Біотехнологічний потенціал мікроводоростей: методи зберігання та некріогенні чинники ефективності кріоконсервування
DOI:
https://doi.org/10.15407/cryo35.02.057Ключові слова:
мікроводорості, біотехнологія, кріоконсервування, ліофілізація, культивування, адаптаціяАнотація
В огляді розглянуто перспективи використання та методи збереження колекційних зразків мікроводоростей,які мають значний біотехнологічний потенціал у харчовій, фармацевтичній, екологічній та енергетичній галузях. У роботі проведено аналіз та узагальнено сучасні методи підтримання культур мікроводоростей з фокусом на їхню стабільність, збереження біологічних властивостей та можливості довгострокового зберігання. Дослідження охоплює порівняння різних підходів до збереження мікроводоростей, зокрема серійне субкультивування, ліофілізацію та кріоконсервування. Особливу увагу приділено кріоконсервуванню як ефективному методу довготривалого зберігання генетично стабільних культур, що дозволяє мінімізувати втрати цінних біотехнологічних характеристик. Визначено вплив стадії розвитку культури, концентрації клітин у суспензії, холодової адаптації, центрифугування на виживаність мікроводоростей після кріоконсервування. Отримані результати мають важливе значення для розвитку біотехнологічних та екологічних програм, пов’язаних з використанням мікроводоростей.
Probl Cryobiol Cryomed 2025; 35(2):57–68
Посилання
Abate R, Oon YL, Oon YS, et al. Diverse interactions between bacteria and microalgae: A review for enhancing harmful algal bloom mitigation and biomass processing efficiency. Heliyon [Internet]. 2024 Sep 15 [cited 17.04.2025]; 10 (17): e36503. Available from: https://www.cell.com/heliyon/fulltext/S2405-8440(24)12534-0 CrossRef
Abinandan S, Subashchandrabose SR, Pannerselvan L, et al. Potential of acid-tolerant microalgae, Desmodesmus sp. MAS1 and Heterochlorella sp. MAS3, in heavy metal removal and biodiesel production at acidic pH. Bioresour Technol. 2019; 278: 9-16. CrossRef
Abinandan S, Subashchandrabose SR, Venkateswarlu K, et al. Acid-tolerant microalgae can withstand higher concentrations of invasive cadmium and produce sustainable biomass and biodiesel at pH 3.5. Bioresour Technol. 2019; 281: 469-73. CrossRef
Arguelles EDLR, Martinez-Goss MR. Diversity of Philippine photosynthetic euglenophytes and their potential biotechnological uses: a review. Int J Emerging Technol. 2019; 10(4): 24-31.
Balasubramaniam V, Gunasegavan RD, Mustar S, et al. Isolation of industrial important bioactive compounds from microalgae. Molecules [Internet]. 2021 Feb 10 [cited 18.04.2025]; 26(4): 943. Available from: https://www.mdpi.com/1420-3049/26/4/943 CrossRef
Bedard S, Roxborough E, O'Neill E, Mangal V. The biomolecules of Euglena gracilis: harnessing biology for natural solutions to future problems. Protist [Internet]. 2024 May 31 [cited 17.04.2025]; 175(4): 126044. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1434461024000361 CrossRef
Bortolini DG, Maciel GM, Fernandes IDAA, et al. Functional properties of bioactive compounds from Spirulina spp.: Current status and future trends. Food Chem Mol Sci [Internet]. 2022 Dec 30 [cited 13.03.2025]; 5: 100134. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666566222000624 CrossRef
Bui TV, Ross IL, Jakob G, Hankamer B. Impact of procedural steps and cryopreservation agents in the cryopreservation of chlorophyte microalgae. PLoS One [Internet]. 2013 Nov 11 [cited 12.03.2025]; 8(11): e78668. Available from: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0078668 CrossRef
Carvalho RH, Callegari MA, Dias CP, et al. Euglena gracilis β-glucans (1,3): enriching colostrum of sow for enhanced piglet immunity. Animals [Internet]. 2023 Nov 12 [cited 14.04.2025]; 13(22): 3490. Available from: https://www.mdpi.com/2076-2615/13/22/3490 CrossRef
