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Mikroalgen als Quelle innovativer Wirk- und Wertstoffe

  • Eukaryotische Mikroalgen werden seit einigen Jahrzehnten hinsichtlich ihrer Eignung als Wirkstoffproduzenten intensiv untersucht, wobei bisher nur wenige potentiell nutzbare Verbindungen identifiziert wurden. Trotzdem lässt alleine die riesige Artenvielfalt die Vermutung zu, dass es Produzenten interessanter Sekundärstoffe geben muss. In den letzten Jahren zeigte sich außerdem, dass Mikroalgen Lieferanten von Wertstoffen, beispielsweise im Bereich der regenerativen Energien, sein können. Hier sind vor allem die hohen Kultivierungskosten und die geringe Produktausbeute noch zu überwindende Hürden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 70 eukaryotische Mikroalgenstämme auf ihre Eignung als Produzenten neuartiger Wirk- und Wertstoffe untersucht. Außerdem wurde durch Variation der Kultivierungsbedingungen ermittelt, ob die Kultivierungskosten gesenkt und die Ausbeuten an relevanten Produkten aus Mikroalgen gesteigert werden können. Die untersuchten Mikroalgen stammten aus der Stammsammlung der Pharmazeutischen Biologie der Universität Greifswald, aus kommerziellen Stammsammlungen oder wurden aus Gewässerproben der Greifswalder Umgebung isoliert. Neue Isolate wurden mit molekulargenetischen Methoden identifiziert. Alle Mikroalgen wurden zunächst unter Standardbedingungen kultiviert, die Biomasse-Raum-Zeit-Ausbeute bestimmt und bewertet. Anschließend wurde die biochemische Zusammensetzung der Biomasse analysiert. Dazu wurden im Rahmen der Arbeit sechs Methoden zur Gesamtlipid-, Gesamtkohlenhydrat- und Gesamtproteingehaltsbestimmung sowie zur Analytik der Lipid- und Kohlenhydratzusammensetzung etabliert. Die Algen zeigten bei Kultivierung unter Standardbedingungen Biomasseausbeuten bis 90 mg L-1 d-1. Die höchsten Wachstumsraten erreichten verschiedene Scenedesmus spp. Die biochemische Zusammensetzung der Algenbiomasse war sehr variabel. Häufig war jedoch der Proteinanteil mit ca. 50 % am höchsten, gefolgt von Kohlenhydraten mit etwa 30 % und einem Lipidanteil von ca. 10 %. Anhand der Modellalge Scenedesmus obtusiusculus konnte gezeigt werden, dass die Biomassezusammensetzung durch Variation der Kultivierungsbedingungen beeinflusst werden kann. So führten erhöhte Beleuchtung sowie Nitrat- und Eisenmangel zu vermehrter Lipid- und Kohlenhydratakkumulation. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neues Kulturmedium entwickelt, in dem die Modellalge lipid- und kohlenhydratreiche Biomasse ohne Wachstumseinbußen im Vergleich zum Standardmedium produziert. Durch Verwendung natürlicher Wasserquellen als Basis für das Kulturmedium konnten darüber hinaus die Kultivierungskosten deutlich reduziert werden. Durch die gleichzeitige Steigerung der Produktausbeute und Senkung der Kultivierungskosten konnte gezeigt werden, dass auch eine großtechnische Produktion von Wertstoffen aus Mikroalgen wirtschaftlich sein kann. Zur Bewertung des Potenzials der Mikroalgen als Produzenten von interessanten Sekundärstoffen wurde beispielhaft die antimikrobielle Aktivität von Extrakten der Algenbiomasse untersucht. Es zeigte sich, dass vor allem lipophile Extrakte gegen grampositive Bakterien wirksam waren, wofür wahrscheinlich die in den Extrakten nachgewiesenen mehrfach ungesättigten FS verantwortlich sind. Einige Mikroalgenarten wiesen zudem einen hohen Betaglucangehalt auf. Diesen Polysacchariden werden, wenn bestimmte Strukturvoraussetzungen erfüllt sind, diverse gesundheitsfördernde Effekte zugeschrieben. Durch Optimierung der Kultivierungsbedingungen konnten bei einigen Algenarten mit einem Gehalt von bis zu 35 % deutlich höhere Werte im Vergleich mit anderen betaglucanreichen Lebensmitteln wie Getreide (bis 10 %) oder Pilzen (bis 25 %) erreicht werden. Damit konnte gezeigt werden, dass Mikroalgen neben ihrer Eignung als Wertstoffproduzenten auch interessante Wirkstoffe liefern können.
