Две трети поверхности земного шара занимают моря и океаны. Да и на материках бесчисленное количество озер, рек, водоемов, увлажненной поверхности почвы, куда так или иначе проникает солнечный свет. Все эти места населены микроскопическими водорослями, относящимися к различным семействам, родам, видам и обладающими разными свойствами. Их очень много. За последние годы пристальное внимание ученых привлекла к себе пресноводная одноклеточная водоросль — хлорелла.
Свободно живущие клетки этой водоросли обладают фотосинтетическим аппаратом — хроматофором (одно из разновидностей хлоропластов), содержащим хлорофилл.
Особое свойство хлореллы в том, что клетки ее обитают в водной среде и благодаря этому для них не существует проблемы недостаточного водоснабжения, а также быстрых и резких чрезмерных колебаний температуры внешней среды. Питательные вещества — углекислый газ, элементы минерального питания клетки водоросли получают непосредственно из окружающей жидкой среды, усваивая их всей своей поверхностью. Начальные продукты питания и продукты фотосинтеза производятся и используются на месте, в одной и той же клетке, без сложных транспортировок из одних органов в другие, без необходимости создавать сложные транспортные системы и органы, связывающие растения с почвой и воздушной средой. Живая клетка водоросли несет обязанности и органа размножения. Она дает автоспоры — зачаточные образования, из которых возникают дочерние клетки. Каждая дочерняя клетка, осуществляя фотосинтез, растет и в свою очередь достигает больших размеров и зрелости. Внутри ее образуются две, четыре, а в хороших условиях 16 автоспор. Разрывая оболочку материнской клетки, они выпадают в жидкую среду, давая новое поколение дочерних клеток, содержащих много хлорофилла и способных опять быстро начать энергичный фотосинтез, расти и осуществить такой же жизненный цикл, как и клетки предшествующих поколений. У очень активных форм цикл жизни определяется 8 часами. Таким образом, за сутки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому.
Если даже в среднем каждая клетка будет давать 4 дочерних, то и при этом суточный коэффициент размножения, а, следовательно, и умножения органического вещества за счет фотосинтеза может достигнуть 64. Такой быстрый фотосинтез и прирост биомассы может осуществляться в очень благоприятных условиях и, в частности, тогда, когда плотность суспензий очень невелика, например, не свыше 2—3 млн, клеток в см3 жидкости.
Схема размножения клеток хлореллы
В этом случае суспензия почти прозрачна, свет проникает в ее глубину без особых препятствий, все клетки освещаются, не мешая друг другу, и не проявляется борьба между ними за углекислоту и минеральное питание. Однако начальная биомасса клеток в жидкости в этом случае ничтожна и даже суточное увеличение ее в 64 раза не может дать сколько-нибудь значительной продукции. В благоприятных условиях, благодаря быстрому размножению клеток, плотность суспензии быстро и сильно возрастает и в конце концов может достигнуть одного, двух и больше миллиардов клеток в 1 см3. При этом суспензии приобретают очень высокую оптическую плотность, свет может проникать внутрь суспензии на глубину не больше 1—2 мм, остальные клетки не получают света, но дышат и расходуют органические вещества. Кроме того, им начинает не хватать элементов минерального питания и в конце концов рост плотности суспензии или нарастание биомассы прекращается.
График, поясняющий характеристику работы установки по непрерывному производству хлореллы. А — кривая, характеризующая изменения плотности суспензии; Б — то же для коэффициента размножения; В — суточные приросты биомассы; М — максимум, соответствующий наибольшей производительности работы установки
Наибольшее абсолютное нарастание органических веществ в результате фотосинтеза происходит при некоторой оптимальной при данных условиях плотности суспензии. Коэффициент размножения клеток при этом хотя и снижается, но зато исходная масса в суспензии достаточно велика и даже при сниженных коэффициентах размножения общий результат фотосинтеза оказывается наивысшим.
В этом состоянии суспензии из нее можно непрерывно отбирать нарастающую биомассу, состоящую в основном из органических веществ, как продуктов фотосинтеза, и поддерживать суспензию на уровне оптимальной плотности, добавляя взамен отбираемой части чистый раствор питательных солей. Такая суспензия будет непрерывно осуществлять фотосинтез и равномерно выдавать продукцию его в виде органического вещества.
Схема установки по непрерывному производству биомассы хлореллы: 1 — бак с суспензией водорослей, 2 — сепаратор, 3 — отстойник, 4 — переработка биомассы
В данном случае мы описали принцип высокопроизводительной биологической фотосинтезирующей системы, в которую вводится энергия в виде света, подаются исходные питательные вещества в виде углекислого газа и минеральных солей. В такой установке с помощью автоматической системы на выходе отбирается готовая продукция, непрерывно получаемая при оптимальном режиме работы суспензии. Интереснейшая особенность этой системы заключается также в том, что в ней фотосинтетический аппарат не только выдает нужную нам продукцию, но и непрерывно сам себя обновляет, воссоздает и обеспечивает таким образом непрерывную равномерную работу системы в течение произвольно длительного времени.
