Энергосберегающие режимы освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.06, кандидат технических наук Мальцевская, Надежда Владиславовна

• Мальцевская, Надежда Владиславовна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мальцевская, Надежда Владиславовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Значение света

1.2 Значение фотосинтеза

1.3 Фотосинтез

1.4 Микроорганизмы

IАЛ Chlorellasp

1.4.2 Scenedesmus rubescens

1.4.3 Phaffia rhodozyma

1.5 Культивирование фототрофных микроорганизмов

1.5.1 Культивирование фототрофных микроорганизмов в 29 открытых водоёмах

1.5.2 Культивирование фототрофных микроорганизмов в 30 биореакторе

1.5.3 Промышленное культивирование фототрофных 35 микроорганизмов

1.6 Прерывистое (циклическое) освещение при культивировании 37 фототрофных организмов

1.6.1 Фотопериодически индуцируемые морфозы. 37 Циркадные (суточные) ритмы

1.6.2 Влияние прерывания света на фотосинтез

1.6.3 Исследования влияния импульсного света на 42 стимуляцию физиологических процессов

1.7 Виды освещения, применяемые для культивирования 45 фототрофных микроводорослей

1.7.1 Источники искусственного оптического излучения

1.7.2 Лампы на основе светоизлучающих диодов

1.8 Выводы и постановка задачи

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, АППАРАТУРА, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Характеристики биологических объектов

2.2 Питательные среды

2.3 Методы анализов

2.4 Экспериментальные установки

2.5 Методы проведения процессов ферментации 75 ГЛАВА 3. РОЛЬ ЗАТРАТ НА ОСВЕЩЕНИЕ ПРИ 77 КУЛЬТИВИРОВАНИИ СВЕТОЗАВИСИМЫХ ОРГАНИЗМОВ

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СИСТЕМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ СВЕТОЗАВИСИМЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

4.1 Установка для культивирования микроорганизмов на

твёрдой питательной среде с применением освещения различных спектров

4.2 Наклонное устройство №1 для глубинного культивирования 83 в колбах с нижней подсветкой

4.3 Наклонное устройство №2 для глубинного культивирования 90 в колбах с нижней подсветкой

4.4 Установка для культивирования микроорганизмов на 94 твёрдой среде с регулируемыми интервалами микроимпульсного освещения

4.5 Установка для культивирования микроорганизмов с 96 регулируемыми интервалами микроимпульсного освещения

4.6 Изучение возможности реализации микроимпульсных 99 режимов освещения с учётом светодинамических характеристик светодиодов

ГЛАВА 5. ПРИМЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

5.1 Влияние спектральных характеристик на рост и развитие 104 Chlorella sp.

5.2 Эксперименты по культивированию Chlorella sp. с 109 применением источников белого цвета излучения и различной освещённостью

5.3 Зависимость освещённости от толщины слоя суспензии

5.4 Культивирование Phaffia rhodozyma в жидкой питательной 111 среде

5.5 Культивирование Chlorella sp. и Scenedesmus rubescens в 114 жидкой питательной среде на шейкере, оснащённом нижней светодиодной подсветкой

ГЛАВА 6. ОДНОЧАСТОТНОЕ МИКРОИМПУЛЬСНОЕ

ОСВЕЩЕНИЕ

6.1 Соотношение длительностей фаз фотосинтеза

6.2 Эксперименты с суточным чередованием освещения при 120 культивировании на чашках Петри

6.3 Эксперименты с суточным чередованием освещения при 127 глубинном культивировании

6.4 Проверка влияния длительности темновых интервалов на 131 результат процесса

6.5 Варьирование длительности темнового интервала при 135 культивировании светозависимых микроорганизмов на твёрдой питательной среде

6.6 Температура СД источников света при различных 140 длительностях светового импульса и темнового интервала

ГЛАВА 7. СУПЕРПОЗИЦИОННЫЙ РЕЖИМ

МИКРОИМПУЛЬСНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

7.1 Экспериментальное определение параметров

суперпозиционного режима с использованием метода ортогональных латинских прямоугольников

7.2 Уточнение оптимальных параметров суперпозиционного 154 освещения

ГЛАВА 8. ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ОСВЕЩЕНИЯ НА 160 КАЧЕСТВО БИОМАССЫ СВЕТОЗАВИСИМЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

ГЛАВА 9. ПЕРСПЕКТИВЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕКИХ 166 ЗАТРАТ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ CHLORELLA SP. ПРИ ПРИМЕНЕНИИ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА И ПРЕРЫВИСТОГО ОСВЕЩЕНИЯ

9.1 Применение светодиодных источников света

9.2 Применение светодиодных ламп, оснащённых генератором 167 импульсов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающие режимы освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большое количество продуктов, которые человек использует в процессе своей жизнедеятельности, представляют собой продукт биотехнологического производства микроорганизмов. Это часто связано с тем, что применение продуктов искусственного химического синтеза не всегда отвечает требованием безопасности, а также может быть экономически не выгодно. Одной из важнейших задач микробиологической и биотехнологической промышленности является достижение высокой производительности с наименьшими затратами.

Между тем биотехнологическое производство часто сопряжено с затратами энергии. Так, культивирование светозависимых микроорганизмов связано с высокими затратами электроэнергии на освещение.

Учитывая это, особую актуальность приобретает совершенствование существующих технологий получения биомассы микроорганизмов и использование энергосберегающих технологий.

Работа актуальна также благодаря тому, что ряд государств, в том числе и Российская Федерация, на законодательном уровне отказываются от применения наиболее энергозатратных источников света.

В работе рассматриваются некоторые пути энергосбережения при культивировании светозависимых микроорганизмов с применением полупроводниковых источников света - светодиодов (СД). Светозависимые микроорганизмы - это, главным образом, микроорганизмы, свет для которых является необходимым фактором их существования (фототрофные микроорганизмы). Существует также группа микроорганизмов, для которых свет является «катализатором» того или иного процесса, например, образование различных ценных веществ (пигментов и пр.).

Спектр применения светозависимых микроорганизмов очень широк. Полученные продукты используются в пищевой, медицинской, химической промышленности и др. В сфере защиты окружающей среды фототрофные

микроорганизмы могут быть применены для сокращения содержания парниковых газов (С02) в атмосфере. Всё чаще оказываются в центре внимания эти микроорганизмы с точки зрения получения биотоплива как альтернативный вариант ископаемым видам топлива в связи с ужесточением экологических норм, ростом цен на нефть и сокращения природных ресурсов.

При культивировании светозависимых микроорганизмов большая часть затрат приходится на освещение, интенсивность которого должна быть достаточной для обеспечения высокой скорости роста. Поиск путей энергосбережения является поэтому актуальной задачей. В настоящей работе рассмотрены два направления решения этой задачи: применение светодиодов (СД) и использование прерывистого освещения.

Выбор СД в качестве источников света сделан вследствие ряда причин. Во-первых, в настоящее время СД являются одними из самых энергоэффективных источников света. Во-вторых, СД обладают рядом характеристик, которые способствуют расширению границ их использования, таких как быстродействие, получение любого цвета излучения, низкое тепловыделение. В-третьих, полупроводниковая промышленность является одной из быстро развивающихся отраслей, что даёт уверенность в перспективности применения подобного рода источников света.

Цель и задачи работы

Цель работы - показать возможность использования различных режимов освещения светозависимых микроорганизмов, реализуемых на основе СД источников излучения, для снижения энергозатрат при получении биомассы микроорганизмов и продуктов метаболизма, а также при утилизации углекислоты из воздуха. В соответствии с указанной целью в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать, изготовить и экспериментально апробировать установку

по культивированию фототрофных микроорганизмов с применением СД источников света.

2. Изучить влияние излучения монохроматических СД с различными спектральными характеристиками на рост и развитие светозависимых микроорганизмов.

3. Разработать и изготовить установки для изучения влияния прерывистого освещения на рост и развитие светозависимых организмов в условиях твердофазного (чашки Петри) и глубинного (колбы на качалках) культивирования.

4. Проверить совместимость динамических характеристик СД для использования в режимах микроимпульсного освещения.

5. Проверить известные по литературным данным одночастотные режимы микроимпульсного освещения на примере культивирования Chlorella sp.

6. Разработать системы культивирования светозависимых организмов

с усовершенствованием алгоритмов импульсного освещения и проверить возможность снижения энергозатрат при выбранном алгоритме освещения.

7. Изучить влияние прерывистого освещения на биохимический состав биомассы микроорганизмов.

Научная новизна

Показано, что светоизлучающие диоды по своим динамическим характеристикам могут быть использованы для реализации микроимпульсного освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов;

Разработана лабораторная установка для изучения влияния параметров микроимпульсного освещения на процесс культивирования светозависимых микроорганизмов в условиях твердофазного (чашки Петри) и глубинного (колбы на качалках) культивирования;

Установлено, что опубликованные в литературе режимы микроимпульсного освещения (10 мкс - световая фаза - и 10000 мкс -темновая)

при круглосуточном режиме их применения не обеспечивают стабильного роста микроводоросли Chlorella sp., соизмеримого по характеристикам с режимом постоянного освещения. То же относится к одночастотным режимам прерывания освещения с другими характеристиками;

Предложен и экспериментально подтверждён суперпозиционный способ микроимпульсного освещения, в котором сочетаются низкочастотный и высокочастотный режимы импульсного освещения. При этом высокочастотный режим освещения подключается в период фазы отсутствия света в низкочастотном режиме. Установлено, что при определённом соотношении длительностей световых импульсов и фаз отсутствия света такой режим обеспечивает снижение удельных энергозатрат на получение биомассы в сравнении с режимом постоянного освещения в 2 раза и более;

Показано, что при использовании микроимпульсного освещения в «ночной» период циркадно-циклического режима достигается более заметное снижение удельных энергозатрат на образование биомассы, но

эффект прерывистости зависит от уровня освещённости в период светового импульса.

Показано, что биохимические характеристики биомассы микроводорослей, полученной в режимах постоянного и импульсного освещения, практически не различаются.

Положения, выносимые на защиту:

Использование СД при культивировании светозависимых микроорганизмов для реализации микроимпульсного режима освещения с длительностью цикла микроимпульсов, соизмеримого с длительностями фаз фотосинтеза.

Лабораторная установка для подбора режимов микроимпульсного освещения с реализацией варьируемой длительности световой и темновой фазы в процессе культивирования фототрофов.

Установленный факт, что микроимпульсный режим освещения с одночастотным алгоритмом широтно-импульсной модуляции не обеспечивает стабильного протекания процессов культивирования микроводоросли Chlorella sp.

Совмещённый импульсный режим освещения, в котором в период темновой фазы низкочастотного импульсного режима происходит включение высокочастотного импульсного режима освещения. Показано, что этот режим позволяет получить существенное снижение энергозатрат на выращивание микроводорослей Chlorella sp.

Установленный факт, что биохимические характеристики биомассы Chlorella sp., выращенной при микроимпульсном режиме освещения, практически не изменяются по сравнению с полученными при постоянном режиме освещения.

Практическая ценность результатов

Найденные режимы прерывистого освещения могут быть применены для реализации промышленных систем культивирования микроводорослей при использовании искусственных источников света, что может дать существенную (двукратную и более) экономию по удельным энергозатратам.

Техническая документация на разработанную установку передана в Институт промышленной биотехнологии МГУИЭ и ООО «Бигор-сервис».

Разработанная установка без больших переделок может быть

применена

для поиска энергосберегающих условий выращивания высших растений при искусственном освещении (например, в парниковых хозяйствах).

Установка используется в МГУИЭ для проведения лабораторных работ студентов и в научных исследованиях.

Область применения

Для многоцелевого культивирования светозависимых микроорганизмов

в закрытых системах (в биореакторах): для получения биомассы светозависимых микроорганизмов, для получения ценных питательных веществ (биоактивные добавки, кормовая биомасса, биомасса с биотопливными составляющими), в сфере защиты окружающей среды (очистка стоков), для регенерации воздуха на земле и в космосе.

Апробация

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на: на выставках «НТТМ-2007» (диплом), «Химия - 2007», «ОТМЕХ - 2007»; «Росбиотех - 2007» (медаль), «ЯшпапсЛесЬ-гООв», «Росбиотех-2008» (медаль), «Мир биотехнологий-2009»; VI международной

научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» в 2009 году; научных конференциях студентов и молодых учёных МГУИЭ в 2008, 2009, 2010 годах; на конкурсе научных работ на соискание премии «Фонда им. Л.А. Костандова» - 2010 (медаль и премия). Московской международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» в 2010 году, на VI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» - 2011.

Личный вклад

Личный вклад в работу соискателя является определяющим. Все эксперименты и обработка полученных в результате экспериментов данных проведены Мальцевской Н.В.

В постановках плана экспериментов и обсуждении результатов, а также редактировании публикаций участвовал научный руководитель Бирюков В.В. В разработке, изготовлении и тестировании экспериментальных установок участвовали Мальцевский В.В., Макеев П.П. В работах по культивированию РЬа/Аа гЬос!огута эксперименты проведены совместно с Прохоровой А.И. В разработке и экспериментальной проверке варианта компьютерной программы регулирования управления световых импульсов принимал участие Зубов Д.В. В исследованиях проверки качества биомассы фототрофов, полученной при периодическом освещении, принимала участие Тулякова Т.В.

Публикация результатов

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Кроме того, по материалам работы подготовлен патент (заявка на патент № 2010108212/10 Бирюков В.В., Макеев П.П., Мальцевский В.В., Мальцевская Н.В. Способ культивирования

фототрофов и установка для его осуществления. Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 18.11.2011).

ГЛАВА 1. КУЛЬТИВИРОВАНИЕ СВЕТОЗАВИСИМЫХ МИКРООРАГНИЗМОВ И ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ВОПРОСОВ ОСВЕЩЕНИЯ ФОТОБИОРЕАКТОРОВ

1.1. Значение света

Каждый год на поверхность Земли от Солнца поступает 3 • 1024 Дж энергии, в то время как запасы нефти, природного газа, угля, урана по оценкам эквивалентны 2,5-1022 Дж. Следовательно, за неделю Земля получает такое же количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых её запасах. Иными словами, если бы только 0,1% поверхности Земли занимали коллекторы, использующие солнечную энергию с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие потребности в энергии в мире за год (3 • Ю20 Дж) [11, 69, 152, 170].

Свет - видимое излучение - электромагнитные волны, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 до 780 нм [1, 11,56].

Свет является одним из главных абиотических факторов, влияющих на живые организмы. Свет - не только жизненно важный но и лимитирующий фактор как на минимальном, так и на максимальном уровне. С участием света у растений и животных протекают важные процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение и т. д. [55, 60, 73, 108].

Движение Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Сезонная ритмичность в жизнедеятельности организмов определяется, в первую очередь, сокращением световой части суток осенью и увеличением весной. Продолжительность светового дня является важным регулирующим фактором в жизни живых организмов, влияя на сезонные изменения

физиологической активности живых организмов в ответ на изменение продолжительности дня и ночи (фотопериодизм) [61, 184, 206].