  • Eukaryotic microalgae have been extensively studied for several decades for their suitability as drug producers, with only a few potentially useful compounds identified. Nevertheless, the huge biodiversity alone suggests that there must be producers of interesting secondary metabolites. In recent years, it has also been shown that microalgae can be suppliers of valuable substances, for example in the field of renewable energies. Here, above all, the high cultivation costs and the low product yield are still obstacles to be overcome. In this work, 70 eukaryotic microalgae strains were tested for their suitability as producers of novel active and valuable substances. In addition, it was determined by varying the culturing conditions whether the cultivation costs can be lowered and the yields of relevant products from microalgae can be increased. The investigated microalgae were obtained from the strain collection of Pharmaceutical Biology of the University of Greifswald, from commercial strain collections or were isolated from water samples collected near Greifswald. New isolates were identified by molecular genetic methods. All microalgae were first cultured under standard conditions, and the biomass space-time yield was determined and evaluated. Subsequently, the biochemical composition of the biomass was analyzed. For this purpose, six methods for total lipid, total carbohydrate and total protein content determination as well as for the analysis of lipid and carbohydrate composition were established. The algae showed biomass yields of up to 90 mg L-1 d-1 when cultivated under standard conditions. The highest growth rates were achieved by different Scenedesmus spp. The biochemical composition of the algal biomass was very variable. Often, however, the protein content was highest at about 50 %, followed by carbohydrates at about 30 % and a lipid content of about 10 %. Using the model alga Scenedesmus obtusiusculus it could be shown that the biomass composition can be influenced by varying the culturing conditions. Increased illumination, and nitrate and iron deficiency led to increased lipid and carbohydrate accumulation. Based on these findings, a new culture medium was developed in which the model alga produces lipid- and carbohydrate-rich biomass without any loss of growth compared to the standard medium. In addition, by using natural water sources as the basis for the culture medium, the cultivation costs were distinctly reduced. By simultaneously increasing the product yield and decreasing the cultivation costs, it has been shown that even large-scale production of high valuable products from microalgae can be economical. For the evaluation of the potential of microalgae as producers of interesting secondary substances, the antimicrobial activity of algal biomass extracts was investigated. It was found that mainly lipophilic extracts were effective against gram-positive bacteria, which is probably due to the polyunsaturated FS detected in the extracts. Some microalgae species also had a high content of beta glucans. These polysaccharides, if certain structural requirements are met, can show various health-promoting effects. By optimizing the culturing conditions, it was possible to achieve significantly higher values for some algae species with a content of up to 35% compared with other foods rich in beta glucan such as cereals (up to 10%) or fungi (up to 25%). Thus, it could be shown that microalgae, in addition to their suitability as producers of valuable substances, can also provide interesting active compounds. In order to increase the added value obtained from the initial product microalgae biomass, the development of an integrated biomass utilization chain using the active and valuable substances is a way of making commercial application potentially economically viable.

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Metadaten
Author: Christian Schulze
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-21291
Title Additional (English):Microalgae as a source for innovative active and valuable substances
Referee:PD Dr. Sabine Mundt, Prof. Dr. Thomas Brück
Advisor:PD Dr. Sabine Mundt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Date of first Publication:2018/03/29
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2018/03/06
Release Date:2018/03/29
Tag:Mikroalge, Primärtsoffanalytik
Antimikrobielle Aktivität
GND Keyword:Biochemie, Chemische Analyse, Glucane <beta-1,3->, Instrumentelle Analytik, Kultivierung, Scenedesmus
Pagenumber:88
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie