Значение света для жизнедеятельности водорослей


Водоросли и цианобактерии – фотоавтотрофные организмы. Они способны использовать солнечный свет для преобразования диоксида углерода (CO2) в богатые энергией углеводы (CH2O) с выделением кислорода (O2). Органические вещества, представленные углеводами, служат материалом для обеспечения роста фотосинтетиков. Кроме указанных выше соединений, для протекания фотосинтеза необходима вода.

Краткое уравнение процесса представлено формулой:
CO2+H2O+свет→углеводы (CH2O)+O2
Только 43% падающего на землю солнечного света является фотосинтетически активным излучением, т.е. используется фотосинтетиками для процесса фотосинтеза [Thimijan, Heins, 1983].
Основным структурным элементом фотосинтеза являются пигменты: хлорофилл, каротиноиды и фикоблисомы. Пик поглощения волн длиной 650-700 нм (красный спектр) является пиком поглощения хлорофилла. Каротиноиды, также называемые вспомогательными пигментами, используют волны длиной 400-500 нм (синий спектр) и переносят энергию возбуждения к хлорофиллу, делая фотосинтез эффективным на более широком интервале длин волн. Цианобактерии, или сине-зелёные водоросли, имеют третий вид пигментов – фикоблисомы, настроенные на поглощение волн длиной 600-650 нм (желто-оранжевый спектр) [Janssen, 2002].
В связи с ростом цен на электроэнергию перед пользователями искусственного освещения для выгонки рассады сельскохозяйственных культур и цветов встаёт вопрос о снижении затрат на электроэнергию [Супельняк и др., 2014], в аналогичной ситуации находятся пользователи водорослевых фильтров. Кроме того традиционные источники света не отвечают требованиям по спектральному составу света, необходимого для растений [Волков и др., 1982; Steinbauer et al., 2006].
В условиях выращивания растений в водной среде это становится особенно актуальным, так как нежелательные в водных системах сине-зелёные водоросли, или цианобактерии (Cyanobacteria sp.), в отличие от культивируемых зеленых водорослей, имеют особый вид пигментов – фикоблисомы, воспринимающие желто-оранжевый свет (длина волны 600-650 нм), и свет дневного спектра дает им преимущество перед зелёными водорослями [Janssen, 2002].
Интенсивное использование растений в полностью искусственных условиях создаёт соблазн повысить продуктивность с единицы площади путём применения постоянного освещения, без фазы темноты, однако многочисленные исследования не дают однозначного ответа на вопрос о наилучшем режиме освещения [Sysoeva et al., 2010]. Так некоторые растения демонстрируют замечательные показатели роста при продолжительном освещении, вплоть до круглосуточного, так называемые растения длинного дня: ячмень, редис, люцерна [Лисовский, Долгушев, 1986, Мошков, 1987], яровая пшеница [Жуков, Романовская, 1980] и другие. С другой стороны, так называемые растения короткого дня, например, малина [Мошков, 1987] и томат [Cushman et all., 1995; Murage et all., 1996], наоборот, снижают свои показатели роста при круглосуточном режиме освещения, у растений возникают физиологические отклонения (хлорозис) [Sysoeva et al., 2010].
Имеется большое количество работ, касающихся искусственного освещения культур одноклеточных водорослей, в основном – хлореллы (Chorella vulgaris). Было замечено, что быстрые изменения между периодами освещения и темноты могут значительно улучшить эффективность фотосинтеза при высокой интенсивности освещения. Это называется «мигающий световой эффект», наблюдается при очень коротких циклах свет/темнота, с периодами от 40 миллисекунд до 1 секунды [Phillips and Myers, 1954; Kok, 1963; Белянин и др.,1982; Terry, 1986; Matthijs, et al., 1996; Nedbal et al., 1996]. Эффект становится наиболее выражен при более коротких циклах в этом промежутке. Также тёмный период времени должен быть значительно продолжительнее светлого. С другой стороны, отмечено, что некоторые водоросли способны показывать максимальные скорости роста с периодами свет/темнота около 10 секунд [Lee and Pirt, 1981; Merchuk, et al., 1998]. Имеются данные о возможности использования более быстрой смены режимов освещения при сохранении положительного эффекта. Такое переменное освещение с периодами 1-10 секунд проще создать в искусственных условиях. Исследования в этом направлении представляют большой интерес [Janssen, 2002] и требуют дальнейшего развития.