1.2 Значение фотосинтеза

Фотосинтез - процесс улавливания солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и превращения её в энергию биомассы [26, 35, 72, 82, 135].

Фотосинтезирующая деятельность фототрофов обеспечивает планету органическим веществом. В продуктах фотосинтеза запасается огромное количество энергии. Процесс фотосинтеза является основой питания всех живых существ, а также снабжает человечество топливом (древесина, уголь, нефть), волокнами (целлюлоза) и бесчисленными полезными химическими соединениями [20, 46, 107, 209]. Из диоксида углерода и воды, связанных из воздуха в ходе фотосинтеза, образуется около 90-95% сухого веса урожая. Остальные 5-10% приходятся на минеральные соли и азот, полученные из почвы. Человек использует около 7% продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов [20, 69, 82, 100,218].

Фотосинтезирующие и гетеротрофные организмы

сосуществуют в биосфере в сбалансированном стационарном состоянии. Способностью к фотосинтезу обладают самые разные группы организмов -как прокариоты, так и эукариоты [44, 52, 77, 180]. К фотосинтезирующим эукариотам относятся не только высшие зелёные растения, но и ряд низших форм - многоклеточные зелёные, бурые и красные водоросли, а также одноклеточные организмы - эвгленовые, динофлагелляты и диатомовые водоросли [9, 39, 84, 125, 150, 165]. К фотосинтезирующим прокариотам относятся сине-зелёные водоросли (цианобактерии), также зелёные и пурпурные бактерии [36, 81, 178]. Фотосинтезирующие бактерии, в отличие от фотосинтезирующих эукариот, не выделяют и не используют

молекулярный кислород. Вместо воды эти бактерии используют в качестве доноров электронов либо неорганические соединения (сероводород, тиосульфат, газообразный водород), либо органические вещества (молочную кислоту, изопропиловый спирт) [44, 82, 121, 160]. Однако в данной работе будут рассматриваться, главным образом, эукариотические фотосинтезирующие организмы.

Именно вследствие этой нашей глобальной зависимости от фотосинтеза (прошлого и нынешнего) как в энергии, так и в пище, механизмы фотосинтеза составляют одну из самых фундаментальных биохимических проблем.

1.3 Фотосинтез

Фотосинтез — это сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в котором происходит восстановление углекислого газа до углеводов и окисление воды до кислорода. Он включает как световые, так и темновые реакции. Некоторые этапы этого процесса непосредственно не связаны с использованием энергии света. Процесс фотосинтеза включает следующие этапы: 1) фотофизический; 2) фотохимический (световой); 3) ферментативный (темновой) [152, 165].

В 1932 г. Эмерсону [174] удалось непосредственно измерить продолжительность световых и темновых реакций фотосинтеза. Оказалось, что длительность световой реакции составляет 10"5 с и не зависит от температуры, тогда как скорость темновой значительно меньше и в

9 1

зависимости от температуры изменяется от 4-10 до 4 -10 с [165, 174].

Фотофизический этап фотосинтеза.

Первый этап фотосинтеза - это поглощение энергии света молекулами пигментов. Пигменты, участвующие в фотосинтезе эукариот, включают хлорофиллы и каротиноиды, которые упакованы в тилакоиды хлоропластов в

виде фотосинтетических единиц, называемых фотосистемами. Свет, поглощённый молекулами пигментов, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень. Молекулы пигментов упакованы в фотосистемах таким образом, что они способны передавать эту энергию на специальную молекулу, называемую реакционным центром [46, 93, 102, 165].

Известно, что интенсивность фотосинтеза зависит от длины волны (цвета) оптического излучения. Оказывается, что наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных и синих лучах [3, 18, 44, 165]. В зелёной части спектра процесс фотосинтеза ослабевает [3, 121, 140, 150].

Фотохимическое действие могут оказывать только те кванты света, которые поглощаются пигментами. При поглощении светового кванта молекулы пигмента возбуждаются (на короткое время переходят в высокоэнергетическое состояние). При их возвращении в исходное состояние выделяется энергия, за счёт которой может совершаться химические превращения [17, 18, 67, 77].

Тилакоиды (основные элементы мембранной фотосинтетической системы хлоропластов) содержат следующие пигменты: хлорофиллы, каротиноиды (каротины, и ксантофиллы), а у красных водорослей и цианобактерий - также фикобилипротеиды. Свет поглощают все пигменты, фотохимическую работу выполняют только фотосинтетически активные (хлорофилл а у растений и цианобактерий и бактериохлорофилл у бактерий). Добавочные пигменты (хлорофилл Ь, каротиноиды, фикобилипротеиды) передают поглощённую энергию активным пигментам без существенных потерь. Хлорофиллы поглощают свет в синей и красной областях спектра, зелёный свет, большей частью, ими отражается, что и придаёт растениям специфическую зелёную окраску, если она не маскируется другими пигментами [3, 17]. Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, сильно поглощающие в сине-фиолетовой области [3,

17, 180, 183]. Они называются вспомогательными пигментами, поскольку поглощённую ими световую энергию они переносят на хлорофилл. В спектре поглощения каротиноидов обнаруживаются три пика в сине-фиолетовой области. Помимо своей функции как вспомогательных пигментов каротиноиды защищают хлорофиллы от избытка света и от окисления кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза.

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удалённою орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень. Наибольшей энергией обладает электрон, отдалённый от ядра атома и находящийся на достаточно большом расстоянии от него. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света, если энергия этого кванта равна разнице между этими энергетическими уровнями [67, 80, 165, 180].

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения обусловлен переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряжённых двойных связей, а второй - с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движение. Особенно легко возбуждаются электроны сопряжённых двойных связей [10, 26, 27, 165].

Электрон, кроме того, что он находится на определённой орбитали и вращается вокруг ядра, обладает ещё спином. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, противоположны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (8о). В основном энергетическом состоянии 8о молекула находится

в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующие орбитали с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния (8*ь 8*2). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным (Т*). Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень 8*2. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых содержат больше энергии. В первое возбуждённое 8*1 состояние электроны могут переходить, поглощая более мелкие кванты красного света [72, 152, 165].

Время жизни на 8*2 уровне составляет 10"12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние 8*1 (без изменения направления спина). Переход из второго синглетного состояния 8*2 в первое 8*1 сопровождается некоторой потерей энергии в виде теплоты. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше (10"9 или 10"8 с). Наибольшим временем жизни (10"4 - 10"2 с) обладает триплетное состояние Т*1. Переход на триплетный уровень происходит с изменением спина электрона.

Из возбуждённого, первого синглетного и триплетного состояния молекула хлорофилла также может переходить в основное. При этом её дезактивация (потеря энергии) может проходить:

1) путём выделения энергии в виде света (флуоресценция), или в виде

тепла;

2) путём переноса энергии на другую молекулу пигмента;

3) путём затрачивания энергии на фотохимические процессы (потеря электрона и присоединения его к акцептору) [3, 69, 73, 165, 177].

В любом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флуоресценции или теплоты, не может быть использована [67, 69, 165].

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции -поглощение и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла - более 90% всего хлорофилла хлоропластов - входит в состав светособирающего комплекса (ССК). Светособирающий комплекс выполняет роль антенны, которая эффективно поглощает свет и переносит энергию возбуждения к реакционному центру. Кроме большого числа (до нескольких сотен) молекул хлорофилла ССК содержит каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий фикобилины. Каротиноиды и фикобилины увеличивают эффективность усвоения света за счёт того, что они поглощают свет в тех областях спектра, в которых молекулы хлорофилла поглощают свет сравнительно слабо [3, 8, 17, 152, 165].

Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. Подсчитано, что каждая молекула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще чем 10 раз в секунду. Между тем скорость последующих реакций фотосинтеза значительно больше. Из сказанного следует, что при непосредственной связи каждой молекулы хлорофилла с последующей реакцией процесс фотосинтеза шёл бы прерывисто. В процессе эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—400 молекулами хлорофилла и каротиноидами ССК и как бы стекается к реакционному центру [7, 165].

Передача энергии между молекулами пигментов идёт главным образом резонансным путём, без разделения зарядов с большой скоростью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 110"12 - 2Т0"12 с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4-Ю"10 с. Таким

образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбуждённой молекулы (10"8 с). Такой перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. Расчеты показали, что в одном хлоропласте содержится до 1 млрд. молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлорофилла в мембранах составляет всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны. Дело в том, что хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идёт с большой эффективностью (от хлорофилла Ъ к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу—40%), однако все же это связано с некоторой её потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми. Обратный перенос энергии невозможен [3, 72, 122, 152, 165].

В том случае, если молекулы пигментов имеют одинаковый максимум поглощения, возможен другой путь передачи энергии, получивший название экситонного. При этом пути электронное возбуждение распространяется в результате межмолекулярной вибрации на комплекс пигментов [72, 165].

Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбуждённое состояние. Затем эта энергия переносится на реакционный центр, осуществляющий первичные фотохимические реакции.

Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных

превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.

Фотохимический этап фотосинтеза

Из литературных источников известно, что в процессе фотосинтеза «работают» две фотосистемы: фотосистема I и фотосистема II [10, 73, 116, 165, 178, 180].

Согласно общепринятой схеме световых реакций фотосинтеза, энергия света улавливается реакционным центром Ф680 фотосистемы II. Электроны от Ф 680, поднимаются на более высокий уровень к электронному акцептору. Когда электроны Ф 680 удаляются, они замещаются электронами молекулы воды, и образуется кислород. Пары электронов затем «спускаются» по электронотранспортной цепи к фотосистеме I; при переносе электронов возникает протонный градиент, который способствует синтезу АТФ из АДФ и фосфат фотофосфорилирование). Тем временем световая энергия, поглощённая фотосистемой I, поступает в её реакционный центр Ф 700. Энергизованные электроны обязательно взаимодействуют с коферментом НАДФ, а в Ф 7оо ушедшие электроны замещаются электронами из фотосистемы II Энергия, выделяемая в световых реакциях, запасается в виде молекул НАДФН2, и АТФ, образуемого при фотофосфорилировании. Фотофосфорилирование происходит и при циклическом переносе электронов в обход фотосистемы II [69, 77,135, 152, 177,194].

Подобно окислительному фосфорилированию, происходящему в митохондриях, фотофосфорилирование в хлоропластах — тоже хемиосмотический процесс. Когда электроны переносятся по электронотранспортной цепи от фотосистемы II к фотосистеме I, протоны выкачиваются из стромы в тилакоидное пространство, создавая градиент потенциальной энергии. Когда протоны преодолевают этот градиент, переходя из тилакоидного пространства обратно в строму, они идут через АТФ-синтетазу и образуется АТФ. Например, известно, что в хлоропластах

шпината фотосинтетическая единица фотосистемы I состоит из 445 молекул хлорофилла, а фотосистемы II из 55 молекул. Предполагается, что для достижения максимального квантового выхода при кооперативной работе обеих систем реакционный центр фотосистемы I должен получить электроны от восьми молекул фотосистемы II [32, 61, 77, 140, 165, 177].

Ферментативный (темновой) этап фотосинтеза

В темновых реакциях, которые происходят в строме хлоропласта, используется НАДФН2, и АТФ, образуемые в световых реакциях, чтобы восстановить двуокись углерода до органического углерода. Это осуществляется в цикле Кальвина. Молекула двуокиси углерода объединяется с исходным субстратом, пятиуглеродным сахаром — рибулозо-1,5-бис-фосфатом (РБФ), и в результате образуется трехуглеродное соединение — 3-фосфоглицерат. При каждом обороте один атом углерода включается в цикл. Три оборота цикла дают трехуглеродную молекулу — глицеральдегид-3-фосфат, две молекулы которого (шесть оборотов цикла) могут объединяться с образованием молекулы глюкозы. При каждом обороте цикла происходит регенерация рибулозобисфосфата [27, 46, 152, 165].

Растения, у которых цикл Кальвина — единственный путь фиксации углерода и 3-фосфоглицерат — первый стабильный продукт ассимиляции СОг, называются СЗ-растениями. У так называемых С4-растений двуокись углерода сначала фиксируется на фосфоенолпирувате с образованием оксалоацетата — четырехуглеродного соединения. Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят С02 к РБФ цикла Кальвина [77, 80, 82, 135, 165].

У С4-растений цикл Кальвина функционирует в клетках обкладок проводящих пучков, а С4-путь — в клетках мезофилла. С4-растения более экономно утилизируют С02, чем СЗ-растения, частично благодаря тому, что фосфоенолпируваткарбоксилаза не ингибируется 02, и, таким образом. С4-

растения обладают способностью поглощать С02 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание — процесс выделения С02 и поглощения 02 на свету [46, 61, 77,121].

Метаболизм по типу толстянковых (САМ - по начальным буквам «Crassulacean acid metabolism») обнаружен у многих суккулентных растений. У САМ -растений фиксация СО, фосфоенолпируваткарбоксилазой с образованием С4-соединений происходит ночью, когда открыты устьица. С4-соединения, запасённые в ночное время, затем в течение дня, когда устьица закрыты, отдают С02 в цикл Кальвина на РБФ. У CAM-растений и цикл Кальвина, и С4-путь осуществляются в одной клетке; таким образом, оба данных пути, которые в С4-растениях пространственно разделены, у САМ-растений разделены во времени [121, 152, 165].

В научной литературе имеются указания о наличии и других путей связывания С02. Однако они ещё недостаточно изучены. Важно также подчеркнуть, что на всех этапах фотосинтетического цикла промежуточные продукты могут претерпевать различные превращения в зависимости от условий среды (влияние освещённости, спектральных характеристик, температуры, содержания С02 в окружающей среде, снабжения водой, минерального питания), условий внутренних факторов. Именно это является основой для образования разнообразных продуктов фотосинтеза [108, 109, 121, 135,140, 183,222].

1.4. Микроорганизмы

1.4.1 Chlorella sp.

Отдел Зеленые водоросли (Chlorophycophyta), класс

требуксиофициевые (требуксиевые) водоросли, порядок хлорелловые -Chlorellales, род Chlorella [9, 39].

Chlorella - одноклеточная неподвижная зелёная водоросль без жгутиков, глазков и сократительных вакуолей, имеет эллипсную или

округлую форму. Под плотной целлюлозной оболочкой находятся цитоплазма, мелкое ядро и крупный чашевидный хлоропласт с пиреноидом, иногда и без него [9, 39, 180, 183]. Размер 2-12 мкм. В природе Chlorella широко распространена в пресной и солёной воде, а также в почве, и как эндосимбионт пресноводных беспозвоночных (гидра и др.). Для Chlorella характерна высокая скорость размножения. Единственный известный способ размножения - бесполый, автоспорами, образующимися в результате деления содержимого материнской клетки. Автоспор содержится от 2 до 32, в зависимости от вида и условий культивирования. Деление происходит обычно 1 раз в сутки, в условиях интенсивного культивирования иногда чаще [9, 39, 124, 136].

