MICROALGEN: KENMERKEN, CLASSIFICATIE EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2025

De microalgen zijn eukaryote organismen, fotoautotrofen, dwz halen energie uit licht en maken hun eigen voedsel aan. Ze bevatten chlorofyl en andere aanvullende pigmenten die hen een grote fotosynthetische efficiëntie geven.

Ze zijn eencellig, koloniaal -wanneer ze zijn gevestigd als aggregaten- en filamenteus (solitair of koloniaal). Ze maken samen met cyanobacteriën (prokaryoten) deel uit van fytoplankton. Fytoplankton is de verzameling fotosynthetische, aquatische micro-organismen die passief drijven of een verminderde mobiliteit hebben.

Figuur 1. Volvox (bolvormig) Bron: Frank Fox, via Wikimedia Commons

Microalgen komen voor van het terrestrische Ecuador tot de poolgebieden en worden erkend als een bron van biomoleculen en metabolieten van groot economisch belang. Ze zijn een directe bron van voedsel, medicijnen, ruwvoer, meststoffen en brandstof, en zijn zelfs indicatoren van besmetting.

kenmerken

Producenten die zonlicht gebruiken als energiebron

De meeste microalgen zijn groen van kleur omdat ze chlorofyl (tetrapyrrolisch plantenpigment) bevatten, een fotoreceptor van lichtenergie waarmee fotosynthese kan worden uitgevoerd.

Sommige microalgen hebben echter een rode of bruine kleur, omdat ze xanthofylen (gele carotenoïde pigmenten) bevatten, die de groene kleur maskeren.

Habitats

Ze bewonen verschillende zoete en zoute, natuurlijke en kunstmatige watermilieus (zoals zwembaden en aquaria). Sommige kunnen groeien in de bodem, in zure habitats en in poreuze (endolytische) rotsen, op zeer droge en zeer koude plaatsen.

Classificatie

Microalgen vertegenwoordigen een zeer heterogene groep, omdat het polyfyletisch is, dat wil zeggen, het groepeert soorten die afstammen van verschillende voorouders.

Om deze micro-organismen te classificeren zijn verschillende kenmerken gebruikt, waaronder: de aard van hun chlorofylen en hun energiereservesubstanties, de structuur van de celwand en het soort mobiliteit dat ze vertonen.

Aard van de chlorofylen

De meeste algen vertonen chlorofyl type A en een paar vertonen een ander type chlorofyl dat ervan is afgeleid.

Velen zijn obligate fototrofen en groeien niet in het donker. Sommige groeien echter in het donker en kataboliseren eenvoudige suikers en organische zuren bij afwezigheid van licht.

Sommige flagellaten en chlorofyten kunnen bijvoorbeeld acetaat gebruiken als een bron van koolstof en energie. Anderen assimileren eenvoudige verbindingen in aanwezigheid van licht (fotoheterotrofie), zonder ze als energiebron te gebruiken.

Koolstofpolymeren als energiereserve

Als product van het fotosyntheseproces produceren microalgen een grote verscheidenheid aan koolstofpolymeren die dienen als energiereserve.

De microalgen van de Chlorophyta-divisie produceren bijvoorbeeld reserve-zetmeel (α-1,4-D-glucose), vergelijkbaar met de zetmelen van hogere planten.

Celwandstructuur

De wanden van microalgen hebben een aanzienlijke verscheidenheid aan structuren en chemische samenstelling. De wand kan bestaan ​​uit cellulosevezels, meestal met toevoeging van xylaan, pectine, mannaan, alginezuur of fucinezuur.

In sommige kalk- of koraalalgen vertoont de celwand calciumcarbonaatafzetting, terwijl andere chitine bevatten.

Diatomeeën, aan de andere kant, hebben silicium in hun celwand, waaraan polysacchariden en proteïnen zijn toegevoegd, die omhulsels vormen met bilaterale of radiale symmetrie (frustules). Deze schelpen blijven lange tijd intact en vormen fossielen.

Euglenoïde microalgen hebben, in tegenstelling tot de vorige, geen celwand.

Type mobiliteit

Microalgen kunnen flagella hebben (zoals Euglena en dinoflagellaten), maar nooit trilharen. Aan de andere kant vertonen sommige microalgen immobiliteit in hun vegetatieve fase, maar hun gameten kunnen mobiel zijn.

Biotechnologische toepassingen

Voeding voor mens en dier

In de jaren vijftig begonnen Duitse wetenschappers met de massale kweek van microalgen om lipiden en eiwitten te verkrijgen die conventionele dierlijke en plantaardige eiwitten zouden vervangen, met als doel de consumptie van vee en mensen te dekken.

