Academic literature on the topic 'Mikrořasa'

Úprava biomasy je jedním z nejdůležitějších problémů v moderních přírodních vědách, protože je základní kategorií týkající se zemědělství, potravinářství, ekologie, zpracování odpadu a biotechnologie. Ať už živočišného, rostlinného nebo mikrobiálního původu, biomasa představuje obrovský zdroj surovin jako potravin, čistých chemikálií, bioaktivních molekul atd., jejichž izolace, charakterizace a formulace může vést k zajímavým novým produktům určeným pro lidskou spotřebu, nebo jako nový materiál v biomedicíně. Předložená studie byla zaměřena na výzkum dvou druhů biomasy - kuřecí kůže jako zdroje kolagenu t a biomasy mikrořasy Chlorella sorokiniana obohacené selenomethioninem (SeMet). V první části práce byl z kuřecí kůže izolován, identifikován a charakterizován kolagen typu I. Molekulární vlastnosti kuřecího kolagenu byly analyzovány a srovnány s jinými kolageny z živočišných kůží. Pro molekulární charakterizaci kolagenu byla použita viskosimetrie a ultrazvuková spektroskopie. Ultrazvukovou spektroskopií bylo zjištěno, že disagregace a zkapalňování hovězího kolagenu začíná při teplotě 40 °C, zatímco u kuřecího kolagenu začíná až při 50 °C. Viskosimetrie dále potvrdila vyšší tepelnou stabilitu kolagenu z kuřecí kůže, jeho denaturační teplota byla 50 °C, což je rovněž o deset stupňů více než u hovězího kolagenu. Kuřecí kolagen obsahuje dvakrát vyšší množství lysinu, což poskytuje tepelnou stabilitu kolagenu. Na základě získaných výsledků lze říci, že vzhledem ke své vysoké tepelné stabilitě a vhodnému aminokyselinovému složení, kuřecí kůže může být použita jako alternativní zdroj kolagenu typu I s aplikacemi v potravinářském průmyslu a biomedicíně. Druhá část práce byla zaměřena na obohacení biomasy zelené mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem. Experimentální část byla provedena v Laboratoři biotechnologie řas na Univerzitě Huelva ve Španělsku. Cílem první části experimentů bylo studovat vliv selenu na životaschopnost řas, morfologii buněk a akumulaci SeMet v biomase mikrořasy kultivované v dávkových kulturách. Subletální koncentrace Se v živném médiu, 40 mgL-1 (212 M), snížila rychlost růstu o 25 % ve srovnání s kontrolní kulturou. Hodnota EC50 45 mgL-1 (238,2 M) byla stanovena pro selenan. Ultrastrukturální studie ukazovaly na strukturální změny chloroplastu (granulární stroma, redukce thylakoid). Elektroforéza proteinů z biomasy mikrořasy ukazuje, že Se ovlivňuje expresi genu enzymu Rubisco. C. sorokiniana byla schopna akumulovat až 140 mgkg-1 SeMet během 120 h kultivace. Další část experimentální práce byla zaměřena na obohacování biomasy mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem během kontinuální kultivace s použitím 2,2 L bioreaktoru v kultivačním médiu s přídavkem koncentrace selenu v rozmezí od 5 do 50 mgL-1. C. sorokiniana rostla stejně ve všech testovaných koncentracích selenu kromě koncentrace 50 mgL1, která byla již po krátké době kultivace letální. Během kontinuální kultivace se 40 mgL-1 selenu, bylo získáno maximálně 246 gL-1 selenomethioninu denně. Výsledky ukazují, že kultivace v dávkových kulturách a dlouhodobá kontinuální kultivace mikrořasy C. sorokiniana pro získaní biomasy obohacené SeMet je možná pečlivým výběrem podmínek kultivace a subletálních koncentrací selenu v živném médiu.

