stickstoffkonzentration von 0,32 g / l Stickstoff signifikant an Biomasse und Lipidgehalt zu. Eine zweistufige Umesterung erwies sich als am besten für die Umesterung geeignet, während die Folch-Extraktion für die Lipidextraktion am besten geeignet war.[23]

Bioethanol[edit]

Scenedesmusund andere Mikroalgen wie Chlorella, Dunaliella, Chlamydomonas, und Spirulinaenthalten große Mengen an Kohlenhydraten (> 50% des Trockengewichts), was sie zu attraktiven Kandidaten für die Bioethanolproduktion macht.[24] In einer Studie,[25]Scenedesmus wurde verwendet, um eine hohe Biomasseproduktivität zu erzielen; Die kohlenhydratreiche Biomasse wurde dann mit 2% iger Schwefelsäure hydrolysiert und einem SHF-Verfahren (Separate Hydrolyse und Fermentation) unterzogen, um 8,55 g l herzustellen−1 Ethanol und eine maximale Ausbeute von 0,213 g Ethanol / g Biomasse innerhalb von 4 Stunden nach der Ethanolfermentation.

Drop-In-Kraftstoffe[edit]

Isoprenoide gelten als wichtige Metaboliten, die als Drop-In-Kraftstoffe, häufig als Alkanketten, verwendet werden können. Scenedesmus führt einen Pyruvat / Glyeraldehyd-3-phosphat-Nicht-Mevalonat-Weg zur Synthese von Isoprenoiden. Die Isoprenoidausbeuten waren jedoch zu niedrig (1,5 bis 15 mg pro 10 Liter Scenedesmus Kultur, wenn die Zellen 0,5 bis 0,6 g L erreichten−1) als rentabel für die künftige Produktion von Kraftstoffeinbrüchen angesehen werden.[26]

Abwassermanagement[edit]

In einer Studie zum Vergleich der Effizienz der Ammoniak- und Phosphorentfernung aus einem agroindustriellen Abwasser durch Chlorella vulgaris und Scenedesmus dimorphus, Scenedesmus zeigten eine bessere Effizienz bei der Entfernung von Ammoniak im zylindrischen Bioreaktor, während beide Algen Phosphor in gleichem Maße aus dem Abwasser entfernten.[27]Algen-Rasenwäscher (ATS) ist eine von vielen Technologien, bei denen Algen zur Behandlung verschiedener Abfälle und industriell verschmutzter Gewässer eingesetzt werden.[28] Ein Algenrasenwäscher in Florida entfernte beispielsweise Phosphor zu einem Preis von 24 USD pro kg, während technische Feuchtgebietsprozesse Phosphor zu einem Preis von 77 USD pro kg entfernten. Während der Entfernung von metallischen Abfällen sowie organischen Substraten wächst Scenedesmus Biomasse könnte zur Herstellung von Viehfutter, organischen Düngemitteln, Papier, Konstruktionspapier und Biodiesel verwendet werden.[9]

Bildergalerie[edit]

  • Scenedesmus quadricauda unter einem Lichtmikroskop
  • Scenedesmus brasiliensis unter einem Lichtmikroskop
  • Scenedesmaceae unter einem Lichtmikroskop
  • Scenedesmaceae unter einem Lichtmikroskop
  • Scenedesmaceae unter einem Lichtmikroskop
  • Scenedesmaceae unter einem Lichtmikroskop

Verweise[edit]