Onlangs werd de massale kweek van microalgen geprojecteerd als een van de mogelijkheden om honger en ondervoeding in de wereld te bestrijden.

Microalgen hebben ongebruikelijke concentraties voedingsstoffen, die hoger zijn dan die waargenomen bij hogere plantensoorten. Een dagelijkse gram microalgen is een alternatief voor een gebrekkige voeding.

Voordelen van het gebruik als voedsel

Onder de voordelen van het gebruik van microalgen als voedsel, hebben we de volgende:

• Hoge snelheid van microalgengroei (ze bieden een opbrengst die 20 keer hoger is dan die van sojabonen per oppervlakte-eenheid).
• Het genereert voordelen die worden gemeten in het "hematologische profiel" en in de "intellectuele status" van de consument bij het consumeren van kleine dagelijkse doses als voedingssupplement.
• Hoog eiwitgehalte in vergelijking met andere natuurlijke voedingsmiddelen.
• Hoge concentratie aan vitamines en mineralen: de inname van 1 tot 3 gram microalgenbijproducten per dag levert aanzienlijke hoeveelheden bètacaroteen (provitamine A), vitamine E- en B-complex, ijzer en sporenelementen op.
• Zeer stimulerende voedingsbron (vergeleken met ginseng en pollen verzameld door bijen).
• Ze worden aanbevolen voor training met hoge intensiteit.
• Door de concentratie, het lage gewicht en het gemakkelijke transport is het droge extract van microalgen geschikt als niet-bederfelijk voedsel om te anticiperen op noodsituaties.

Figuur 2. Arthrospira is een veel gebruikte en in massa gekweekte cyanobacterie. Bron: Joan Simon, bijgesneden door Perdita (Engelse Wikipedia-gebruiker), via Wikimedia Commons

Aquacultuur

Microalgen worden gebruikt als voedsel in de aquacultuur vanwege hun hoge eiwitgehalte (van 40 tot 65% droog gewicht) en hun vermogen om de kleur van zalmachtigen en schaaldieren te verhogen met hun pigmenten.

Het wordt bijvoorbeeld gebruikt als voedsel voor tweekleppige dieren in al hun groeifasen; voor larvale stadia van sommige soorten kreeftachtigen en voor vroege stadia van sommige vissoorten.

Pigmenten in de voedingsindustrie

Sommige microalgenpigmenten worden gebruikt als additieven in voedergewassen om de pigmentatie van kippenvlees en eigeel te verhogen, evenals om de vruchtbaarheid van vee te vergroten.

Deze pigmenten worden ook gebruikt als kleurstof in producten zoals margarine, mayonaise, sinaasappelsap, ijs, kaas en bakkerijproducten.

Figuur 3. Buisvormige fotobioreactoren, gebruikt om hoogwaardige verbindingen uit microalgen te verkrijgen. Bron: IGV Biotech, van Wikimedia Commons

Menselijke en diergeneeskunde

Op het gebied van humane en diergeneeskunde wordt het potentieel van microalgen erkend, omdat:

• Ze verminderen het risico op verschillende soorten kanker, hart- en oogaandoeningen (dankzij hun luteïnegehalte).
• Ze helpen bij het voorkomen en behandelen van coronaire hartziekten, bloedplaatjesaggregatie, abnormale cholesterolwaarden en zijn ook veelbelovend voor de behandeling van bepaalde psychische aandoeningen (vanwege hun omega-3-gehalte).
• Ze hebben een antimutagene werking, stimuleren het immuunsysteem, verminderen hypertensie en ontgiften.
• Ze hebben een anticoagulerende en bacteriedodende werking.
• Ze verhogen de biologische beschikbaarheid van ijzer.
• Geneesmiddelen op basis van therapeutische en preventieve microalgen zijn ontwikkeld voor onder meer colitis ulcerosa, gastritis en bloedarmoede.

Figuur 4. Vlakke fotobioreactor: gebruikt om microalgenbijproducten met hoge toegevoegde waarde te verkrijgen en om te experimenteren. Bron: IGV Biotech, van Wikimedia Commons

Meststoffen

Microalgen worden gebruikt als biologische meststoffen en bodemverbeteraars. Deze foto-autotrofe micro-organismen bedekken snel de verstoorde of verbrande bodems, waardoor het risico op erosie wordt verminderd.

Sommige soorten zijn voorstander van stikstoffixatie en hebben het bijvoorbeeld mogelijk gemaakt om eeuwenlang rijst te verbouwen op ondergelopen land zonder toevoeging van kunstmest. Andere soorten worden gebruikt om kalk in compost te vervangen.