The diploma thesis is focused on the influence of biological stress formed by co-cultivation of heterotrophic (yeasts) and autotrophic (microalgae and cyanobacteria) organisms on the production of enriched biomass. The monitored groups of substances include carotenoids (-carotene, lutein, lycopene, astaxanthin, torularhodin), chlorophylls A and B, ergosterol and ubiquinone. Further, production of lipids was analyzed in the terms of fatty acid profile and lipid content in biomass. In the first part of the work, the yeast biomass production was investigated using different nitrogen sources. Glycerol was used as a carbon source in all parts of the work. Subsequently, the co-cultivation of yeasts with microalgae and cyanobacteria took place in a multicultivator with gradual increase of selected macroelements – nitrogen, magnesium and phosphorus. The last part of the work was focused on the co-cultivation of yeasts and microalgae in a laboratory fermenter. The best effect on the production of total biomass was the increased magnesium content and high nitrogen content in the basic medium. The best concentrations of carotenoids were achieved due to the double nitrogen and phosphorus content together. Chlorophyll production was significantly lower compared to carotenoids.

Carotenoids are natural pigments occurring in plants and many microorganisms, such as algae, yeast and bacteria. They represent the most common group of antioxidants with significant biological effect. Lipids are an essential component of all living organisms. They are the source and the reservoir of energy for organisms, which can also be used in the petrochemical industry for the production of biofuels. This thesis deals with the production properties of carotenoids and lipids by selected strains of yeasts, algae, and canobacteria, in order to apply the acquired knowledge and find cheap suitable alternatives for microbial biotechnological production of these metabolites using waste substrates. Carotenoids, coenzyme Q, and ergosterol in cells were determined by liquid chromatography. The lipid content and fatty acid profile was analyzed by gas chromatography. Cell morphology and localization of selected metabolites were analyzed by fluorescence lifetime imaging microscopy. In this work yeast genera Sporobolomyces, Cystofilobasidium and Rhodotorula were used. As the representatives of the algae and cyanobacteria strains of Desmodesmus, Cyanothece, Chlamydomonas, Synechoccocus and Chlorella strains were studied. In the overall comparison, the yeast strains were more productive than algae and cyanobacteria. The highest carotenoid production was found in S. pararoseus, C. capitatum and R. mucilaginosa cells, while the highest lipid yield was observed in strains of C. infirmominiatum and S. metaroseus.

Beta-glukany jsou polysacharidy složeny z monomerů D-glukózy. V dnešní době se -glukany těší zvýšené pozornosti zejména kvůli imunomodulační aktivitě a využitelnosti ve farmaceutickém a potravinařském průmyslu. Saccharomyces cerevisiae je dodnes jediným kvasinkovým zdrojem požívaným v biotechnologické produkci. Avšak některé kvasinky z oddělení Basidiomycetes, které jsou schopny produkce lipidů a karotenoidů, mohou být využity rovněž jako alternativní zdroj -glukanů. Dizertační práce se zabývá možností a optimalizací produkce -glukanů a dalších mikrobiálních sacharidů u karotenogenních kvasinek a mikrořas. Testovány byli zástupci rodů Rhodotorula, Sporobolomyces, Cystofilobasidium a Dioshegia. Z nekarotenogenních kvasinek byly do screeningu zařazeny kvasinky rodu Metschnikowia, askomycetní kvasinky a z mikrořas zástupci zelených a červených řas. Experimentální část cílí rovněž na možnosti koprodukce dalších metabolitů, jako jsou lipidy, pigmenty a extracelulární polymery. První část experimentu se zabývá vlivem čtyř C/N poměrů (10:1, 40:1, 70:1 a 100:1) na produkci biomasy, -glukanů, karotenoidů a lipidů. Ze všech testovaných kmenů, S. cerevisiae CCY 21-4-102, C. infirmominiatum CCY 17-18-4, P. rhodozyma CCY 77-1-1 a R. kratochvilovae CCY 20-2-26 vykazovaly nejvyšší produkci -glukanů a byly proto vybrány k podrobnější optimalizaci, zejména osmotického stresu, teploty a zdroje dusíku v kultivačním médiu. Dodatečně, kmen R. kratochvilovae CCY 20-2-26 je schopný produkce extracelulárních glykolipidů a S. pararoseus CCY 19-9-6 extracelulárních polysacharidů. Následně bylo stanoveno množství -glukanů u dalších dvanácti kmenů S. cerevisiae a rovněž možnost produkce polysacharidů u mikrořas.