Chen Z, Dong Y, Duan S, et al. A chromosome-level genome assembly for the paramylon-producing microalga Euglena gracilis. Sci Data [Internet]. 2024 July 16 [cited 15.04.2025]; 11(1): 780. Available from: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03404-y CrossRef
Chernobai NA, Kadnikova NG, Vozovyk KD, et al. Temperature-salt stress increases yield of valuable metabolites and shelf life of microalgae. Biophys Bull. 2022; 48: 7-17. CrossRef
Čižkova M, Mezricky P, Mezricky D, et al. Bioaccumulation of rare earth elements from waste luminophores in the red algae, Galdieria phlegrea. Waste Biomass Valor. 2021; 12: 3137-46. CrossRef
Collins T, Margesin R. Psychrophilic lifestyles: mechanisms of adaptation and biotechnological tools. Appl Microbiol Biotechnol. 2019; 103(7): 2857-71. CrossRef
Corbett LL, Parker DL. Viability of lyophilized cyanobacteria (blue-green algae). Appl Environ Microbiol. 1976; 32(6): 777-80. CrossRef
Cvetkovska M. Algae use the underwater light spectrum to sense depth. Nature. 2025; 637(8046): 553-4. CrossRef
Dai JL, He YJ, Chen HH, Jiang JG. Dual roles of two malic enzymes in lipid biosynthesis and salt stress response in Dunaliella salina. JAFC. 2023; 71(45): 17067-79. CrossRef
Daily WA, McGuire JM. Preservation of some algal cultures by lyophilization. Butl Univ Bot Stud. 1954; 11(8/17): 139-43.
Day JG, Brand JJ. Cryopreservation methods for maintaining microalgal cultures. In: Andersen RA, editor. Algal culturing techniques. London: Elsevier Academic Press; 2005. p. 165-87. CrossRef
Day JG, Fleck RA. Cryo-injury in algae and the implications this has to the conservation of micro-algae. Microalgae Biotechnol. 2015;1(1):1-11. CrossRef
Day JG, Watanabe MM, Turner MF. Ex situ conservation of protistan and cyanobacterial biodiversity: CCAP-NIES collaboration 1991-1997. Phycol Res. 1998; 46(s2): 77-83. CrossRef
Dubey S, Chen CW, Haldar D, et al. Advancement in algal bioremediation for organic, inorganic, and emerging pollutants. Environ Pollut [Internet]. 2023 Jan 15 [cited 08.03.2025]; 317: 120840. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0269749122020553 CrossRef
Ermilova E. Cold stress response: an overview in Chlamydomonas. Front Plant Sci [Internet] Sep 03 [cited 28.02.2025]; 2020; 11: 569437. Available from: https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2020.569437/full CrossRef
Fernandez-Valenzuela S, Chavez-Ruvalcaba F, Beltran-Rocha JC, et al. Isolation and culturing axenic microalgae: mini-review. Open Microbiol J. 2021; 15(1): 111-9. CrossRef
Foo SC, Mok CY, Ho SY, Khong NM. Microalgal culture preservation: Progress, trends and future developments. Algal Res [Internet]. 2023 Feb 23 [cited 25.02.2025]; 71(1): 103007. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211926423000401 CrossRef
Foo SC, Lee ZS, Yap MKK, Tan JW. The antioxidant, wound healing properties and proteomic analysis of water extracts from the tropical cyanobacteria, Nostoc NIES-2111_MUM004. 3Biotech [Internet]. 2023 Feb 02 [cited 17.04.2025]; 13(2): 71. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s13205-022-03448-0 CrossRef
Gan S, Liang S, Zou Q, Shang C. Optimization of carotenoid extraction of a halophilic microalgae. PloS One [Internet]. 2022 Aug 2 [cited 15.04.2024]; 17(8): e0270650. Available from: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0270650 CrossRef
Garrido-Cardenas JA, Han X, Alonso DL, Garcia-Maroto F. Evaluation and optimization of a methodology for the long-term cryogenic storage of Tetradesmus obliquus at -80 °C. Appl Microbiol Biotechnol. 2019; 103(5): 2381-90. CrossRef
Gharajeh HN, Valizadeh M, Dorani E, Hejazi MA. Biochemical profiling of three indigenous Dunaliella isolates with main focus on fatty acid composition towards potential biotechnological application. Biotechnol Rep [Internet]. 2020 June 2 [cited 11.03.2025]; 26: e00479. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215017X20301235 CrossRef