Оптимальная температура культивирования составляет 28° - 30° С, однако существуют термофильные штаммы с температурным оптимумом 35° С. В отношении оптимальной освещённости существует множество мнений, и значения колеблются от 0,7 - 2 клк до 7 - 20 клк. Культивирование проводят при рН-9 [15, 23, 99, 130, 131]

Применение Chlorella

Применяется Chlorella для обогащения кормов ценными веществами (белками и витаминами) [12, 14, 19, 78, 99, 124, 159, 180, 214]. Также используется при производстве пищевых продуктов, БАД, лекарственных средств - супернатант Chlorella sp. используют для предупреждения метастаз при химиотерапии в производстве косметики [71, 124, 190]. Chlorella — первая выращиваемая в культуре водоросль, которая широко использовалась в изучении фотосинтеза благодаря высокой скорости размножения и высокой эффективности фотосинтеза [9, 23, 180]. Эту водоросль можно применять также для регенерации воздуха в замкнутых биологических системах жизнеобеспечения [33, 57, 115, 131, 153, 183, 191, 207], для очистки сточных вод, в том числе и от тяжёлых металлов, и для

создания циклических систем использования вод систем замкнутого водопользования [20, 144], в биоэнергетике [20, 101, 221].

1.4.2 Зсепейеятиъ гиЬеъсет

Отдел Зелёные водоросли (СМогоркусорИуГа), класс требуксиофициевые (требуксиевые) водоросли, порядок сфероплеевые -Зркаегор1еа1е8.

Род сценедесмус (Зсепеёезтш) [9, 39, 182].

Объединяет коккоидные формы, одноклеточные, чаще колониальные. Бесполое размножение осуществляется двужгутиковыми зооспорами и автоспорами. Половой процесс изогамный, гетерогамный и оогамный [9]. Широко распространён в планктоне, часто встречается в прибрежной зоне среди нитчаток, мхов и т.п. Нередко вместе с педиаструмом массами развивается в старых культурах разных водорослей. Ценобии сценедесмуса имеют вид плоских пластинок, продолговатых или округлых клеток. Клетки могут располагаться в один или два ряда. Хроматофор постепенный, с одним пиреноидом [39].

Применение Зсепейеятш

Микроорганизмы характеризуются высокими скоростям роста и являются перспективным сырьём для получения таких веществ, как жирные кислоты, белки, каротиноиды и др., которые применяют при производстве БАД [20]. Одноклеточные водоросли, потребляя энергию света, восстанавливают С02 посредством Н20. Это значительно упрощает их культивирование. Многие водоросли и цианобактерии, в том числе и ЗсепеЛеятш, способны к росту и в фотогетеротрофных условиях, что даёт возможность применить их для очистки сточных вод от органических загрязнений. Исследуемые микроводоросли ЗсепесЛеятш гиЪевсет в настоящее время используются для очистки сточных вод [78, 183]. Также

ведутся работы по изучению данной микроводоросли как продуцента каротиноидов [181, 182].

Для культивирования ЗсепеЛеятш гиЪехсет применяют среду Сетлик и модифицированную среду - Сетлик-стресс. Среду Сетлик применяли для накопления биомассы микроводорослей. Среда Сетлик-стресс используется для накопления каротиноидов. Одной из функций каротиноидов является защитная функция при неблагоприятных условиях окружающей среды. Одним из лимитирующих факторов роста является наличие связанного азота и фосфора в питательной среде. Отсутствие его приводит к стрессу у микроводорослей. Также стрессовым фактором является высокое содержание ЫаС1 в среде. Оптимальная температура культивирования 25-28°С [182].

1.4.3 Рка/Аа г1ин1о1ута

Отдел Базидиомицеты

Рка/Аа гкскЛогута - телеоморфа (форма полового спороношения грибов) ХаШкоркуНотусея с1епс1гог1гош [5, 28, 65].

Колонии оранжево-красные за счет каротиноидных пигментов. Клетки круглые или короткоовальные, размножаются почкованием. Сбраживают глюкозу. Образуют крахмалоподобные соединения. Местообитание этого вида - весенние сокотечения деревьев. Оптимальная температура культивирования 18 °С - 20°С [28, 190]. При воздействии света активируется функция синтеза каротиноидов, таких как астаксантин. Астаксантин известен благодаря своей высокой антиоксидантной активности. Применяется медицинской, пищевой и кормовой промышленностях [21, 28, 65, 75, 228]. Каротиноиды являются классом углеводородов (каротинов) и из окисленных производных (ксантофиллов). Благодаря системе сопряжённых двойных связей каротиноиды имеют интенсивную жёлтую, оранжевую, красную или фиолетовую окраску [3, 17, 216, 226].

У фототрофных организмов каротиноидные пигменты участвуют в абсорбции света при фотосинтезе. Каротиноиды способны передавать поглощённую в синей области спектра энергию бактериохлорофиллу фототрофных бактерий и хлорофиллу водорослей. Эффективность передачи энергии от каротиноидов хлорофиллам у различных видов фотосинтезирующих микроорганизмов составляет 30 - 90 % [3, 17, 46]. Эта функция каротиноидов особенно важна для микроорганизмов, в места обитания которых может проникать лишь коротковолновая радиация. При облучении зелёных водорослей или введении кислорода в культуру фотосинтезирующих микроорганизмов наблюдаются изменения в их абсорбционном спектре. Абсорбция света при 510 - 520 нм резко увеличивается. Полагают, что эти спектральные изменения обуславливаются образованием метастабильного каротиноидного пигмента, преимущественно в триплетном состоянии. Таким образом, может осуществляться перенос избытка лучистой энергии. У фототрофов, кроме передачи энергии электронного возбуждения на хлорофилл, каротиноиды защищают клетку от гибели при воздействии света. Полагают, что это первичная и наиболее важная функция каротиноидов. Каротиноиды играют защитную роль также и нефотосинтезирующих бактерий грибов, где выступают в роли фотосенсибилизаторов. Наличие каротиноидов способствует защите компонентов клетки от фотоокисления и повышает выживаемость микроорганизмов во внешней среде [3,17, 72, 165].

1.5 Культивирование фототрофных микроорганизмов

Фототрофные микроводоросли культивируют двумя способами: в фотобиореакторах и в открытых водоёмах — прудах, мелководных лагунах, озёрах [115, 168, 180, 183]. Биореакторы в большинстве случаев предназначены для выращивания чистых культур фототрофов в контролируемых условиях (температура, рН, состав среды, плотность клеточной суспензии) [23, 39, 49, 64, 125, 169, 171, 181, 187]. Используют солнечный свет или

искусственное освещение (для интенсификации процесса). Культивируют как в периодическом, так и в непрерывном режиме на специально подобранных минеральных или минерально-органических средах (органические соединения стимулируют рост фототрофов) с добавлением производственных и бытовых сточных вод, шлама [13, 100, 124].

1.5.1 Культивирование фототрофных микроорганизмов в открытых водоёмах

Культивирование в открытых водоёмах - это наиболее простой и дешёвый способ, но он применим только в районах с длительным солнечным периодом и незначительными колебаниями температур [58, 124, 168, 170, 180, 225].

Метод производства биомассы в открытых бассейнах применяется в странах с тёплым климатом (Мексика, США, Индия, Бирма, Чили и др. странах Африки, Азии и Латинской Америки. Коммерческое производство биомассы микроводорослей на сегодняшний день почти исключительно базируется на открытых бассейнах с перемешиванием суспензии лопастями типа «мельничного колеса». Обычно эксплуатируется несколько их разновидностей:

- бассейны, выполненные из бетона;

- бассейны, выполненные в виде грунтовых каналов, облицованных пластиковым покрытием толщиной в 1 - 2 мм. В этом случае стоимость и долговечность покрытия является основным слагаемым стоимости всей установки.

Стандартный бассейн открытого типа по существу состоит из однопетлевого канала, в котором суспензия циркулирует чаще всего за счёт перемешивания с помощью лопастного колеса типа мельничного. Циркуляция суспензии может быть также организована с помощью других

технических приспособлений вплоть до перемешивания вручную [168, 170, 180, 224, 225].

Недостатки:

- невозможность увеличения эффективности усвоения солнечной энергии, т.к. солнечный свет является главным лимитирующим фактором прироста биомассы;

- в бассейнах, занимающих большую площадь, для того, чтобы достигнуть определённой степени перемешивания, толщина слоя суспензии микроорганизмов должна быть не более 150 мм;

- метод производства биомассы в открытых бассейнах применим только в странах с тёплым климатом [58, 115, 168].

1.5.2 Культивирование фототрофных организмов в биореакторах

В странах с более холодным климатом чаще применяют культивирование в фотобиореакторах [58, 115, 168, 211]. Фотобиореакторы имеют различную конструкцию. Могут представлять собой вертикальную стеклянную колонку, содержимое которой перемешивается струёй воздуха, обогащённого С02, подаваемого через барботёр [172]. Известен метод культивирования биореакторах в виде прозрачных пластиковых или стеклянных трубок [168, 182, 197, 220]. Часто применяют фотобиореакторы в виде тонкостенных прозрачных мешков из полиэтилена. Существуют также фотобиореакторы глубинного типа, где суспензию микроорганизмов культивируют в замкнутом объёме реактора с внутренней мешалкой с искусственным внутренним или наружным освещением [33, 57, 58, 116, 169].

Тонкослойные и пластинчатые фотобиореакторы

В основу конструкции тонкослойных аппаратов положен каскад наклонных желобов со стекающим по ним тонким слоем жидкости [173]. По конструкции они очень разнообразны. В основном, суспензия поддаётся в

верхнюю часть аппаратов с помощью насосов по напорной трубе, а затем под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть по наклонным поверхностям различных конструкций, которые хорошо освещаются солнечным или искусственным светом. Также возможна подача суспензии фототрофных микроорганизмов при помощи шнекового устройства, перемещающего жидкость по жёлобу снизу вверх, после чего она стекает в нижнюю часть жёлоба, установленного под наклоном к поверхности земли.

Выход биомассы в фотобиореакторах в 2 раза выше с единицы объёма среды, чем в открытых водоёмах. В то же время культивирование фототрофов в открытых водоёмах сопряжено с меньшей затратой труда, денежных средств, электроэнергии [115, 169].

Биореакторы трубчатого типа

Как видно из самого названия аппаратов трубчатого типа, главной их конструктивной особенностью является то, что реакционный объем у них выполнен в виде прозрачных труб. Трубы обладают относительно небольшим диаметром, таким образом, максимизируя удельную освещаемую площадь поверхности, что положительно сказывается на осуществлении микроорганизмами процесса фотосинтеза [169, 220].

Принцип работы. Суспензия циркулирует внутри труб реактора с помощью центробежных насосов (рис. 1.5.2.1) [201, 202]. Трубчатые реакторы оснащены термостатирующими устройствами типа «труба в трубе», которые поддерживают необходимый температурный режим, и различными контрольно-измерительными приборами. Суспензия, предварительно насыщенная диоксидом углерода, поддаётся в трубы.

Показано, что продуктивность микроводорослей в трубчатых фотобиореакторах (30 т/га в год или 0,3 - 0,4 г/(л-сут)) в среднем на 50% выше, чем в открытых бассейнах с перемешиванием лопастными барабанами [168, 180].

К преимуществам трубчатых реакторов относятся возможность интенсивного освещения, позволяющего добиться высокой плотности биомассы, возможность постоянного контроля за газообменом.

Рис. 1.5.2.1 Биореактор трубчатого типа. Лабораторный вариант - слева и промышленный - справа.

Фотобиореакторы панельного типа

Основной принцип этого типа реакторов - снижение пути прохождения светового потока, повышая, таким образом, количество света для каждой клетки (так же, как и в трубчатых биореакторах) [168, 175, 186]. Оптимальная толщина культуральной жидкости в таких реакторах колеблется от 2 до 4 см. Биореакторы такого типа успешно применялись в Германии для культивирования Chlorella и Spirulina. Существуют различные модификации фотобиореакторов этого типа. Например, биореактор, представляющий собой параллелепипед с прозрачными стенками, с достаточно большими линейными размерами высоты и ширины относительно толщины. В этих полых панелях расположены перегородки, благодаря которым внутри образуются коридоры, по которым суспензия циркулирует с помощью насосов. Также используют плоские прозрачные мешки, которые отличаются лишь тем, что имеют мягкие стенки (рис. 1.5.2.2)

Для культивирования фототрофных микроорганизмов в таких реакторах применяется естественное освещение в светлое время суток и искусственное ночью.

Рис. 1.5.2.2 Биореакторы панельного типа.

Фотобиореакторы глубинного типа

Принцип работы аппаратов следующий: суспензия микроорганизмов обрабатывается в замкнутом объёме реактора цилиндрической формы с применением только искусственного освещения. Массообмен осуществляется за счёт перемешивания с помощью различных конструкций мешалок [33, 57, 63, 115, 132, 168]. Освещение и перемешивание могут быть организованы по-разному. Приведём в качестве примера наиболее удачные конструкции фотобиореакторов для глубинного культивирования фототрофов.

На рис. 1.5.2.3 дана схема одного из аппаратов с погружными источниками света. Он выполнен в виде цилиндрической ёмкости с укреплёнными на верхней крышке прозрачными "стаканами", в которых размещаются источники света. Подача воздуха в смеси с диоксидом углерода осуществляется барботёрами, а перемешивание суспензии микроорганизмов - лопастной или турбинной мешалкой.

Воздух * СО;

. Охп. жидкость»

> Раствор питательных солей

—_£ Титрующий агент

.с а

О о

:г

Воздух * С0г

11

о-

Источники света

-|ш Окп. жидкость

Спив суспензии

Рис. 1.5.2.3 Глубинный ФБР, с источниками света, расположенными в «стаканах».

Рис. 1.5.2.4 Глубинный ФБР полостного типа.

Такое техническое решение позволяет интенсифицировать процесс культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов за счёт высокой кратности обновления освещённого слоя суспензии, даёт возможность проводить культивирование при значительных расходах газовой фазы, с повышенной освещённостью, с подводом в реакционную зону лучистой энергии с различными спектральными характеристиками и т.д.

Схема полостного фотобиореактора показана на рис. 1.5.2.4 Основным отличием представленного реактора было применение в нем для

перемешивания устройства типа "беличьего колеса" [33, 57]. Такая конструкция мешалки позволяет обеспечить подвод световой энергии в зону активного массообмена и обновления освещенной поверхности. В полость, образуемую мешалкой при вращении, помещают источник света и подают газовоздушную смесь необходимого состава. Перемешивание «беличьим колесом» обеспечивает высокую кратность обновления освещенного (рабочего) слоя, соответственно увеличивая при этом скорость протекания фотосинтетических реакций [33, 58, 59, 115, 132]. Однако при использовании источников света, таких как натриевые лампы, дуговые ртутные лампы (ДРЛ) существует проблема теплоотвода от осветителя [33], что влечёт за собой усложнение, а следовательно и удорожание установки.

1.5.3 Промышленное культивирование фототрофных микроорганизмов

В настоящее время в мире существует всего несколько крупномасштабных производств: закрытого типа [162, 169, 170, 180, 182, 202], например, Ökologische Produkte GmbH, Германия (биореакторы трубчатого типа) - производство биомассы микроводоросли хлорелла; открытого типа, например, Aquasearch Inc, США, Гаваи - производство биомассы гематококкуса для получения астаксантина и биомассы спирулины; Cyanotech, США, Гаваи - производство биомассы гематококкуса для получения астаксантина и биомассы спирулины [36, 168, 228].