Karotenoidy jsou přírodní pigmenty vyskytující se v mikroorganismech jako jsou řasy, kvasinky a sinice. Představují nejrozšířenější skupinu antioxidantů s významným biologickým účinkem. V současnosti vzrůstá zájem o karotenoidy vzhledem k jejich příznivým vlivům na lidské zdraví. Chlorofyly jsou zelená fotosyntetická barviva, která nacházejí uplatnění v potravinářství jako intenzivní zelená barviva. Koenzym Q je znám svým pozitivním vlivem pro správnou funkci řady orgánů v lidském těle. Ergosterol je nedílnou součástí membrán kvasinek a hub. Je to provitamin D2, který je důležitou součástí imunitního systému. Mikrobiální lipidy, nebo také ‚‚Single cell oils‘‘ jsou charakteristické vysokým obsahem zdraví prospěšných nenasycených mastných kyselin, které lze využít ve farmacii či kosmetice. Mikrobiální lipidy jsou dále studovány jako alternativa pro výrobu biopaliv. Dizertační práce byla zaměřena na studium a možnosti optimalizace produkce lipidů a lipidických látek vybranými kmeny karotenogenních kvasinek, mikrořas a sinic. V rámci práce byly testované kvasinky rodu Rhodotorula, Rhodosporidium, Cystofilobasidium a Sporidiobolus podrobené kultivacím na sérií médií s různými C/N poměry v rozsahu 13 až 100, obsahujících upravené odpadní substráty z potravinářského průmyslu. Vybrané kmeny byly poté kultivovány v bioreaktorech v médiu obsahujícím kombinaci odpadních substrátů. Kultivace mikrořas rodu Desmodesmus, Scenedesmus, Chlorella, Coccomyxa, Chlamydomonas, Botryococcus se zabývaly optimalizací jednotlivých komponent média a aplikací různých stresů s cílem navýšení produkce studovaných metabolitů. V rámci experimentů s extrémofilní mikrořasou Coccomyxa byly provedeny pilotní velkoobjemové kultivace v otevřených nádržích. V závěrečné části byl provedeny pilotní screeningové a velkoobjemové bioreaktorové experimenty zaměřené na možnosti kokultivace karotenogenních kvasinek a mikrořas. Testované kmeny kvasinek byly s rozdílnou úspěšností schopny utilizovat média obsahující hydrolyzované odpadní substráty. Nejlepším kmenem byl Sporidiobolus pararoseus, který na médiích dosahoval nejvyšších produkcí biomasy i sledovaných metabolitů. Z testovaných odpadních substrátů byla nejlepší kombinace odpadního fritovacího oleje a hydrolyzátu kávové sedliny. Úspěšná optimalizace složení hlavních komponent minerálního média vedla k zvýšené produkci studovaných metabolitů. Největší vliv měl optimální poměr P/N a aplikace oxidačního stresu. Nejlepších výsledků dosáhly mikrořasy rodu Desmodesmus a Scenedesmus. Velkoobjemové kultivace Coccomyxy onubensis potvrdily rezistenci kultury proti kontaminaci vnějšími vlivy a schopnost růstu za vysoké teploty a intenzity světelného záření. Kokultivační experimenty potvrdily schopnost symbiotického růstu kvasinek a mikrořas. Nejlepších výsledků dosahovaly všechny testované kvasinky s mikrořasami rodu Demsodesmus a Scenedesmus a v menší míře i rodu Coccomyxa.