Hamlaoui S, Yéprémian C, Duval C, et al. The culture collection of cyanobacteria and microalgae at the French National Museum of Natural History: A century old but still alive and kicking! Including in memoriam: Professor Alain Couté. Cryptogamie, Algologie. 2022; 43: 41-83. CrossRef
Henchion M, Hayes M, Mullen AM, et al. Future protein supply and demand: Strategies and factors influencing a sustainable equilibrium. Foods [Internet]. 2017 July 20 [cited 13.03.2025]; 6: 53. Available from: https://www.mdpi.com/2304-8158/6/7/53 CrossRef
Hepburn C, Adlen E, Beddington J, et al. The technological and economic prospects for CO2 utilization and removal. Nature. 2019; 575(7781): 87-97. CrossRef
Holm-Hansen O. Viability of blue-green and green algae after freezing. Physiol Plant. 1963; 16(3): 530-40. CrossRef
Hosseini A, Shariati M. Dunaliella biotechnology: Methods and applications. J Appl Microbiol. 2009; 107: 14-35. CrossRef
Hosseinizand H, Sokhansanj S, Lim CJ. Studying the drying mechanism of microalgae Chlorella vulgaris and the optimum drying temperature to preserve quality characteristics. Dry Technol. 2017; 36(9): 1049-60. CrossRef
Hyrslova I, Krausova G, Mrvikova I, et al. Functional properties of Dunaliella salina and its positive effect on probiotics. Mar Drugs [Internet]. 2022 Dec 15 [cited 09.03.2025]; 20: 781. Available from: https://www.mdpi.com/1660-3397/20/12/781 CrossRef
Jang HK, Kang JJ, Lee JH, et al. Comparison of annual biosynthetic calorie productions by phytoplankton in different southern Korean bays. Frontiers in Marine Science [Internet]. 2024 July 29 [cited 13.03.2025]; 11: 1367137. Available from: https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2024.1367137/full CrossRef
Kihika JK, Wood SA, Rhodes L, et al. Cryoprotectant treatment tests on three morphologically diverse marine dinoflagellates and the cryopreservation of Breviolum sp. (Symbiodiniaceae). Sci Rep [Internet]. 2022 Jan 13 [cited 03.03.2025]; 12: 646. Available from: https://www.nature.com/articles/s41598-021-04227-2 CrossRef
Kugler A, Kumari P, Kokabi K, et al. Resilience to freezing in the vegetative cells of the microalga Lobosphaera incisa (Trebouxiophyceae, Chlorophyta). J Phycol. 2020; 56(2): 334-45. CrossRef
Lam W, Lee TC, Tam NF, et al. Bacteria associated with Karenia mikimotoi in modulating its ichthyotoxicity. Mar Pollut Bull [Internet]. 2025 July 1 [cited 16.04.2025]; 216: 117939. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0025326X2500414X CrossRef
Leão PN, Martins TP, Abt K, et al. Incorporation and modification of fatty acids in cyanobacterial natural products biosynthesis. Chem Comm. 2023; 59(30): 4436-46. CrossRef
Margesin R, Miteva V. Diversity and ecology of psychrophilic microorganisms. Res Microbiol. 2011; 162(3): 346-61. CrossRef
Marx JG, Carpenter SD, Deming JW. Production of cryoprotectant extracellular polysaccharide substances (EPS) by the marine psychrophilic bacterium Colwellia psychrerythraea strain 34H under extreme conditions. Can J Microbiol. 2009; 55(1): 63-72. CrossRef
Mazur P. Freezing of living cells: mechanisms and implications. Am J Physiol. 1984; 247(3): 125-42. CrossRef
Mock T. Algal model species for advancing biological sciences. J Phycol. 2023; 59(1): 1-3. CrossRef
Mokrosnop VM, Zolotareva EK. [Accumulation of α-tocopherol in microalgae cells]. Microbiol Biotechnol. 2021; (2): 6-26. Ukrainian. CrossRef
Morris GJ, Clarke A. The cryopreservation of Chlorella. 4. Accumulation of lipid as a protective factor. Arch Microbiol. 1978; 119(2): 153-6. CrossRef
Morris GJ, McGrath JJ. Intracellular ice nucleation and gas bubble formation in Spirogyra. Cryo Letters. 1981; 2: 341-52.