Использование открытых водоёмов для культивирования микроорганизмов в условиях географического положения стран Северной Европы и России невозможно, вследствие низких температур в зимние месяцы и короткой продолжительности светового дня. Поэтому в этих регионах могут быть рекомендованы к использованию лишь закрытые системы культивирования.

Однако использование искусственных систем сталкивается со следующей проблемой: высокие энергетические затраты на освещение. Причём данные, известные из литературы очень отличаются друг от друга. Так, например, в статье Мельникова С.С. и Мананкиной Е.Е. «Использование хлореллы в кормлении сельскохозяйственных животных» [101], где описываются положительные эффекты применения хлореллы в животноводстве в виде суспензии с содержанием нескольких граммов сухого вещества в 1 л, приводятся следующие данные по получению ценной биомассы хлореллы с применением бассейна объёмом 2 м3. В данной установке использовали 6 люминесцентных ламп TL-D 36 W/54-765 (мощность каждый лампы 36 Вт, световой поток 2500 лм). Таким образом, расход электроэнергии на освещение составляет порядка 0,1 кВт/м3.

В статье Богданова Н.И «Использование хлореллы для выращивания и откорма сельскохозяйственных животных» [15] описана установка КХ-60 с ежедневной продукцией суспензии хлореллы 60 л. В этой установке используют 2 лампы мощностью 250 Вт. Таким образом, расход электроэнергии на освещение составляет порядка 8,3 кВт/м3.

Из других работ по исследованию известно о применении более мощных источников освещения, которые влекут за собой более высокие затраты электроэнергии на получение единицы готового продукта. В своих исследованиях A.A. Ничипорович и В.Е Семененко [23] применяли установку УИВ-1 с лампой ДРЛ-750 (мощность 750 Вт) для ферментации в 60 стеклянных культуральных сосудах с рабочим объёмом 250 мл. Таким образом, расход электроэнергии на освещение составляет порядка 8,3 кВт/м3.

Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем

культивирования фототрофных организмов в искусственных системах

(пригодных для использования в наших широтах) является проблема осуществления освещения.

1.6 Прерывистое (цикличное) освещение при культивировании фототрофных организмов

Свет вызывает разнообразные эффекты у всех живых организмов, причём как у гетеротрофных, так и у автотрофных. Процесс управляемого светом развития организма называется фотоморфогенезом. Фотоморфогенез существует у большинства фототрофов, например, у жгутиковой водоросли СМату^топая образование половых клеток управляется светом, у многих заростков папоротников на противоположной от света стороне образуются только генеративные органы и ризоиды, у многочисленных деревьев общий характер ветвления определяется тем, что прорастают только почки на световой стороне [61, 198, 206, 215].

Большое влияние оказывает длительность и периодичность облучения светом на рост и развитие фототрофных микроорганизмов: фотопериодизм, циркадные (суточные) ритмы и т.д. Фотобиофизические и фототбиохимические процессы, вызванные в фототрофах светом, не заканчиваются одновременно с окончанием непосредственного облучения, они продолжаются, ослабляясь или усиливаясь [165]. Также известно из истории исследований реакций растений на длину дня (фотопериодизм), что растения реагируют на продолжительность непрерывной темноты, а не на длину светлого периода.

1.6.1 Фотопериодически индуцируемые морфозы. Циркадные (суточные) ритмы

Настоящая глава посвящена влиянию периодического освещения на фототрофные организмы.

Фотопериодом обозначается продолжительность фазы освещения в течение 24-часового дня в естественном месте произрастания (длина дня). Длина дня зависит от широты и времени года. При растущей географической

широте фазы освещения колеблется в течение года: на 30° с. ш. (Каир, Дели) между 14 и 10 ч, на 50° с. ш. (Москва) между 16 и 8 часами, на 60° с. ш. (Стокгольм, Санкт-Петербург) между 19 и 6 ч.

Относительная длина дня и ночи может влиять на индукцию цветения, начало и конец периодов покоя, скорость роста, образование запасающих органов, опадение листьев, образование пигментов и пр. [61, 185, 219]

Различают длиннодневные растения (ДДР), у которых фотопериодически управляемый морфоз происходит только тогда, когда фотопериод превышает видоспецифичную минимальную продолжительность и короткодневные растения (КДР), у которых для начала фотопериодически индуцированного морфоза длина дня должна быть меньше критической. Растения, у которых нет такой зависимости от фотопериода, называют нейтральными [61, 209].

Лучше всего исследован фотопериодический контроль индукции цветения. Например, если создать световой режим, благоприятный для цветения КДР, но препятствующий цветению ДДР, а затем прервать темновой период короткой вспышкой света, то КДР остаётся вегетативным, а ДДР цветёт. Таким образом, можно сделать вывод, что на индукцию того или иного фотопериодического морфоза влияет длительность непрерывной «ночи»[61, 185, 209].

У КДР и у ДДР физиологический эффект от вспышки также сильно зависит от момента времени внезапной подачи освещения в течение темнового периода. В опытах с резкими вспышками света, прерывающими продолжительный период темноты, индукция цветения проявляется в различные моменты времени [61, 167, 192,193, 200, 219].

Из-за продолжительности этого периода, составляющей примерно одни сутки (от 23 до 27 ч), говорят о циркадном ритме [184, 192, 206]. Циркадные ритмы встречаются у прокариот и эукариот, найдены у цианобактерий, грибов, и зелёных растений [61, 193, 200].

Существенным признаком циркадных ритмов является их контроль с помощью эндогенного осциллятора, который, со своей стороны, синхронизируется по фазам сменой дня и ночи. Циркадные ритмы происходят неделями и месяцами даже при неизменных внешних условиях [167, 206]. Они имеют важное адаптивное значение для организмов [193, 209].

Изучением циркадных часов в цианобактериях Synechococcus занимались Т. Кондо и др. [193]. Эти опыты показали, что циркадные ритмы у прокариот сходны с циркадными ритмами эукариот. Внутренний метаболизм организма цианобактерий контролируется циркадными часами. Показано, что циркадная регуляция способствовала достижению максимальной эффективности метаболизма. В экспериментах с Arabidopsis thaliana [167, 200] было показано, что циркадные ритмы влияют на скорость фиксации С02, однако не известно, включён ли в циркадную регуляцию цикл Кальвина. Циркадные ритмы также участвуют в генной регуляции [219]. Также показано, что циркадные ритмы влияют на организацию движения хлоропластов [167].

1.6.2 Влияние прерывистого (микроимпульсного) света на фотосинтез

Множество исследований разных лет посвящено изучению теме влияния прерывания света на фотосинтез [76, 120, 157, 165, 166, 174, 227 и ДР-]-

При этом также ставилась задача связать освещение со световой и темновой фазой фотосинтеза, и использовать для этого прерывистое освещение. В дальнейшем будем называть такое освещение микроимпульсным, в отличие от циркадно-импульсного и других видов периодического прерывания света на относительно длительные периоды

времени. В процессе экспериментов исследователями получали разные, иногда противоречивые данные.

Изучением действия прерывания света на фотосинтез занимались Браун, Эскомб, Рихтер, Эмерсон и др. - главным образом, с помощью обтюраторов, зеркал.

Эмерсон Р. и Арнольд В. [174], сообщили, что время, требуемое для одного фотосинтетического акта составляет 0,02 с при температуре +25 С

для Chlorella pyrenoidosa при вспышке света с длительностью 0,00001 с. Позднее применялся в исследованиях Чибисова, Корякина, Шахвердова флеш-фотолиз (этот метод основан на применении очень ярких вспышек импульсных ламп при разряде конденсатора) [157]. Прерывистое освещение чаще всего применялось как средство кратковременного освещения для изучения возбуждённых состояний и других физико-химических реакций фотосинтеза. При длительном применении чередования кратковременных периодов света и темноты положительного эффекта на фотосинтез и запасание энергии получено не было [118]. В.Е. Семененко, М.Г. Владимирова, М.А. Попова, проводили исследования по выращиваниию Chlorella pyrenoidosa в условиях освещения импульсным светом, где применяли вспышки света длительностью 0,00001 с и с темновым интервалом около 0,1 с. В экспериментах применяли люминесцентные лампы в качестве источника постоянного освещения (для контрольных образцов) и ксеноновые импульсные лампы ИФП-200 и ИФП-500 для импульсного освещения. В ходе экспериментов было показано, что скорость накопления биомассы при импульсном освещении значительно ниже, чем при постоянном. Тем не менее, в ходе экспериментов было показано, что фотосинтетический аппарат работает идентично при постоянном и импульсном освещении. Также была выдвинута гипотеза, что энергия, которую культура получала при импульсном освещении, ниже, чем при постоянном. Также снижение скорости накопления биомассы связали с менее

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

благоприятным спектральным составом от ксеноновых ламп, чем от люминесцентных. Одним из выводов этой серии экспериментов был следующий; культура Chlorella pyrenoidosa способна расти в условиях освещения импульсным сетом при длительности вспышки около 25 мкс с темновым интервалом 0,1 с и достигает а 17-й день плотности порядка 108 клеток в см [129].

Рабинович Е. [92] в своих опытах по исследованию влияния прерывистого освещения на рост и развитие культуры Chlorella, применяя темновые периоды длительностью около 0,02 с и вспышки света, продолжающиеся несколько миллисекунд, получил положительные результаты. Также из работ Е. Рабиновича и H.H. Кока известно, что одна молекула хлорофилла может выполнять один полезный акт каждые 2,4 с [120, 157]. На прямом солнечном свету молекула хлорофилла возбуждается, поглощая фотосинтетически активный квант примерно 8-10 раз в секунду. Время выделения одной молекулы 02 на одну молекулу хлорофилла составляет 20-30 с. При сильной интенсивности света это ассимиляционное время уменьшается до 40 мс на улавливающий центр, ограничивающая скорость реакция составляет около 10 мс для «обработки» захваченного кванта [157]. При действии импульсов, перемежающихся с темнотой (темновой период более 200 мс) при каждом импульсе длительностью 0,5 мс выделяется на каждые 2000 молекул хлорофилла одна молекула 02. Максимальный выход фотосинтеза при импульсном освещении наступает при поглощении 50 квантов/с, а каждая молекула хлорофилла при этом поглощает около 0,7 кванта/с [122, 157, 165].

Madsen А. в своих работах изучал влияние импульсного света различных длин волн на комплекс протохлорофиллголохром [199].

В работе по исследованию влияния высокочастотного освещения на зелёные водоросли и цианобактерии применяли мощные вспышки света с длиной волны 670 нм с продолжительностью от 1 до 10 мкс. Одним из

результатов этой работы было заключение о том, что в большинстве случаев скорость роста при периодическом освещении была эквивалентна скорости роста контрольных образцов, выращиваемых в условиях постоянного освещения [203].

Шушанашвили В.И., Семененко В.Е., изучали фотосинтетическое выделение кислорода, продуктивность и скорость деления клеток эвглены, выращенных при более длительных светотемновых периодах: 6/18, 12/12, 18/6 и 24/0 и различных интенсивностях света. Оказалось, что наибольшая скорость прироста биомассы наблюдалась у культуры, выращенной при светотемновых периодах 18/6 ч. Скорость деления клеток была пропорциональна интенсивности фотосинтеза, сумме световых периодов за время генерации и обратно пропорциональна массе клеток. Также исследователи пришли и к такому выводу: чем большее время клетки находятся на свету, тем менее эффективно они накапливают биомассу и тем большая доза света требуется для их деления [163].

1.6.3 Исследования влияния импульсного света на стимуляцию физиологических процессов

Достаточно большое количество работ посвящено исследованиям стимуляции физиологических процессов с помощью импульсного света. Например, в статье Станко С.А. [133] описываются проведённые опыты по изучению стимулирующего действия импульсного солнечного света на семена и растения [133]. В работах применяли ряд приближённо параболических фацетных зеркальных стеклянных рефлекторов, а также серию белых и селективных цельнометаллических рефлекторов из электрополированного алюминия и посеребрённой алюминиевой фольги. Продолжительность световых импульсов была 0,02 с, пауза между импульсами - 0,44 с, изменяли лишь продолжительность облучения семян импульсным светом. Оказалось, что предпосевное облучение семян

концентрированным импульсным светом уже на первых этапах их активной жизнедеятельности оказывает значительное влияние на физиолого-биохимические процессы, создавая необходимые предпосылки для интенсификации прорастания, роста, развития и образования урожая. Также действие импульсного концентрированного света положительно сказалось на накоплении и состоянии пигментов и на фотосинтезе облучавшихся растений. В других работах [37, 127] исследования посвящены действию импульсов света на пигментную систему растений. При этом показано, что высокоэнергетические импульсы света с длительностью 1/1500 с не разрушают пигментную систему растений. А предпосевное облучение семян хлопчатника «мягкими» дозами (мощность дозы 50-60 кал/см2-мин, продолжительность импульса 0,25 с) стимулирует накопление пигментов в листьях.

Существуют данные, полученные в экспериментах по исследованию последействий импульсного концентрированного солнечного света на рост, интенсивность фотосинтеза и продуктивность хлореллы [104]. В работе применялся плёночный откачной концентратор солнечного света; длительность импульса света - 0,15 с и продолжительность «темнового» импульса - 0,3 с. Полученные данные свидетельствуют о положительном влиянии импульсного концентрированного солнечного света на рост, развитие и продуктивность хлореллы. Также отмечено, что импульсный свет приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза хлореллы.

Не менее интересны исследования стимулирующего действия высокоэнергетических импульсов света на фосфорный обмен растений [134]. Оказалось, что высокоэнергетический импульсный свет, содействуя более интенсивному поступлению фосфора из питательного раствора через корневую систему и его транспорту, не приводит к торможению и нарушению его включения в органические и белковые формы. Наоборот, была отмечена стимуляция включения фосфора в липоидную и белковую

фракции, куда входят АТФ, АДФ, нуклеопротеиды и другие высокоактивные фосфоросодержащие соединения. В то же время есть данные об исследованиях светоимпульсного облучения как мутагенного фактора [76, 127].

В заключение следует отметить, что изучению влияния прерывистого освещения того или иного вида посвящено множество научных работ. В этих работах было показано, что циркадные ритмы (суточные ритмы, связанные со сменной дня и ночи) влияют на цветение, движение хлоропластов, генную экспрессию и пр. [61, 167, 198, 215]. Классические исследования циркадных ритмов показали, что живые организмы используют их для адаптации к смене дня и ночи и что эти часы базируются на фотопериодическом измерении времени [192, 184, 193, 200] Исследована возможность увеличения урожайности путём предпосевной обработки семян импульсным светом [133, 157, 158].

Из работ по исследованию фотосинтеза [120, 165, 174] известно, что процесс фотосинтеза проходит в две фазы: темновую и световую, длительность которых составляет 0,01 и 0,00001 с соответственно.