The presented diploma thesis deals with the analysis and production of selected microbial metabolites of the yeast Rhodotorula kratochvilovae in comparison to various species of microalgae. The theoretical part summarizes the knowledge about the conditions for optimal growth and production of secondary metabolites. Analytical methods, by which metabolites were quantified and evaluated, were also described. In the experimental part of this thesis, the amount of accumulated biomass, exoglycolipids, intracellular lipids, phycobiliproteins and carotenoids according to various nutrient sources in the culture medium was studied. Specifically, the yields of these metabolites were investigated in the utilization of various sources of nitrogen (yeast extract, urea, ammonium sulfate, ammonium chloride and potassium nitrate), carbon (glucose, mannose, xylose, glycerol and lactose) and at variable C / N ratios (20; 40; 70; 100 and 120: 1) ideally selected sources of observed nutrients in partial experiments. The last part of the experiment was focused on comparison of the analysis of metabolites of autotrophic algae (chlorophylls, phycobiliproteins and lipids).

The aim of the diploma thesis is study of glucans production in selected species of yeasts, algae and plants. Cultivation conditions for yeast strains were performed to gain increased production of glucans under different temperature conditions and in media of different composition. Into the set of tested yeasts species strains Saccharomyces cerevisiae (CCY 6646), Sporidiobolus pararoseus (CCY 19-9-6), Phaffia rhodozyma (CCY 77-1), Rhodotorula glutinis (CCY 20-78-26) and Cystofilobasidium infirmominiatum (CCY 17-18-4) were enrolled. Saccharomyces cerevisiae was cultivated as a control strain because of its verified production of -glucans. -glucans were determinated by the enzyme kit K-YBGL Megazyme. For comparison, algal strain Euglena gracilis (CCALA 349), some species of mushrooms (shiitake, oyster mushroom, garden champignon and Jew’s ear) and cereals (wheat, rye, oats, rice and barley) were analysed too. Further, fatty acid content in the yeast cells was determined by the GC/FID. The best producer of yeast -glucans was R. glutinis CCY 20-7-26, which showed the highest biomass production (12-14 g/l) and also a relatively high amount of -glucans (25-30 %), in cultivation at 15 °C in a medium containing yeast extract in combination with ammonium sulphate. The presence of -glucans has been demonstrated in the microalgae, Euglena gracilis CCALA 349, as well as in samples of higher fungi and cereals.

This diploma thesis summarizes the knowledge about microalgae, their use, cultivation methods and obstacles that prevent their wider use. In the practical part of the work, a device was designed, constructed, and programmed. This device can analyze the bubbles of the tubular photobioreactor and, based on the obtained data, control its aeration. The Python programming language was used to create the program and the OpenCV library was used to analyze the photographs. The bubble detection is based on the edge detection and the subsequent refinement. The data obtained from the analysis are displayed on the device screen and the data are also stored in a csv file. The discussion lists possible improvements and lessons learned during the creation of this device.

Several yeast strains and microalgae were selected for this diploma thesis. -glucans, lipids, carotenoids, ergosterol and coenzyme Q were determined in selected producers, and the cultivation conditions for yeast strains were optimized to gain enhanced production of -glucans. Microalgae cultivations were carried out according to the instructions of the Collection of Autotrophic organisms (CCALA). Selected microalge strains include Desmodesmus acutus, Dunaliella salina, Arthrospira maxima and Cyanothece sp. Selected yeast species include Rhodotorula glutinis, Cystofilobasidium macerans and Sporidiobolus metaroseus. Edible yeast Saccharomyces cerevisiae was cultivated to compare with other yeast strains because of it's verified production of -glucans. -glucans were then determined by the enzymatic kit K-YBGL Megazyme, carotenoids, ergosterol and coenzyme Q were analyzed by HPLC/PDA and fatty acids were analyzed by GC/FID. The best producer of yeast -glucans was R. glutinis and S. metaroseus, and the best conditions for the production of -glucans and other metabolites was the C/N ratio of 70. Within the microalgae species, only -glucan production was observed, the best producer was D. acutus.