  1. ^ MD Guiry in Guiry, MD & Guiry, GM 2015. AlgaeBase. Weltweite elektronische Veröffentlichung, National University of Ireland, Galway. http://www.algaebase.org;; gesucht am 16. April 2015.
  2. ^ Hegewald, Eberhard H. “Taxonomie und Phylogenie des Scenedesmus.” The Korean Journal of Phycology 12.4 (1997): 235 & ndash; 46.
  3. ^ ein b c d e f G h ich j Lürling, Miquel. Der Geruch von Wasser: Grazer-induzierte Koloniebildung bei Scenedesmus. These. Landwirtschaftliche Universität Wageningen, 1999.
  4. ^ ein b Lürling Miquel; Van Donk Ellen (2000). “Grazer-induzierte Koloniebildung bei Scenedesmus: Gibt es Kosten, kolonial zu sein?” Oikos. 88 (1): 111–118. doi:10.1034 / j.1600-0706.2000.880113.x.
  5. ^ ein b c d e f Pickett-Heaps Jeremy D.; Staehelin L. Andrew (1975). “Die Ultrastruktur von Scenedesmus (Chlorophyceae). II. Zellteilung und Koloniebildung”. Zeitschrift für Phykologie. 11 (2): 186–202. doi:10.1111 / j.1529-8817.1975.tb02766.x.
  6. ^ ein b c d e f G Staehelin L. Andrew; Pickett-Heaps Jeremy D. (1975). “Die Ultrastruktur von Scenedesmus (Chlorophyceae). I. Spezies mit dem Typ” Reticulate “oder” Warty “der Zierschicht”. Zeitschrift für Phykologie. 11 (2): 163–85. doi:10.1111 / j.1529-8817.1975.tb02765.x.
  7. ^ AM Nedelcu; RW Lee; G. Lemieux; MW Grau; G. Burger (Juni 2000). “Die vollständige mitochondriale DNA-Sequenz von Scenedesmus obliquus spiegelt ein Zwischenstadium in der Entwicklung des mitochondrialen Genoms der Grünalgen wider “. Genomforschung. 10 (6): 819–31. doi:10.1101 / gr.10.6.819. PMC 310893. PMID 10854413.
  8. ^ Elzanowski A, Ostell J, Leipe D, Soussov V. “Die genetischen Codes”. Taxonomie-Browser. Nationales Zentrum für biotechnologische Informationen (NCBI), US National Library of Medicine. Abgerufen 11. August 2016.
  9. ^ ein b Christenson Logan, Sims Ronald (2011). “Produktion und Ernte von Mikroalgen zur Abwasserbehandlung, von Biokraftstoffen und Bioprodukten”. Fortschritte in der Biotechnologie. 29 (6): 686–702. doi:10.1016 / j.biotechadv.2011.05.015. PMID 21664266.
  10. ^ ein b Timmins Matthew; et al. (2009). “Phylogenetische und molekulare Analyse von wasserstoffproduzierenden Grünalgen”. Zeitschrift für experimentelle Botanik. 60 (6): 1691–1702. doi:10.1093 / jxb / erp052. PMC 2671627. PMID 19342428.
  11. ^ Kapdan Ilgi Karapinar, Kargi Fikret (2006). “Biowasserstoffproduktion aus Abfallstoffen”. Enzym- und Mikrobentechnologie. 38 (5): 569–582. doi:10.1016 / j.enzmictec.2005.09.015.
  12. ^ ein b Melis, Anastasios und Thomas Happe. “Wasserstoffproduktion. Grünalgen als Energiequelle.” Plant Physiology 127.3 (2001): 740 & ndash; 748.
  13. ^ Florin, Lore, Anestis Tsokoglou und Thomas Happe. “Eine neuartige Art der Eisenhydrogenase im Grünalgen-Scenedesmus obliquus ist mit der photosynthetischen Elektronentransportkette verbunden.” Journal of Biological Chemistry276,9 (2001): 6125-6132.
  14. ^ Winkler M., Hemschemeier A., ​​Gotor C., Melis A., Happer T. [Fe]-Hydrogenasen in Grünalgen: Photogärung und Wasserstoffentwicklung unter Schwefelmangel. Int J Hydrogen Energy 2002; 27: 1431 & ndash; 9.
  15. ^ Das Debabrata; Veziroǧlu T. Nejat (2001). “Wasserstoffproduktion durch biologische Prozesse: eine Literaturübersicht”. Internationale Zeitschrift für Wasserstoffenergie. 26 (1): 13–28. doi:10.1016 / s0360-3199 (00) 00058-6.