Однако применение импульсного, периодического освещения наталкивалось на ряд проблем. Главным - образом это проблемы аппаратурного оформления. Так, например, применение обтюратора не приводит к снижению затрат электроэнергии. А перемещение, например, порций биомассы фотосинтезирующих организмов перед пучком света, несмотря на экономическую выгоду, тянет за собой довольно сложную и затратную схему выполнения. Весьма любопытен вариант использования солнечного света в качестве импульсного осветителя. Но и здесь встречается ряд трудностей, таких, как сложное выполнение аппаратуры, и что солнечный свет может быть использован лишь в светлое время суток.

1.7 Виды освещения, применяемые для культивирования фототрофных микроводорослей

Свет, излучаемый осветителем, должен использоваться наиболее эффективно [2, 48]. Эффективность можно повысить, снижая потери электроэнергии на нагрев окружающей среды, на «паразитную» засветку (когда излучение от источника не полностью направлено на потребителя) [132]. Одним из возможных способов энергосбережения при культивировании фототрофных микроорганизмов может стать применение прерывистого освещения. Далее будут описаны основные источники света, их преимущества и недостатки при культивировании фототрофных и светозависимых организмов.

Принято различать два типа освещения: естественное и искусственное.

Естественное - солнце используется в качестве источника света, как в открытых, так и в закрытых системах. Открытые системы: пруды, лагуны, каналы, которые освещаются непосредственно солнечным светом.

Закрытые системы: закрытые биореакторы различных типов.

1.7.1 Источники искусственного оптического излучения

Источник оптического излучения - устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в оптическое излучение. Оптическое излучение отдельных атомов, ионов, молекул, а также жидких и твёрдых тел возникают в результате переходов их валентных (внешних) электронов из возбуждённых состояний, в которые они попадают в результате поглощения энергии извне, в состояния с меньшей энергией [1, 26].

По физической природе различают три основных вида оптического излучения: тепловое, люминесцентное и лазерное. Тепловое оптическое излучение возникает при нагревании тел. Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное над тепловым, если его длительность

значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения [26, ИЗ].

Выбор источников света. Основные типы ламп

С целью выбора источника света для осуществления режима импульсного освещения ниже приведён обзор существующих в настоящее время источников оптического излучения, применяемых в народном хозяйстве, в том числе для культивирования фотосинтетических организмов.

Лампы накаливания

В лампах накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Лишь малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля лежит в инфракрасной области. Светоотдача ламп накаливания не превышает 35 лм/Вт, максимальный КПД не более 4 %. Срок службы составляет порядка 1000 часов [1, 45].

Несмотря на ряд достоинств, таких как низкая стоимость, непрерывный спектр излучения, отсутствие токсичных компонентов, в связи с низким КПД в Европе к 2012 году намечается прекратить импорт и производство ламп накаливания. В России предлагается с 1 января 2014 запретить лампы накаливания. Таким образом, можно сделать вывод, что применение ламп накаливания в экспериментах не актуально.

Газоразрядные лампы

Принцип действия основан на электролюминесценции, в данном случае происходит свечение разряда в присутствии газов и паров. К газоразрядным лампам относят ртутные газоразрядные, натриевые и др.

Газоразрядные лампы чувствительны к температуре окружающей среды, номинальный режим устанавливается в них лишь спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание с разрядом в парах металла при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приёмов возможно только по истечении некоторого времени после включения [149].

Ртутные газоразрядные лампы используют газовый разряд в парах ртути для получения света. Дают свечение белого цвета, кроме того, интенсивное ультрафиолетовое излучение. Светоотдача до 120 лм/Вт. Спектр смещён в синюю область.

Натриевые лампы используют газовый разряд в парах натрия для получения света. Обладают высокой светоотдачей - до 200 лм/Вт (максимальное значение для излучателей света). Цвет излучения смещён в жёлтую часть спектра. Требуются специальные импульсные зажигающие устройства (ИЗУ) [1, 149].

Ртутные и натриевые лампы обладают инерционностью зажигания. Имеют высокую температуру на поверхности при работе. При применении их в глубинных фотобиореакторах требуют дополнительную систему охлаждения.

Импульсные газоразрядные лампы

Известно об использовании импульсных ламп при изучении фотосинтеза [129]. Рассмотрим их подробнее.

Импульсной лампой называется газоразрядный прибор с двумя основными токоведущими электродами и газовым промежутком между ними, рассчитанный на возникновение в газовом промежутке в необходимые моменты времени мощных импульсных (искровых) электрических зарядов с интенсивным световым излучением. [1, 45, 98]. Источники света на основе такого разряда используются для освещения при фотографировании, для возбуждения спектров анализируемых веществ и т.п. [147].

Лампы имеют герметичный баллон из стекла или кварца, наполненный химически неактивным газом (чаще ксеноном). Зажигание импульсных ламп осуществляется с помощью третьего, расположенного внутри или на внешней поверхности лампы, электрода и зажигается кратковременным увеличением напряжения на основных электродах.

Спектры излучения состоят из спектральных линий и сплошного фона. Конструкции импульсных ламп весьма жёсткие и выдерживают значительные механические нагрузки [1, 103, 147]. Для ламп опасно повышение влажности [1]. Известно о применении в научных целях импульсных ламп типа ИФК [129]. Длительность вспышки может составлять от нескольких миллисекунд, минимальный интервал между вспышками 10 с. Недостатком является ограниченный срок эксплуатации - всего 10000 вспышек. Помимо этого, импульсные лампы обладают средними показателями светоотдачи (60 лм/Вт) [147].

Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа - газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров (за счёт фотолюминесценции) под воздействием ультрафиолетового излучение разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов, наиболее распространённой разновидностью подобных источников света является ртутная люминесцентная лампа [1, 126, 149]. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора (который поглощает УФ излучение и выделяет видимый свет, изменяя состав люминофора, можно менять оттенок получаемого света [105, 126]). Лампы обладают высокой светоотдачей - до 100 лм/Вт, долгим сроком службы - до 20000 часов. Применение люминесцентных ламп особенно целесообразно в случаях, когда освещение включено продолжительное время, поскольку включение для них

является наиболее тяжёлым режимом и частые включения - выключения сильно снижают срок службы. Для включения ламп применяют специальные балласты, для увеличения срока службы, вследствие ряда особенностей подключения. Балласты не позволяют лампе включиться ранее, чем через 0,5 -3 с [1, 149].

Использование этих источников света (люминесцентные и газоразрядные лампы) для культивирования фототрофов обусловлено такими их свойствами, как низкое удельное энергопотребление по сравнению с лампами накаливания, более долгий срок службы.

Но, помимо положительных качеств, у таких ламп есть и отрицательные: высокие напряжения питания, хрупкость, токсичность (для обслуживающего персонала), инерционность зажигания (до нескольких секунд).

1.7.2 Лампы на основе светоизлучающих диодов

Светоизлучающие диоды - полупроводниковые приборы, генерирующие излучение при прохождении электрического тока [36]. Принцип работы основан на электролюминесценции.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника. Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется р-п переход [29, 113]. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда— электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой) [1, 29, 30, 162].

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Для того, чтобы излучался свет стабильно, изготавливают многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры [74].

Итак, рассмотрим, из чего состоит светодиод. Светодиод имеет два вывода - анод и катод. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор. Внешне он выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещён светоизлучающий кристалл [1, 138, 156, 162]. Активный элемент - полупроводниковый кристалл. Кристалл соединён с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором, определяет угол излучения светодиода [143].

Длина волны излучаемого света имеет функциональную связь с энергией испускаемых фотонов, зависит от полупроводниковых материалов, формирующих р-п соединение. В частности, чистый монокристалл ваАэ даёт инфракрасный луч, небольшая добавка А1 и/или Р меняет цвет излучения на красный, зелёный свет испускает ваР и т.д.

Иначе обстоит дело с получением белого цвета излучения.

Есть два способа произвести белый свет высокой интенсивности в светодиодах [47, 156, 162].

Первый способ - нужно использовать отдельные светодиоды, которые испускают основные цвета, например, три первичных цвета - красный, зелёный, и синий, и затем смешивают все цвета, чтобы произвести белый свет. Чем больше количество смешиваемых цветов, тем лучше индекс цветопередачи. Есть несколько типов разноцветных белых светодиодов: ди -три- и тетрахроматические белые светодиоды. Несколько ключевых факторов, которые играют роль среди этих разных подходов, включают цветную стабильность, способность предоставления цвета, и люминесцентную эффективность. Часто более высокая эффективность будет означать более низкий индекс цветопередачи, представляя компромисс между светоотдачей и индексом цветопередачи. Например, у двуцветных белых светодиодов лучшая светоотдача (120 лм/Вт), но самая низкая способность цветопередачи. Наоборот, хотя у четырёхцветных белых

светодиодов есть превосходная способность предоставления цвета, у них часто плохая светоотдача. Белые трёхцветные светодиоды являются промежуточным вариантом, обладая хорошей светоотдачей (> 70 лм/Вт) и высоким индексом цветопередачи. Поскольку его механизм связан со сложным электрооптическим проектом, чтобы управлять смешиванием и распространением различных цветов, этот подход редко используется при получении белых светодиодов в промышленности. Однако этот метод особенно интересен многим исследователям и учёным из-за гибкости смешивания различных цветов. В принципе, у этого механизма также имеет место более высокая квантовая эффективность в производстве белого света.

Другой подход - это метод применения люминофоров [156, 162]. Белый цвет излучения может быть получен покрытием ультрафиолетовых светодиодов смесью высокой производительности, основанной на красном и синем фосфоре плюс зелёная медь и алюминий, лакирующей цинковый сульфид (2п8:Си, А1).

Также можно использовать люминесцентный материал, чтобы преобразовать монохроматический свет из синего цвета, или ультрафиолетового, в белый широкого спектра (похожим образом работает люминесцентная лампа). Метод подразумевает покрытие светодиодов одного цвета (главным образом синих светодиодов, сделанных из 1пОа1Ч) фосфором различных цветов, чтобы произвести белый свет. Такие светодиоды называют фосфор-базированными белыми светодиодами. В зависимости от цвета оригинала может использоваться фосфор различных цветов. При этом при применении нескольких люминесцентных слоёв отличных цветов, испускаемый спектр расширяется, эффективно увеличивая индекс предоставления цвета данного светодиода. Фосфорные светодиоды обладают более низкой эффективностью, чем обычные светодиоды. Однако, люминесцентный метод - все ещё самая популярная техника для производства белых сверхярких светодиодов. Проектирование и

производство источников света или осветительных арматур, использующих одноцветные эмитенты с люминесцентным преобразованием более просты и более дёшевы, чем сложные системы RGB, и потому большинство белых светодиодов высокой интенсивности на рынке произведены с использованием люминесцентного преобразования света [156, 162].

Преимущества и недостатки. Светодиоды обладают рядом преимуществ - экологичность (не содержат ртуть), высокая светоотдача до 100 лм/Вт, высокий КПД использования электроэнергии (электричество не расходуется на паразитное тепловыделение), надёжность (срок использования порядка 100000 часов) и возможность применения в широком диапазоне температур и влажности. Имеют малую инерционность (время нарастания и спада светового импульса - от 10 до 50 не) [1, 47, 132, 162]. Столь малая инерционность излучения светодиодов позволяет использовать их в качестве импульсных источников света с частотой «мерцания» до десятков МГц. Основным недостатком является относительно высокая стоимость осветителей на основе светоизлучающих диодов. Однако, вследствие того, что данная отрасль производства в настоящее время является развивающейся, аналитики делают вывод о грядущем снижении цен, что позволяет говорить о перспективности их применения [1, 156, 162].

Применение светодиодных источников света при культивировании фототрофных организмов

В настоящее время широко развивается направление применения СД для процессов культивирования фототрофных организмов [132, 195, 196, 203].

В статье Lee Ch.-G., Palcson.B.O. [196] описаны опыты применения светодиодов с длиной волны 680 нм для культивирования Chlorella sp. в специально сконструированном фотобиореакторе. Выбор такого рода источников света в данной работе был продиктован тем, что в данном случае удалось использовать свет узкой части спектра, при этом избегая влияния на микроорганизмы опасных длин волн. Также, благодаря практически полному отсутствию тепловыделения, удалось расположить осветитель непосредственно у стенки фотобиореактора, таким образом, снижая «паразитную» засветку. В работе Nedbal L. et al. [203] посвящённой исследованию влияния высокочастотного света на зелёные водоросли и цианобактерии применялись СД красного цвета излучения (654 нм) было показано, что при применении импульсного света скорость выделения кислорода и скорость роста чуть меньше, или равна этим же показателям при постоянном свете.

Благодаря техническим характеристикам светодиодов здесь появилась возможность применять вспышки света продолжительностью несколько микросекунд. В исследованиях [97], посвящённых изучению фотосинтеза и роста растений картофеля в условиях аэропоники с дополнительным облучением, также применялись СД источники света в качестве дополнительного облучения.

В работе [195] имеются данные о положительном опыте применения СД источников света синего и красного цветов в качестве дополнительной подсветки при культивировании высших растений, таких как роза, паприка и томаты. В этих экспериментах наряду с белым светом от натриевых и

люминесцентных ламп использовали в качестве дополнительной подсветки синие и красные С Д. В результате эксперимента был получен урожай на 1020% выше, чем в контрольном варианте, без дополнительной подсветки. В описании изобретения авторов \\^1кег8оп ГС. ег а1. [224] также предлагается применить СД в качестве источников света в фотобиореакторе.

В описании изобретения к патенту Маркова В.Н. «Светоимпульсный осветитель (варианты) и способ светоимпульсного освещения растений» приводятся конструкции разных систем освещения для культивирования фототрофных организмов [96]. В этих конструкциях облучение импульсным светом проводят благодаря вращающимся зеркалам, на которые направлены источники оптического излучения. В качестве осветителя в этих системах применялись СД источники света. Автор выбрал такой тип источников света вследствие таких характеристик, как низкое энергопотребление, широкий спектр излучения, возможность регулировки светового потока, возможность импульсной подачи потока света.

1.8 Выводы и постановка задачи

Культивирование светозависимых микроорганизмов является одним из перспективных направлений человеческой деятельности, благодаря высокой скорости роста. Биомасса этих микроорганизмов применяется в пищевых и кормовых целях, а также в фармацевтической и химической промышленностях. Биохимическая деятельность фототрофных микроорганизмов используется в сфере защиты окружающей среды: очистка сточных вод и в системах очистки воздуха (поглощение парниковых газов и регенерация кислорода). Поэтому решение проблем, возникающих при культивировании светозависимых микроорганизмов, на настоящий момент является весьма актуальным.

Существует много разных видов систем культивирования, разработанных для получения микроорганизмов в условиях различных

широт и климатических особенностей места расположения производства. В различных системах культивирования используют искусственное, либо естественное освещение, часто используется комбинированный вариант освещения. При использовании искусственного света ключевой проблемой является достаточно высокие затраты на освещение.

Большое количество работ посвящено решению данной проблемы. Из литературных источников известно о различных конструкциях биореакторов, где для снижения затрат электроэнергии используется естественное освещение, либо применяются источники света с повышенным КПД и т.д. Однако у всех систем имеются свои достоинства и недостатки. Также следует заметить, что данные, приводимые в литературе, часто носят весьма противоречивый характер.