Předložená diplomová práce byla zpracována s cílem vytvořit přehled poznatků v oblasti akvaponické potravinové produkce. Informace získané během tvorby tohoto přehledu pak měly vést, v kombinaci s daty získanými z funkčního provozu, k vytvoření matematického modelu akvaponického cyklu. Na akvaponické farmě provozované společností Flenexa plus s.r.o., která byla zdrojem potřebných procesních dat, měla být dále zpracována a vyhodnocena bilance energie a vody. Nakonec měla být v průběhu práce posouzena možnost implementace mikrořasového fotobioreaktoru do akvaponického cyklu. Úvod práce představuje motivaci vedoucí k potřebě inovovat dnešní potravinovou produkci. Kriticky jsou zhodnoceny predikce vývoje lidské populace, a to pak hlavně z pohledu dopadu, který by tento růst měl na zemědělskou produkci. Současná situace se na základě získaných poznatků ukazuje jako neudržitelná, primárně pak v oblastech vodohospodářství a energetické spotřeby. Následně je jako možné řešení vedoucí ke zlepšení udržitelnosti potravinové produkce zkoumána akvaponie. Akvaponie je definována a její jednotlivé komponenty jsou představeny z hlediska mechanismu jejich fungování a z pohledu jejich návrhu. Mezi popsané oblasti patří například principy tzv. coupled a decoupled akvaponie a popis možných typů hydroponického komponentu. V této části práce je pozornost věnována také představení cyklů jednotlivých živin v rámci akvaponie. Následující a poslední teoretická část práce je pak věnována mikrořasovému fotobioreaktoru. Jsou zde popsány mechanismy, jak motivující, tak odrazující od zakomponování bioreaktoru do akvaponie. V oblasti výhod se jedná hlavně o jeho roli ve stabilizaci pH a spotřebě toxikého amoniaku. Na druhou stranu jeho ekonomické dopady na profitabilitu akvaponie jsou velmi proměnlivé v závislosti na způsobu implementace. Samotný mikrořasový fotobioreaktor je pak v práci detailněji představen. Jednotlivé procesní ukazatele ovlivňující růst řas jsou rozebrány, a to společně s jednotlivými typy fotobioreaktoru, metodami sklizně a využitími pro vyprodukované mikrořasy. Na základě poznatků schromážděných v této práci pak lze jako nejvhodnější k implementaci do akvaponie doporučit hybridní fotobioreaktory, u kterých je většina osvětlení zajištěna v podobě slunečního svitu. Samotná experimentální část práce pak začíná popisem zkoumaného provozu společnosti Flenexa plus s.r.o. z pohledu aplikovaného akvaponického procesu. Jednotka podrobená měření byla provozně stabilní a využívala implementace hydroponického komponentu typu Deep Water Culture (DWC). Spolu s detailním popisem celého provozu jsou poskytnuty a vyhodnoceny vypracované bilance vody a energií. Pozornost je pak přesunuta k matematickým modelům vypracovaným a ověřeným na základě dat a poznatků shromážděných z provozu společnosti Felenexa plus s.r.o. Logika a algoritmy, na kterých jsou oba modely postaveny, jsou v této části vysvětleny a diskutovány společně s hlavními funkcemi a schopnostmi obou modelů. První, primárně statistický model je představen jako nástroj pro použití při uvádění akvaponie do provozu. Druhý, fyzikální model pak v uživatelsky přívětivém formátu představuje základ pro model řízení akvaponické farmy s mikrořasovým fotobioreaktorem. V neposlední řadě jsou nastíněny také cesty možného budoucího vývoje pro oba vytvořené modely. Práce je následně završena shrnutím a diskusí nad poznatky a výstupy získanými během celého tvůrčího procesu.