  16. ^ Choi, Jeong-A., Et al. “Verbesserung der Produktion fermentativer Bioenergie (Ethanol / Wasserstoff) durch Ultraschallbehandlung von Scenedesmus obliquus YSW15, das in Abwasser von Schweinen kultiviert wurde.” Energie- und Umweltwissenschaften (2011); 4 (9): 3513 & ndash; 3520.
  17. ^ El-Sheekh, Mostafa, Abd El-Fatah Abomohra und Dieter Hanelt. “Optimierung der Biomasse- und Fettsäureproduktivität von Scenedesmus obliquus als vielversprechende Mikroalge für die Biodieselproduktion.” World Journal of Microbiology and Biotechnology (2012): 1-8.
  18. ^ ein b c d Mandal Shovon, Mallick Nirupama (2009). “Microalga Scenedesmus obliquus als potenzielle Quelle für die Biodieselproduktion”. Angewandte Mikrobiologie und Biotechnologie. 84 (2): 281–291. doi:10.1007 / s00253-009-1935-6. PMID 19330327.
  19. ^ da Silva, Teresa Lopes et al. “Ölproduktion in Richtung Biokraftstoff aus halbkontinuierlichen Kultivierungen autotropher Mikroalgen, die durch Durchflusszytometrie überwacht werden.” Angewandte Biochemie und Biotechnologie 159.2 (2009): 568-578.
  20. ^ ein b Yoo Chan; et al. (2010). “Auswahl von Mikroalgen für die Lipidproduktion unter hohem Kohlendioxidgehalt”. Bioressourcentechnologie. 101 (1): S71 – S74. doi:10.1016 / j.biortech.2009.03.030. PMID 19362826.
  21. ^ Banerjee, Anirban et al. “Botryococcus braunii: eine erneuerbare Quelle für Kohlenwasserstoffe und andere Chemikalien.” Critical Reviews in Biotechnology 22.3 (2002): 245-279.
  22. ^ ein b Wu, Chengchen et al. “Verstärkungseffekt von Ethanol auf die Ansammlung von Lipiden und Fettsäuren und die Zusammensetzung von Scenedesmus sp.” Bioresource Technology (2013).
  23. ^ ein b Mandotra SK, Kumar Pankaj, MR Suseela, PW Ramteke (2014). “Süßwassergrüne Mikroalge Scenedesmus reichlich: Ein potenzieller Rohstoff für eine qualitativ hochwertige Biodieselproduktion”. Bioressourcentechnologie. 156: 42–47. doi:10.1016 / j.biortech.2013.12.127. PMID 24486936.CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste (Link)
  24. ^ John Rojan P; et al. (2011). “Mikro- und Makroalgenbiomasse: eine erneuerbare Quelle für Bioethanol”. Bioressourcentechnologie. 102 (1): 186–193. doi:10.1016 / j.biortech.2010.06.139. PMID 20663661.
  25. ^ Ho, Shih-Hsin et al. “Bioprozessentwicklung auf CO auf Mikroalgenbasis 2 Fixierung und Bioethanolproduktion mit Scenedesmus obliquus CNW-N. “Bioresource Technology (2013).
  26. ^ Schwender, J. et al. “Biosynthese von Isoprenoiden (Carotinoide, Sterole, Prenylseitenketten von Chlorophyllen und Plastochinon) über einen neuartigen Pyruvat / Glycerinaldehyd-3-phosphat-Nicht-Mevalonat-Weg in der Grünalge Scenedesmus obliquus.” Biochemical Journal 316. Pt 1 (1996): 73.
  27. ^ González, Estela Luz, Olivia Cañizares Rosa, Baena Sandra (1997). “Effizienz der Ammoniak- und Phosphorentfernung aus einem kolumbianischen agroindustriellen Abwasser durch die Mikroalgen Chlorella vulgaris und Scenedesmus dimorphus“. Bioressourcentechnologie. 60 (3): 259–262. CiteSeerX 10.1.1.316.6465. doi:10.1016 / s0960-8524 (97) 00029-1.CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste (Link)
  28. ^ http://www.algalturfscrubber.com/


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