Постоянное освещение, которое обычно применяется для культивирования фототрофных микроорганизмов, может быть излишним. Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что существует теоретическая возможность снижения энергетических затрат путём исключения периода неэффективного времени освещения. Нами предлагается применять дискретное (импульсное) освещение. Следует провести серии экспериментов, связанных с применения импульсного освещения для культивирования фототрофных организмах в закрытых системах. Причём как в качестве ночной подсветки, так и в качестве круглосуточного. Для этого необходимо разработать и изготовить установку для изучения влияния прерывистого освещения на рост и развитие светозависимых организмов в условиях поверхностного (чашки Петри) и глубинного (колбы на качалках) культивирования. Также требуется проверить известные по литературным данным режимы микроимпульсного освещения на примере культивирования светозависимых микроорганизмов и проверить целесообразность культивирования светозависимых организмов с использованием прерывистого освещения.

До настоящего времени, осуществить подобную схему освещения было затруднительно, т.к. для реализации подобного типа освещения требуются соответствующие источники света.

В настоящее время широкое применение в различных отраслях человеческой деятельности нашли полупроводниковые источники света (светодиоды). Возможности применения светодиодных источников света в качестве источников света для культивирования светозависимых микроорганизмов пока недостаточно освещены в опубликованных научных исследованиях. Для расширения знаний о возможностях культивирования светозависимых микроорганизмов с помощью полупроводниковых источников света, необходимо разработать, изготовить и экспериментально апробировать установку по культивированию фототрофных микроорганизмов с применением светодиодных источников света.

Разработать системы культивирования светозависимых организмов с одновременным использованием различных алгоритмов нескольких типов импульсного освещения и проверить целесообразность такого типа освещения.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)», Мальцевская, Надежда Владиславовна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведён сравнительный анализ доступных источников света для культивирования светозависимых микроорганизмов и на его основе предложено использовать для этой цели светодиодные источники света.

2. Разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные установки с применением светодиодов для изучения влияния спектрального состава света, параметров импульсного и микроимпульсного режимов освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов.

3. Показано, что по светодинамическим характеристикам белые и монохроматические светодиоды могут быть использованы для реализации микроимпульсного освещения с частотой до 1000 Гц и длительностью импульса прямоугольной формы от 10 мкс.

4. Установлено, что белые светодиоды обеспечивают более высокую продуктивность при культивировании микроводорослей Chlorella sp., а среди монохроматических наиболее эффективны светодиоды с длинами волн 620-630 нм излучения.

5. Установлено, что опубликованные в литературе режимы микроимпульсного освещения с частотой 1000 Гц (длительность световой фазы 10 мкс, темновой - 10000 мкс) при круглосуточном режиме их применения не обеспечивают стабильного роста микроводорослей Chlorella sp., соизмеримого по характеристикам с режимом постоянного освещения. То же относится к одно-частотным режимам прерывания освещения с другими характеристиками.

6. Показано, что при использовании микроимпульсного режима освещения в «ночной» период циркадно-циклического режима достигается более заметное снижение удельных энергозатрат на образование биомассы, но эффект прерывистости зависит от уровня освещённости в период светового импульса.

7. Предложен суперпозиционный метод микроимпульсного освещения, учитывающий наличие двух фотосистем в биохимическом механизме фотосинтеза. По этому методу освещение включает два импульсных режима с широтно-импульсной модуляцией - низкочастотный и высокочастотный, причём высокочастотный режим функционирует в «темновых» интервалах низкочастотного режима.

8. С использованием планирования эксперимента по схеме ортогональных латинских прямоугольников получены принципиальные зависимости прироста биомассы и удельных затрат электроэнергии от параметров суперпозиционного режима длительностей световых импульсов и интервалов между ними для низкочастотной и высокочастотной составляющей суперпозиционного режима микроимпульсного освещения.

9. На основе полученных зависимостей спланирована и реализована серия экспериментов, в которой получены варианты суперпозиционного режима освещения, обеспечивающие снижение энергозатрат на получение биомассы микроводорослей свыше 50 % по сравнению с режимом постоянного освещения при незначительном снижении общего прироста биомассы.

10. Показано, что биохимические характеристики биомассы микроводорослей, полученной в режимах постоянного и импульсного освещения, практически не различаются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мальцевская, Надежда Владиславовна, 2012 год

Список литературы

1. Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике /Под ред. Ю.Б. Айзенберга 3-е изд. Перераб. и доп. М.: Знак, 2006. - 972 с.

2. Айзенберг Ю.Б. Энергосбережение в освещении. Под. ред. проф. Ю.Б. Айзенберга, М.: Издательство "Знак", 1999. - 266 с.

3. Ахмадуллина Л.Г. Биология с основами экологии: Учеб. пособие. М.: Издательство РИОР, 2006. - 128 с.

4. Ашмаров В.В., Баум И.Ф. Баум Р.Ф. Способ получения биомассы фотоавтотрофных микроорганизмов и установка для его осуществления. Патент на изобретение 1Ш 2128701,1999.

5. Бабьева И.П., Чернов И.Ю. "Биология дрожжей в природе", М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004.

6. Беккер М.Е.: Введение в биотехнологию. Перевод с латышского (Рига, Звайгэне, 1974). Перевод на русский язык. Издательство «Пищевая промышленность», 1978 г.

7. Беликов П.С., Дмитриева Г.А. Физиология растений: Учеб. Пособие. - М.: Изд-во РУДН, 1992. - 248 с.

8. Беляев О.Б. Светозависимый биосинтез хлорофилла / О.Б. Беляев; под. ред. проф. Ф.Ф. Литвина. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 232 с.

9. Белякова Г.А. Ботаника: в 4 т. Т.2. Водоросли и грибы: учебник для студ. высш. учеб. заведений /Г.А. Белякова, Ю.Т. Дьяков, К.Л. Тарасов. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 320 с.

10. Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС. 1999. - 288 с.

11. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Научное издание - М.: ФГНУ "Росинформагротех", 2008. - 404 с.

12. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.:

КолосС, 2004. - 296 с.

13. Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоёмов / 3-е изд., доп. и перераб. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - 126 с.

14. Богданов Н.И. Прудовое рыбоводство Пензенской области/ Н.И. Богданов, А.Ю. Асанов, 2-е изд., доп. - Пенза, 2010.

15. Богданов Н.И. Суспензия хлореллы в рационе сельскохозяйственных животных / Н.И. Богданов. - Пенза, 2-е изд. перераб. и доп., 2007. - 48 с.

16. Борисов П.Б. Руководство к лабораторным занятиям по микробиологии /Под ред. Борисова П.Б. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Медицина, 1984, - 464 с.

17. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.-422 с.

18. Бухов Н.Г. Интенсивность и спектральный состав света: влияние на начальные стадии фотосинтеза //Физиология растений, Том 34, вып. 4 - 1987. - с. 765-773

19. Быков В.А., Крылов И.А., Манаков М.Н. Биотехнология. Учеб. пособие для вузов. В 8 кн./ Кн. 6: Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов /Быков В.А., Крылов И.А., Манаков М.Н. и др. - М.: Высш. шк., 1987. - 143 с.

20. Варфоломеев С.Д., Вассерман J1.A. Микроводоросли - источник биотоплива, пищевых, кормовых и лекарственных продуктов// Биотехнология, №2, 2011

21. Васкивнюк В .Т., "Культивирование каротинсинтезирующих дрожжей в непрерывном процессе", Микробиологический журнал, 1979 г., т.41, №3

22. Владимиров Ю.А. Физико-химические основы фотобиологических процессов: учебник для вузов /Ю.А. Владимиров, А.Я. Потапенко.

- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2006. - 285 с.

23. Владимирова М.Г., Семеиенко В.Е. Интенсивная культура одноклеточных водорослей. Издательство Академии наук СССР, 1962 г.

24. Владимирова М.Г., Семененко В.Е., Ничипорович A.A. Сравнительное изучение продуктивности различных форм одноклеточных водорослей, с. 314-326. В кн. «Проблемы космической биологии» под ред. Н.М. Сисакяна и В.И.Яздовского. АН СССР, Москва, 1962 г.

25. Волынец М.П. Тонкослойная хроматография в неорганическом анализе /М.П. Волынец. - М.: Наука, 1974. - 152 с.

26. Волькештейн М.В. Биофизика: Учеб. руководство, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, Гл. ред. физ.- мат. Лит., 1988. - 592 е., ил.

27. Воскресенская Н.П. Фоторегуляторные реакции и активность фотосинтетического аппарата //Физиология растений, Том 34, вып. 4. - 1987. - с. 669-684

28. Вустин М. М., Белых Е. Н., Кишилова С. А., Чиненова Т. А., Синеокий С.П. Дебабов В.Г. Патент RU 2385925. Штамм дрожжей Phqffia rhodozyma - продуцент астаксантина.

29. Галкин В.И. и др. Полупроводниковые приборы. Справочник. В.И. Галкин, А.Л. Булычев, В.А. Прокопенко - 2-е изд., перераб. и доп. -Минск, Беларусь, 1987. - 285 с.

30. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989 - 336 с.

31. Герхардт Ф. Методы общей бактериологии: Пер. с англ. / Под ред. Ф. Герхардта и др. - М.: Мир, 1984. - 472 с.

32. Глаголева Т.А., Чулановская М.В., Зеленский О.В. Фотосинтетический метаболизм и энергетика хлореллы (экологические аспекты). - Д.: Наука, 1987. - 119 с.

33. ГладышевП.А. Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения/ Автореферат диссертации, Москва, 2007

34. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. - М.: Мир, 2002. - 589 е., ил.

35. Глинка H.JI. Общая химия. Изд. 15-е, испр. Изд-во "Химия", 1971. -712 с.

36. Глущук Л.П. Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования цианобактерий Spirulina. Автореферат диссертации, Москва, 2000

37. Годнее Т.Н., Домаш В.И., Акулович Н.К. Действие высокоэнергетических импульсов света на пигментную систему растений /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971 - 368 с.

38. Головацкая И.Ф., Карначук P.A., Тищенко С.Ю. Влияние зелёного света на рост и гормональный баланс растений //Материалы III конференции Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии - Уфа, 2000.

39. Горбунова Н.П. Альгология: Учеб. пособие для вузов по спец. «Ботаника» - М.: Высш. шк., 1991. - 256 е., ил.

40. ГОСТ 13192-73 Вина, виноматериалы и коньяки. Метод определения Сахаров (с Изменениями N 1, 2, 3)

41. ГОСТ 26176-91 Корма, комбикорма. Методы определения растворимых и легкогидролизуемых углеводов

42. Громов Б.В. Культивирование коллекционных штаммов водорослей. Межвуз. сб. /Под ред. проф. Б.В. Громова. Л., 1983, 152 с.

43. Губарь Г.Д. Адаптация физиолого-биохимических систем растения к перемене освещения, ч. 1 Изменение освещения от сильного к слабому: Сб. науч. тр. /Академия наук Латвийской ССР. Институт биологии/ Отв. Редактор Г.Д. Губарь - Рига: "Зинатнэ", 1977, - 99 с.

44. Гусев М.В. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов/ М.В. Гусев, Л.А. Минеева. - 4-е изд., стер. -М.: Издательский центр "Академия", 2003. - 464 с.

45. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384 е., ил.

46. Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зелёного растения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 552 с.

47. Давиденко Ю. Современные светодиоды. Компоненты и технологии, №5, 2004.

48. Данилов О.Л., Костюченко П.А. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов./ В семи разделах. Под общей редакции д.т.н. О.Л. Данилова, П.А. Костюченко. М.: 2006. -668 с.

49. Дилов Хр., Семененко В., Георгиев Д., Шаренкова X., Стаев С. Сооружение для интенсивного лабораторного культивирования микроводорослей. / Доклады академии сельскохозяйственных наук в Болгарии. Vol.2, No. 3, 1969 г.

50. Дроздова И.С., Бондар В.В., Воскресенская Н.П. Совместное действие фоторегуляторных реакций, вызываемых красным и синем светом, на фотосинтез и морфогенез растений редиса// Физиология растений. Том 34, вып. 4 - 1987, - с. 786-794.

51. Евтушенков А.Н., Фомичёв Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций/ А.Н. Евтушенков, Ю.К. Фомичёв. - Мн.: БГУ, 2003. - 105 с.

52. Егоров Н.С. Промышленная микробиология: учеб. пособие для вузов по спец. "Микробиология" и "Биология" /З.А. Аркадьева,

A.M. Безбородое, И.Н. Блохина и др.; Под ред. Н.С. Егорова. - М.: Высш. шк., 1989.-688 с.

53. Егоров Н.С., Самуилов В.Д. Биотехнология: Учеб. Пособие для вузов: В 8 кн./ Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 4 Автоматизация биотехнологических исследований /Д.В. Зудин,

B.М. Кантере, Г.А. Угадчиков. - М.: Высш. шк., 1987. - 112 с.

54. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. Для студентов институтов; аспирантов и практических работников. Издательская фирма "Наука" СПБ, 1995. - 600 с.

55. Блинов Н.П. Химическая микробиология: Учеб. для студентов химико-технол., технол., фармац. и др. ин-тов, аспирантов и практ. работников. - М.: Высш. шк., 1989. - 448 е., ил.

56. Енохович A.C. Справочник по физике и технике: Учеб. пособие для учащихся. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 1989. - 224 с.

57. Жаворонков В.А. Болсуновский А.Я., Конструирование фотобиореакторов для культивирования микроводорослей в CELSS (экологически замкнутых системах жизнеобеспечения в космосе). — Материалы 26-ой Международной Конференции по экологическим системам. — США, Монтеррей, Калифорния, 8 августа 1996.

58. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Петров И.А., Гладышев П.А. Проблемы культивирования фототрофов в условиях средней полосы России /Экология антропогена и современности: природа и человек, С,- Пб., Гуманистка, 2004 г., с.590 - 593.

59. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Петров И.А. Кавитационная гидродинамика и вихревой массообмен в полостном аппарате. Современные проблемы аэрогидродинамики. Тезисы докладов XIII школы - семинара, М.:МГУ, 2005 г., с.39 - 40.

60. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии /Г.А. Заварзин: отв. ред. Колотилова; Ин-т микробиологии. - М.: Наука, 2003. - 348 с.

61. Зитте П., Вайлер Э.В., Кадерайт Й.В., Брезински А., Кернер К. Ботаника. Учебник для вузов: в 4 т.:/ Зитте П., Вайлер Э.В., Кадерайт И.В., Брезински А., Кёрнер К.; на основе учебника Страсбургера [и др.]; пер. с нем. Артемьевой О.В., Власовой Т.А., Карнаухова И.Г., Колесовой Н.Б., Чередниченко М.Ю. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 496 с.

62. Игнатов А.Н. - «Оптоэлектронные приборы и устройства», ЭКОТРЕНДЗ, Москва 2006

63. Казенин Д.А., Жаворонков В.А., Петров И.А., Гладышев П.А., Ермошин Н.Г. Полуэмпирическая модель газообмена в полостном аппарате./ Сборник трудов XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Т.1, Казань, ГКТУ, 2005 г., с 190-192.