Cosmetica

Microalgenderivaten zijn gebruikt bij de formulering van verrijkte tandpasta's, die de bacteriën elimineren die tandcariës veroorzaken.

Crèmes die dergelijke derivaten bevatten, zijn ook ontwikkeld vanwege hun antioxiderende en ultraviolet-beschermende eigenschappen.

Figuur 5. Onderhoud van microalgen in banken of stammen. Bron: CSIRO

Rioolwaterzuivering

Microalgen worden toegepast in processen van omzetting van organisch materiaal uit afvalwater, het genereren van biomassa en behandeld water voor irrigatie. In dit proces leveren de microalgen de nodige zuurstof aan aërobe bacteriën, waardoor organische verontreinigende stoffen worden afgebroken.

Vervuilingsindicatoren

Gezien het ecologische belang van microalgen als primaire producenten van aquatische milieus, zijn ze indicatororganismen voor milieuverontreiniging.

Bovendien hebben ze een grote tolerantie voor zware metalen zoals koper, cadmium en lood, evenals gechloreerde koolwaterstoffen, en daarom kunnen ze indicatoren zijn voor de aanwezigheid van deze metalen.

Biogas

Sommige soorten (bijvoorbeeld Chlorella en Spirulina) zijn gebruikt om biogas te zuiveren, omdat ze kooldioxide verbruiken als een bron van anorganische koolstof, naast dat ze tegelijkertijd de pH van het medium regelen.

Biobrandstoffen

Microalgen biosynthetiseren een breed scala van commercieel interessante bio-energetische bijproducten, zoals vetten, oliën, suikers en functionele bioactieve verbindingen.

Figuur 6. Carousel-type microalgenkwekers, gebruikt bij de massale kweek van microalgen voor de cosmetische en voedingsindustrie. Bron: JanB46, van Wikimedia Commons

Veel soorten zijn rijk aan lipiden en koolwaterstoffen die geschikt zijn voor direct gebruik als hoogenergetische vloeibare biobrandstoffen, op niveaus die hoger zijn dan die aanwezig in terrestrische planten, en hebben ook potentieel als vervangers voor raffinageproducten van fossiele brandstoffen. Dit is niet verwonderlijk, aangezien wordt aangenomen dat de meeste olie afkomstig is van microalgen.

Eén soort, met name Botryococcus braunii, is uitgebreid bestudeerd. De olieopbrengst van microalgen zal naar verwachting tot 100 keer zo groot zijn als die van landgewassen, van 7.500-24.000 liter olie per hectare per jaar, vergeleken met koolzaad en palm, met respectievelijk 738 en 3690 liter .

Referenties

1. Borowitzka, M. (1998). Commerciële productie van microalgen: vijvers, tanks, knol en fermentoren. J. of Biotech, 70, 313-321.
2. Ciferri, O. (1983). Spirulina, het eetbare micro-organisme. Microbiol. Rev., 47, 551-578.
3. Ciferri, O., en Tiboni, O. (1985). De biochemie en het industriële potentieel van Spirulina. Ann. Rev. Microbiol., 39, 503-526.
4. Conde, JL, Moro, LE, Travieso, L., Sánchez, EP, Leiva, A., & Dupeirón, R., et al. (1993). Biogaszuiveringsproces met behulp van intensieve microalgenculturen. Biotech. Letters, 15 (3), 317-320.
5. Contreras-Flores, C., Peña-Castro, JM, Flores-Cotera, LB, & Cañizares, RO (2003). Vooruitgang in het conceptuele ontwerp van fotobioreactoren voor de kweek van microalgen. Interciencia, 28 (8), 450-456.
6. Duerr, EO, Molnar, A., & Sato, V. (1998). Gekweekte microalgen als aquacultuurvoer. J Mar Biotechnol, 7, 65-70.
7. Lee, Y.-K. (2001). Systemen en methoden voor massacultuur van microalgen: hun beperking en potentieel. Journal of Applied Phycology, 13, 307-315.
8. Martínez Palacios, CA, Chávez Sánchez, MC, Olvera Novoa, MA, en Abdo de la Parra, MI (1996). Alternatieve bronnen van plantaardige eiwitten ter vervanging van vismeel voor aquacultuurvoer. Paper gepresenteerd in de Proceedings of the Third International Symposium on Aquaculture Nutrition, Monterrey, Nuevo León, Mexico.
9. Olaizola, M. (2003). Commerciële ontwikkeling van microalgenbiotechnologie: van de reageerbuis tot de markt. Biomoleculaire techniek, 20, 459-466.