Замечательные свойства подобной системы можно умножить. Непрерывный высокий выход фотосинтетической продукции обеспечивается обильным питанием азотом, поддерживающим не только интенсивный фотосинтез, а и очень энергичное размножение клеток. В этом случае на выходе из системы получается биомасса с высоким содержанием белков (до 50%), а белки — основа жизни и ценнейшая часть кормов и пищи.
Но в ряде случаев выгодно или необходимо получать органическую биомассу, богатую углеводами или жирами. Для этого отбираемую из первого основного реактора суспензию с энергично растущими клетками после ее концентрирования помещают в другой реактор с питательной средой, бедной азотом. Здесь суспензия обильно освещается и хорошо снабжается углекислым газом.
В этих условиях клетки энергично фотосинтезируют, но не столь энергично размножаются. Вместо этого они сильно увеличиваются в размерах, заполняясь углеводами и жирами. Выдержав в этих условиях суспензию, можно получать биомассу, в составе которой может быть много углеводов (до 50%) или жиров (до 60%).
Таким образом, можно управлять фотосинтезом описанных систем, не только увеличивая его КПД, но и получая продукцию разного химического состава. В дальнейшем, путем подбора соответствующих форм водорослей и режимов их культуры, вероятно, можно будет получать и другие специализированные продукты, богатые витаминами, ферментами, физиологически активными, и даже техническими веществами, необходимыми для их использования в промышленности.
Остается выяснить, какими могут быть коэффициенты полезного действия такой непрерывно действующей фотосинтезирующей системы.
В очень разбавленной суспензии, когда клетки водоросли не затеняют друг друга, как показывают графики, плато кривой фотосинтеза, характеризующее оптимальный режим процесса, начинается при освещенности 5—10 тыс. люкс. Если суспензия в плоской кювете освещается светом, не превышающим интенсивности в 5—10 тыс. люкс, то каждая отдельная клетка использует поглощаемый ею свет с высоким КПД, соответствующим 20—25%.
Но пропуская большую часть света через себя, слабая суспензия поглощает мало света. Общий КПД всей суспензии в целом низок. Отсюда ясно, что для того чтобы повысить выход фотосинтеза и КПД, надо либо увеличить толщину слоя (что не всегда выгодно), либо повысить плотность суспензии. Повышать плотность суспензии надо так, чтобы в самых глубоких ее слоях оставался свет, интенсивность которого не спускалась бы ниже величины, соответствующей компенсационному пункту фотосинтеза. В этом случае суспензия могла бы работать с коэффициентом полезного действия, равным примерно 25%.
Однако при низких интенсивностях света общая суммарная продуктивность фотосинтеза на единицу освещаемой площади суспензии будет низкой. Как видно, в этом случае стремление иметь высокий КПД фотосинтеза оказалось в некотором противоречии с требованием общей высокой производительности системы.
Для того чтобы удовлетворить и второе требование, необходимо работать при более высоких плотностях суспензий, т. е. увеличивать оптическую их плотность. Но если при этом не увеличить интенсивность света, то клетки глубоких слоев не будут получать достаточного для фотосинтеза количества света. Эти клетки будут тратить органические вещества на дыхание. Увеличивая плотность суспензии, мы должны также увеличивать и интенсивность света.
В этих случаях самые наружные клетки будут освещаться светом излишне высоких интенсивностей и будут работать с пониженным КПД в зоне плато световой кривой фотосинтеза. Но в более выгодных условиях будут находиться клетки внутренних слоев. Это повысит общий выход продукции, но снизит коэффициент .полезного действия фотосинтеза суспензии.
В разных случаях з зависимости от задачи и цели работы, от доступности условий приходится ориентироваться либо на необходимость получать высокие выходы продукции с единицы освещаемой площади или объема суспензии (но при этом приходится мириться со сниженным КПД использования света). Либо, наоборот, приходится стремиться получать высокий КПД использования света, но со сниженными абсолютными выходами биомассы. Отыскание условий наиболее выгодных для тех или иных целей и техники культуры водорослей обычно осуществляется путем математического анализа, тем более оправдывая оценку подобных фотосинтезирующих систем, как систем инженерно-биологических. Такой подход по отысканию оптимальных вариантов культуры особенно необходим в тех ответственных случаях, когда предполагается использование культуры водорослей в условиях космических полетов, где они, осуществляя фотосинтез, могут и поддерживать на нормальном уровне состав воздуха, освобождая его о г углекислого газа и обогащая кислородом. Здесь нужна особенно высокая производительность и надежность работы подобных систем.
Все это требует усиленной работы по улучшению конструкции специальных аппаратов — реакторов, разработки наилучших условий освещения, питания клеток, перемешивания суспензии и, наконец, подбора для культуры наиболее выгодных форм водорослей. Это так называемые термофильные, теплолюбивые формы. Они легче переносят свет высоких интенсивностей и лучше на него отзываются.
При хороших условиях можно рассчитывать на то, что совершенные системы интенсивной культуры одноклеточных водорослей смогут использовать энергию поглощаемого ими света с КПД в 15—20%.