64. Каленов C.B. Культивирование дрожжей и галобактерий в условиях контролируемого окислительного стресса. Автореферат диссертации, 2007

65. Камшська М., Сологуб Л., Каротинсинтезуючи дрщж1 Phaffia rhodozymall Вюник Льв1в. ун-ту. Сер1я бюлопчна, вып. 37, стр. 312, 2004.

66. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений, М.: "Наука", Главная редакция физ.-мат. Литературы, 1970. - 104 с.

67. Кахнович JI.B. Фотосинтетический аппарат и световой режим. Минск, изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1980 - 128 с.

68. Квасников Е.И.„ Васкивнюк В.Т, Суденко В.И., Гринберг Т.А., "Каротинсинтезирующие дрожжи", Киев, Наук. Думка, 1980 г.

69. Кок Б. 1968. Фотосинтез: путь энергии. - В кн.: Дж. Боннер, Дж. Варнер. Биохимия растений. М., "Мир".

70. Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: Учебное пособие. - Барнаул, 2000. -391 с.

71. Кондратьева E.H., Максимова И.В., Самуилова В.Д. Фототрофные микроорганизмы. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 374 е., ил.

72. Конев C.B., Вотолотовский И.Д. Фотобиология. Изд. 2-е, перераб. и доп. Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1979 - 385 с.

73. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности индукции флуоресценции хлорофилла. - К.: "Альтерпрес", - 2002. - 188 с.

74. Корольков В.И., Рахимов Н., Диоды, транзисторы и тиристоры на основе гетероструктур. Ташкент: Фан, 1986. - 152 с.

75. Костюк В.А. Биорадикалы и биоантиоксиданты/ В.А. Костюк, А.И. Потапович. - Мн.: БГУ, 2004. - 179 е.: ил.

76. Коцур Н.В., Гуляев Б.И., Мануильский В.Д., Оканенко A.C. О влиянии светоимпульсного облучения пыльцы на фотосинтез и дыхание листьев кукурузы первого поколения. /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971-368 с.

77. Кретович В.Л. Основы биохимии растений. Учебник для государственных университетов и технологических институтов. М., "Высшая школа", 1971. - 465 с.

78. Кустова Н.А., Лабораторный практикум по микробиологии /Н.А. Кустова; Федер. Агентство по образованию, Моск. гос. ун-т инж. экологии, ф-т "Экология и промышленная биотехнология." - М.: МГУИЭ, 2006. - 212 с.

79. Лалов В.В. Пиорунский Д.А. Рябов В.Ю. Солошенко В.М. Чижиков М.А Установка для культивирования галофильных галофильных микроорганизмов. Патент на изобретение 1Ш 2105058

80. Лебедев С.И. Физиология растений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1988. - 554 с. ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

81. Ленгелер И., Древе Г., Шлегель Г. Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Т. 1. Пер. с англ./ Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. - М.: Мир, 2005. - 656 с

82. Ленинджер А. Основы микробиологии: В 3-х т. Т.2. Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. - 368 с.

83. Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я., Полонский В.И., Тихомиров А.А., Золотухин И.Г. Интенсивность и качество света как факторы, определяющие формирование ценоза и урожай растений в светокультуре // Физиология растений, Том 34, вып. 4 - 1987. - с. 636-643.

84. Малый практикум по низшим растениям. Учеб. Пособие для студентов - биологов ун-тов. Изд. 2-е, испр. и доп. М., "Высшая школа", 1976.

85. Мальцевская Н.В. Импульсное освещение для снижения энергозатрат на основе светодиодов при культивировании фотосинтезирующих микроводорослей/ Научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов . В 2-х т. Т.1 -М.: МГУИЭ,2010.-е. 3-4.

86. Мальцевская H.B. Культивирование фотосинтезирующих микроорганизмов с применением полупроводниковых источников света с заданными спектральными характеристиками/ Сборник трудов VI международной научно-практической конференции ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ МЕГАПОЛИСОВ// под ред. Д.А. Баранова, A.A. Минаева, В.М. Клевлеева, В.В. Бирюкова, Д.В. Зубова -М.: МГУИЭ, 2009 - 85-86 с.

87. Мальцевская Н.В. Перспективы энергосбережения при биоутилизации газовых выбросов, содержащих С02/ Материалы Московской международной научно-практической конференции "БИОТЕХНОЛОГИЯ: ЭКОЛОГИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ", М.:ЗАО "Экспо-биохим-технологии", РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010-с. 108-109.

88. Мальцевская Н.В., Бирюков В.В. Влияние прерывистого освещения на процесс роста фототрофного микроорганизма Chlorella sp./ Биотехнология, 2011. - №1. - с. 47-52.

89. Мальцевская Н.В., Бирюков В.В. Культивирование Chlorella sp. На твёрдой среде при применении освещения с различными длинами волн. /Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2009. - №2. -с. 15.

90. Мальцевская Н.В., Бирюков В.В. Культивирование Chlorella sp. На твёрдой среде при применении освещения с различными длинами волн/ Научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов - М.: МГУИЭ, 2008. - с. 3.

91. Мальцевская Н.В., Бирюков В.В. Мерцающий свет при культивировании микроводорослей как возможный способ снижения энергозатрат при очистки стоков и газовых выбросов/ Вода: химия и экология, 2011. - №2. - с. 13-17.

92. Мальцевская Н.В., Бирюков В.В., Макеев П.П., Мальцевский В.В. Культивирование фототрофных организмов при суперпозиции двух режимов микроимпульсного освещения/ Материалы VI Московского международного конгресса, часть 2 (Москва, 21-25 марта, 2011 г.) М.: ЗАО "Экспо-биохим-технологии", РХТУ имени Д.И. Менделеева, 2011. —

с. 420-421.

93. Мальцевская Н. В. Бирюков В. В. Применение импульсных светодиодных источников света для снижения энергозатрат при культивировании фотосинтезирующих микроорганизмов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010. - N 11. - с. 9

94. Мальцевская Н.В. Лабораторный комплекс по исследованию и производству фототрофов //Всероссийская выставка Научно-технического творчества молодёжи Научно-практическая конференция "Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях": Сборник научных докладов/ Мое. гос. строит, ун-т - М.: МГСУ, 2007. - с. 254-255.

95. Мальцевская Н.В., Тулякова Т.В. Пищевая ценность биомассы фототрофов, выращенных в искусственных системах// Пищевая промышленность №5, 2011. - с. 72-73.

96. Марков В.Н. Светоимпульсный осветитель (варианты) и способ светоимпульсного освещения растений/ Марков В.Н. // Патент на изобретение RU № 2326525, 2008.

97. Мартиросян Ю.Ц., Кособрюхов A.A., Креславский В.Д., Диловарова Т.А., Мелик-Саркисов О.С., Летунова C.B., Харченко П.Н. Фотосинтез и рост растений картофеля при выращивании в условиях аэропоники с дополнительным облучением светодиодами. Сельскохозяйственная биология, 2008, №3,102-105.

98. Маршак И.С. Импульсные источники света /[Маршак И.С.,

Дойников A.C., Жильков В.П. и др.]: Под общ. ред. И.С. Маршака. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 472 с.

99. Мельников С.С. Мананкина Е.Е. Хлорелла: Физиологически активные вещества и их использование. - Мн.: Навука i тэхника, 1991.-79 с.

100. Мельников С.С., Мананкина Е.Е. Использование хлореллы в кормлении сельскохозяйственных животных/ Наука и инновации. №8 (90), 2010.

101. Минюк Г.С., Дробецкая И.В., Чубчикова И.Н., Терентьева Н.В. Одноклеточные водоросли как возобновляемый биологический ресурс: обзор// Морський екологичный журнал, №2, Г. VII. 2008. -с 5-23.

102. Мокроносов А.Т. Фотосинтез. Физиолого-экологические аспекты: учебник для студ. вузов /А.Т. Мокроносов, В.Д. Гавриленко, Т.В. Жталова; под ред. И.П. Ермакова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 448 с.

103. Морозов А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учеб. Пособие для инженерно-эконом. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1987. - 448 с.

104. Музавфаров A.M., Умаров Г.Я., Таубаев Т.Т., Садыков М.С., Бердыкулов Х.А., Рахимов А. Последействие импульсного концентрированного солнечного света на рост, интенсивность фотосинтеза и продуктивность хлореллы /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971-368 с.

105. Неорганические люминофоры. Д., "Химия", 1975, 192 с.

106. Нетрусов А.И. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений /А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, JI.M. Захарчук и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский

центр "Академия", 2005. - 608 с.

107. Николайкин Н.И. Экология: учеб. для вузов /Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2003. - 624 с.

108. Ничипорович A.A. Свет в фотосинтезе и продуктивности растений //Физиология растений, Том 34, вып. 4. - 1987. - с. 828 - 635.

109. Ничипорович A.A. Световое и углеродное питание растений -фотосинтез. М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 288 с.

110. Ничипорович A.A., Семененко В.Е., Владимирова. Интенсификация фотосинтетической продуктивности культуры одноклеточных водорослей// Известия академии наук СССР, серия биологическая, 163-172,1962.

111. Оборудование для производства дрожжей, URL: http://www.normit.ru/20_hlebobulochnaya/20_01 .php.htm

112. Окунцов М.М. Вопросы фотосинтеза. Вып.1 Работы проблемной лаборатории фотосинтеза при кафедре физиологии и биохимии растений /Отв. редактор М.М. Окунцов Томск: Изд-во Томского университета, 1964, - 128 с.

113. Орир Дж. Физика: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981.-288с. -Т.2.

114. Петров A.A., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов /Под ред. Петрова A.A. - 4-е изд., перераб и доп. - М.: Высш. школа, 1981. - 592 е., ил.

115. Петров И. А.. Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами: Дис.... канд. техн. наук : 05.17.08, 03.00.23 Москва, 2006

116. Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. Для биол. спец. вузов. -Высш. шк., 1989. - 464 с.

117. Пономарев A.B. Разработка и научное обеспечение процесса массообмена при культивировании микроводоросли в плёночном

фотобиореакторе. Автореферат диссертации, Воронеж, 2011

118. Протасова H.H. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений //Физиология растений. Том 34, вып. 4. - 1987, с. 812-822.

119. Прохорова А.И., Мальцевская Н.В. Влияние параметров освещённости на рост и биосинтез астаксантина дрожжами Phaffia rhodozyma / Научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2009. - с. 95-96.

120. Рабинович Е. Фотосинтез, т. III, М., 1959.

121. Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 348 с.

122. Рубин А.Б. Лекции по биофизике. Учеб. пособие. — М.: Издательство МГУ, 1994. —С. 160.

123. Руководство Р 4.1.1672-03 Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище.

124. Сальникова М.Я. Хлорелла - новый вид корма. М., "Колос", 1977. -96 с.

125. Саут Р., Уиттик А. Основы альгологии: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 597 с.

126. Светильники 4x18 с отражателем Верона Рекламный проспект. http://potolki-

opt.ru/lightings/element.php?IBLOCK_ID=15&SECTION_ID=114&E LEMENT_ID=490].

127. Сейфулина JI.Я. Влияние импульсного солнечного света на содержание некоторых пигментов в листьях хлопчатника /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971 -368 с.

128. Семененко В.Е. Изучение механизма процессов переходных состояний фотосинтеза. Автореферат диссертации. Москва, 1962 г.

129. Семененко В.Е., Владимирова M. Г., Попова М.А. К вопросу о выращивании культуры Chlorella pyrenoidosa в условиях освещения импульсным светом. Физиология растений, 1960, 7[4]: 459-465.

130. Семененко В.Е., Владимирова М.Г., Цоглин JI.H., Таутс М.И., Филипповский Ю.Н., Клячко-Гурвич Г.Л., Кузнецов Е.Д., Кованова Е. С., Райков Н. И. (1966) Непрерывное управляемое проточное культивирование водорослей и физиолого-биохимическая характеристика продуктивности и эффективности утилизации лучистой энергии хлореллой при длительном интенсивном её выращивании, с. 75-86. В кн. «Управляемый биосинтез». Наука, Москва.

131. Семененко В.Е., Владимирова М.Г. Влияние условий космического полёта на корабле-спутнике на сохранение жизнеспособности культуры хлореллы. Физиология растений, 1961, 8[6]: 743-749.

132. Складнев Д.А. Биотехнология: Очерк эволюции фотобиореакторов., Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология», 2007. URL:

http://www.cbio.ru/modules/news/article.php?storyid=2880.

133. Станко С.А. Стимулирующее действие импульсного солнечного света на семена и растения./Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971 - 368 с.

134. Станко С.А., Семин B.C., Филипп А.П., Якимов Л.М., Горновский C.B. Облучение растений импульсным концентрированным солнечным светом как метод стимуляции фосфорного обмена /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971 -368 с.

135. Страйер Л. Биохимия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984.

136. Таутс М.И., Селиванова Т.М., Семененко, В.Е. (1971) К

расшифровке эффекта автостимуляции роста хлореллы. Физиология растений 18[1]: 69-77.

137. Теппер З.Е Пратикум по микробиологии: Учебное пособие для вузов /З.Е. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева; под. ред. Шильниковой . - 5-е изд., перераб и доп. М.: Дрофа, 2004. - 256 с.

138. Терещук P.M., Домбругов P.M., Босый Н.Д., С.И. Ногин С.И., Боровский В.П., Чаплинский А.Б. Справочник радиолюбителя. Изд. 5-е, перераб. и доп. Издательство "Техшка", Киев, 1965 г.

139. Тихомиров A.A., Золотухин И.Г., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Специфика реакций растений разных видов на спектральный состав ФАР при искусственном освещении //Физиология растений, Том 34, вып. 4 - 1987, с. 774-785

140. Тихомиров A.A., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Спектральный состав света и продуктивность растений /Тихомиров A.A., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.- 168 с.

141. Тохвер А.К. Накопление антоцианов в гипокотиле гречихи на прерывистом красном и дальнем красном //Физиология растений, Том 34, вып. 4. - 1987. - с.742-747

142. Тулякова Т.В. Дрожжевая промышленность России - прошлое, настоящее, будущее. /Хлебопекарное и кондитерское производство №1,2002, с. 1-3.

143. Тулякова Т. В., Пасхин А. В., Седов В. Ю. Дрожжевые экстракты — безопасные источники витаминов, минеральных веществ и аминокислот // Пищевая промышленность, № 6, 2004

144. Тренкеншу Р.П. Одноклеточные водоросли: массовое культивирование и практическое использование.// Прикладная альгология №1-3, 1999 г. - с.7-11

145. Третьяков H.H.,. Карнаухова T.B, Паничкин JI.А. Практикум по физиологии растений /H.H. Третьяков, Т.В. Карнаухова, Л.А. Паничкин и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат,

1990. - 271 с.

146. Уильяме Б. Методы практической биохимии / Б. Уильяме, К. Уилсон под ред. С. С. Северина и А. Д. Виноградова. - М.: Мир, 1978.-272 с.

147. Федотов Г.А. Электрические и электронные устройство для фотографии. -

2-е изд., пепрераб и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд.,

1991.-96 с.

148. Филипповский Ю.Н. Маршак И.С., Штаркер А.Я., Семенко В.Е., Ничипорович A.A., Пяцкая Л.М. Ксеноновые трубчатые лампы "холодного" света// Светотехника, 10,1968. с.8-11.

149. Фунгефиров М.И. Что нужно знать о газоразрядных лампах. М., "Энергия", 1968.

150. Хайлов K.M. Экологическая физиология морских планктонных водорослей (в условиях культур) - "Наукова думка", 1971. - 208 с.

151. Хиггинс И. Беста Д., Джонс Дж. Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. /Под ред. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. - М.: Мир, 1988. - 480 с.

152. Холл Д., Pao К., Фотосинтез: пер. с англ. - Мир, 1983. - 134 с.

153. Холстов A.B., Ефременко E.H., Погосян С.И., Воронова E.H., Рубин А.Б. Криотропные гели как носители для иммобилизованных клеток микроводорослей.// 3-я международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», 2009, Ростов-на-Дону, 1-4 октября, с.31-32.

154. Цоглин Л.Н., Габель Б.В., Фалькович Т.Н., Семененко В.Е. (1996)

Фотобиореакторы закрытого типа для культивирования микроводорослей. Физиология растений 43[1]: 149-155.

155. Чайлахян М.Х., Макеев A.B. Аксёнова А.П., Константинова Т.Н., Мокроносов А.Т. Действие длины ня и спектрального состава света на морфогенез и фотосинтез растений картофеля Solanum andigenum (Juz. Et Buk) //Физиология растений Том 39, вып. 2. -1992.-с. 216-223

156. Что такое светодиоды? Статья.//Nightshine.net URL: http ://nightshine.net/index.php?newsid= 142

157. Шахов А. А. Теоретические аспекты преобразования световой энергии в импульсном режиме. Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971 - 368 с.

158. Шахов A.A., Сейфулина Л.Я. Стимуляция генеративных процессов у хлопчатника светоимпульсным облучением всходов и цветков. /Светоимпульсная стимуляция растений, под ред. Шахова A.A. М.: Наука, 1971-368 с.

159. Шевелуха B.C. Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб. /B.C. Шевелуха, Е.А. Калашникова, C.B., Дегтярев и др.: Под ред. B.C. Шевелухи. - М.: Высш. шк., 1998. - 416 с.

160. Шлегель Г. Общая микробиология: Пер. с нем. - М.: Мир, 1987 -567 с.

161. Штоль A.A., Мельников Е.С., Ковров Б.Г. Расчёт и конструирование культиваторов для одноклеточных водорослей. -Красноярск: Красноярское книжное издательство, 1976 г. - 96 с.

162. Шуберт Ф. /Светодиоды/ Пер. с англ. Под ред. А.Э. Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИХМАТЛИТ, 2008. - 496 с.

163. Шушанашвили В.И., Семененко В.Е Влияние свето-темновых периодов и интенсивности света на фотосинтез, прирост биомассы и скорость деления автотрофных клеток эвглены./ Физиология

растений, том 32, вып.2, 1985

164. Яковлев В.Н., Воскресенский В.В., Генис А.А., Доронкин Е.Ф., Литвиненко О.Н., Мигулин И.Н. И.Н., Сошников В.И., Цветков А.В. Справочник по импульсной технике. - Киев: "Техшка", 1970, 656 с.

165. Якушкина Н.И. Физиология растений: учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальности 032400 "Биология"/ Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. - М.: ВЛАДОС, 2005. - 463 е.: ил.

166. Apostol S., Briantais J.-M., Moise N.,Cerovic Z.G., Moya I. Phoinactivation of the photosynthetic electron chain by accumulation of over-saturation light pulses given to dark adapted pea leaves// Photosynthesis Research 67: 215-227, 2001.

167. Barak S., Tobin E. M., Andronis C., Sugano S., Green R.M. All in good time: the Arabidopsis circadian clock// Trends in plant science. Vol.5, No. 12,517-522, 2000.

168. Borowitzka M. A. Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters //Journal of Biotechnology 70, 313-321. 1999.

169. Borowitzka, M.A., 1996. Closed algal photobioreactors: design considerations for large-scale systems. J. Mar. Biotechnol. 4, 185-191.

170. Chaumont D. Biotechnology of algal biomass production: a review of systems for outdoor mass culture// Journal of Applied Phycology 5: 593-604, 1993.

171. Cohen E., Arad S. A closed system for outdoor cultivation of Porphyridium. Biomass 18, 59-67, 1989.

172. Degen J., Uebele A., Retze A., Schmid-Staiger U., Frosch W. A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect. //Journal of Biotechnology 92, 89-94,2001.

173. Doucha J., Straka F., Livansky K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer

photobioreactor// Journal of Applied Phycology 17: 403-412, 2005.

174. Emerson R., Arnold W. The photochemical reaction in photosynthesis / The Joyrnal of General Physiology. 1932

175. Evens T. J., Chapman D. J., Robbins R. A., D'Asaro E. A. An analytical flat-plate attenuated light source for the incubation of phytoplankton under dynamic light regimes. //Hydrobiologia 434: 55-62, 2000.

176. Gacheva G. Pilarski P. The resistance of new strain Chlorella sp. R-06/2, isolated from an extreme habitat to environmental stress factors// Gen. Appl. Plant Physiology, Special Issue, 34 (3-4), 347-360,2008.

177. Garcia-Mendoza E., Matthijs H.C. P., Schubert H., Mur L. R. Non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence in Chlorella fusca acclimated to constant and dynamic light conditions// Photosynthesis Research 74: 303-315, 2002.

178. Gitelston A., Qiuang H., Richmond A. Photic volume in photobioreactors supporting ultrahigh population densities of the photoautotroph Spirulina platensis //Applied and Enviromental Microbiology, vol. 62, №5, p.1570-1573, 1996.

179. Goodsell, D. S. Biotechnology: lessons from nature. A John Wiley&Sons. Inc., PUBLICATION, 2004.

180. Graham, Linda E. Algae/ Linda E. Graham, Lee Warren Wilcox //Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, NJ, 2000.

181. Grewe C., Menge S., Griehl C.

Enantioselective separation of all-E-astaxanthin and its determination in microbial sources/ Journal of Chromatography A Vol. 1166, Issues 1-2, Pages 97-100, 28 September 2007

182. Griehl C., Grewe C., Pfeiffer A. Patent W02010063256

(DE) Verfahren zur herstellung von carotinoiden unter verwendung von Scenedesmus- oder Tetradesmus-zellen.

183. Gualtieri P. Algae: anatomy, biochemistry and biotechnology /Laura Barsanty and Paolo Gualtieri. Taylor & Francis Group, 2005.

184. Hardin P.E. From biological clock to biological rhythms// Genome Biology. Vol. 1, No. 4, 2000

185. Hopkins William. G. Plant Development. Infobase Publishing, NY, 2006, 151 p.

186. Hu Q., Guterman H., Richmond A. A flat inclined modular photobioreactor for outdoor mass cultivation of photoautotrophs, 1996. Biotechnol. Bioeng. 51, 51-60.

187. Janssen M., de Bresser L., Baijens T., Tramper J., Mur L. R., Snel J. F. H., Wijffels R. H. Scale-up aspects of photobioreactors: effects of mixing-induced light/dark cycles: Journal of Applied Phycology 12: 225-237, 2000

188. Janssen M., Kuijpers T., Veldhoen B., Brik M., Tramper J., Mur L. R., Wiffels R. H. Specific growth rate of Chlamydomonas reinhardtii and Chlorella Sorokiniana under medium duration light/dark cycles: 13-87 s. //Journal of Biotechnology 70, p.323-333, 1999.

189. Johnson E. A. Phaffia rhodozyma: colorful odyssey. Int. Microbiol, review article, 2003.

190. Johnson E. A, Lewis M. J. Astaxanthin formation by the yeast Phaffia rhodozyma. J. Gen. Microbiol., Reading, v. 115, p. 173-183, 1979.

191. Keffer J. E. and Kleinheinz G.T. Use of Chlorella vulgaris for CO2 mitigation in a photobioreactor. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 29, 275 - 280, 2002

192. Kondo T., Ishiura M. The circadian clocks of cyanobacteria// BioEssays 22: 10-15,2000.

193. Kondo T., Ishiura M. The circadian clocks of plants and cyanobacteria// Trends in plant science. Vol. 4, No. 5, 171-176, 1999.

194. Lazar D., Tomek P., Ilik P., Naus J., Determination of the antenna heterogeneity of Photosystem II by direct simultaneous fitting of several fluorescence rise curves measured with DCMU at different light intensities// Photosynthesis Research 68: 247-257, 2001.

195. LED-Belichting wordt beter, maar we weten (nog) niet alles. URL: http://digimagazine.onderglas.n1/2009/9/magazine.html

196. Lee C.-G., Palcson B. O. High-density algal photobioreactors using light-emmitting diodes. //Biotechnology and Bioengineering, Vol.44, p.l 161-1167, 1994

197. Livansky K. Productivity of the alga Scenedesmus obliquus in thin-layer outdoor cultures: verification of a mathematical model// Algological studies 85, 135-145, 1997

198. Luttge U., Hertel B. Diurnal and annual rhythms in trees// Trees 23: 683-700, 2009.

199. Madsen A. The time course for the photoconversion of chlorophyll by flash illumination. - Physiol. Plantarum, v. 16, 470, 1963

200. McClung C.R. Circadian rhythms in plants: a millennial view// PHYSIOLOGIA PLANTARUM 109: 359-371, 2000

201. Miyamoto, K., Wable, O., Benemann, J.R., 1988. Vertical tubular reactor for microalgae cultivation. Biotech. Lett. 10, 703-708.

202. Morais M. G., Vieira Costa J. A.. Carbon dioxide fixation by Chorella kessleri, C. vulgaris, Scenedesmus obliquus and Spirulina sp. Cultivated in flasks and vertical tubular photobioreactors. Biotechnol Lett (2007) 29: 1349-1352.

203. Nedbal L., Tichy V., Xiong F., Grobbelaar J. U. Microscopic green algae and cyanobacteria in high-frequency intermittent light. Journal of Applied Phycology: 325-333, 1996.

204. Ogbonna J. C., Soejima T., Ugwu C.U., Tanaka H. An integrated system of solar light, artificial light and organic carbon supply for cyclic

photoautotrophic-heterotrophic cultivation of photosynthetic cells under day-night cycles// Biotechnology Letters 23: 1401-1406, 2001.

205. Ogbonna J. C., Tanaka H. Light requirement and photosynthetic cell cultivation - Development of processes in photobioreactors// Journal of Applied Phycology 12: 207-218, 2000.

206. Ostgaard K., Jensen A. Diurnal and Circadian Rhythms in the Turbidity of Growing Skeletonema costatum. Cultures// Marine Biology 66, 261268,1982.

207. Sheppard N. J. Patent 2007/0092962 A1 (US) Carbon neutralization system for CO2 sequestering /

208. Pulz O., Gross W., Valuable products from biotechnology of microalgae// Appl Microbiol Biotechnol 65: 635-648, 2004.

209. Rajan Sundara S. Plant Physiology /ANMOL PUBLICATION PVT LTD. New Dehli, 2003

210. Rezanka T., Petrânkovâ M., Cepâk V., Preibyl P., Sigler K., Cajthaml T. Trachidiscus minutus, a a new biotechnological source of eicosapentaenoic acid// Folia microbiologica. Vol. 55, N0. 3: 265-269, 2008

211. Richmond A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology/ Amos Richmond, Blackwell Science Ltd, 2004.

212. Setlik, I. Contamination of algal cultures by heterotrophic microorganisms and its preventation. Ann. Rep. Algol. For the Year 1966, Trebon CSAV, Inst. Microbiol., 89-100. 1966.

213. Setlik, I.; Sust, V. & Mâlek, I. Dual purpose open circulation unit for large scale culture of algae in temperate zones. I. Basic designs considerations and scheme of pilot plant. - Algolog. Stud., Trebon, I: 111-164, 1970

214. Seyfabadi J., Ramezanpour Z., Khoeyi Z. A. Protein, fatty acid, and pigment content of Chlorella vulgaris under different light regimes//

Journal Applied Phycology, 2010

215. Sherman L. A., Meunier P., Colon-Lopez M. S. Diurnal rhythms in metabolism: A day in the life of a unicellular, diazotrophic cyanobacterium// Photosynthesis Research 58: 25-42, 1998.

216. Sieiro C., Poza M., de Miguel T., Villa T.G.. Genetic basis of microbial carotenogenesis// Int Microbiol 6: 11-16,2003.

217. Smith J. A.C. and Lüttge U. Day-night changes in leaf water relations associated with the rhythm of crassulacean acid metabolism in Kalanchoe daigremontianal/ Planta 163: 272-282, 1985.

218. Smith, John E. Biotechnology/ John E. Smith. - 5th ed. Cambridge University Press - 2009.

219. Somers D.E. The physiology and molecular bases of the plant circadian clock// Plant Physiology, Vol. 121, 9-19,1999

220. Torzillo, G., 1997. Tubular bioreactors. In: Vonshak, A. (Ed.), Spirulina platensis (Arthrospira): Physiology, cell-biology and biotechnology. Taylor and Francis, London, pp. 101-115.

221. Velasquez-Orta S. B., Curtis T. P., Logan B. E. Energy from algae using microbiol fuel cells //Biotechnology and Bioengineering, Vol. 103 No. 6, August 15,2009: 1068-1076.

222. Vitovä M., Bisovä K., Umysovä D., Hlavovä M., Kawano S., Zachleder V., Cizkova M. Chlamydomonas reinhardtii: duration of its cell cycle and phases at growth rates affected by light intensity// Planta, 2010.

223. Wagner R., Dietzel L., Bräutigam K., Fischer W., Pfannschmidt T. The long-term response to fluctuating distinct light acclimation mechanism that supports survival of Arabidopsis thaliana under low light conditions// Planta 228: 573-587, 2008

224. Wilkerson B., Chen J.C., Guschin A., Pulse J., Weaver M. Systems, devices, and methods for biomass production. Patent W02007070452 (US)

225. Weissman, J.C., Goebel, R.P., 1987. Design and analysis of microalgal open pond systems for the purpose of producing fuels. Solar Energy Research Institute, Report SERI: STR-231-2840, 1-214.

226. Yamane Y., Mikami T., Higashida K., Kakizono T., Nishio N. Estimation of the concentration of cells, astaxanthin and glucose in a culture of Phaffia rhodozyma by near infrared reflectance spectroscopy// BIOTECHNOLOGY TECHNIQUES. Vol. 10, No. 7, 529-534, 1996.

227. Yoshimoto N., Sato T., Kondo Y. Dynamic discrete model of flashing light effect in photosynthesis of microalgae// Photosynthesis Research 74: 303-315,2002.

228. Yoshimura S., Ranjbar R., Inoue R., Katsuda T., Katoh S. Effective utilization of transmitted light for astaxanthin production by Haematococcus pluvialis //Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol. 2, No. 2, 97-101.2006.