Morris GJ. Cryopreservation of 250 strains of Chlorococcales by the method of two-step cooling. Br Phycol J. 1978; 13(1): 15-24. CrossRef
Morris GJ. The cryopreservation of Chlorella. 2. Effect of growth temperature on freezing tolerance. Arch Microbiol. 1976; 107(3): 309-12. CrossRef
Morschett H, Tenhaef N, Hemmerich J, et al. Robotic integration enables autonomous operation of laboratory scale stirred tank bioreactors with model-driven process analysis. Biotechnol Bioeng. [Internet]. 2021 Apr 19 [cited 16.04.2025]; 118(7): 275969. Available from: https://analyticalsciencejournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.27795 CrossRef
Nagao M, Ozaki T, Fukuda H, et al. Alkane biosynthesis gene expression and its increased production in recombinant cyanobacteria. FEBS Open Bio. 2025; 15(6): 949-62. CrossRef
Ortiz-Martínez VM, Andreo-Martínez P, García-Martínez N, et al. Approach to biodiesel production from microalgae under supercritical conditions by the PRISMA method. Fuel Process Technol. 2019; 191: 211-22. CrossRef
Oslan SNH, Shoparwe NF, Yusoff AH, et al. A review on Haematococcus pluvialis bioprocess optimization of green and red stage culture conditions for the production of natural astaxanthin. Biomolecules [Internet]. 2021 Feb 10 [cited 13.03.2025]; 11(2): 256. Available from: https://www.mdpi.com/2218-273X/11/2/256 CrossRef
Piasecki BP, Diller KR, Brand JJ. Cryopreservation of Chlamydomonas reinhardtii: a cause of low viability at high cell density. Cryobiology. 2009; 58(1): 103-9. CrossRef
Prieto A, Pedro Canavate J, Garcia-Gonzalez M. Assessment of carotenoid production by Dunaliella salina in different culture systems and operation regimes. J Biotechnol. 2011; 151: 180-5. CrossRef
Prieto-Guevara M, Alarcon-Furnieles J, Jimenez-Velasquez C, et al. Cryopreservation of the microalgae Scenedesmus sp. Cells [Internet]. 2023 Feb 09 [cited 11.03.2025]; 12: 562. Available from: https://www.mdpi.com/2073-4409/12/4/562 CrossRef
Puente-Sanchez F, Macias-Perez LA, Campbell KL, et al. Bacterioplankton taxa compete for iron along the early spring-summer transition in the Arctic Ocean. Ecol Evol [Internet]. 2024 June 18 [cited 16.04.2025]; 14(6): e11546. Available from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.11546 CrossRef
Ramaraj S, Niran J. Modified medium for enhanced growth of Dunaliella strains. Int J Curr Sci. 2013; 5: 67-73.
Raymond JA, Morgan-Kiss R, Stahl-Rommel S. Glycerol is an osmoprotectant in two Antarctic Chlamydomonas species from an ice-covered saline lake and is synthesized by an unusual bidomain enzyme. Front Plant Sci [Internet]. 2020 Aug 20 [cited 13.02.2025]; 11: 1259. Available from: https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2020.01259/full CrossRef
Remias D, Prochazkova L, Nedbalova L, et al. Novel insights in cryptic diversity of snow and glacier ice algae communities combining 18S rRNA gene and ITS2 amplicon sequencing. FEMS Microbiol Ecol [Internet]. 2023 Dec 12 [cited 17.04.2025]; 99(12): 134. Available from: https://academic.oup.com/femsec/article/99/12/fi ad134/7330195 CrossRef
Rojas-Villalta D, Rojas-Rodriguez D, Villanueva-Ilama M, et al. Exploring extremotolerant and extremophilic microalgae: new frontiers in sustainable biotechnological applications. Biology [Internet]. 2024 Sep 11 [cited 04.03.2025]; 13(9): 712. Available from: https://www.mdpi.com/2079-7737/13/9/712 CrossRef
Schulze PSC, Hulatt ChJ, Morales-Sanchez D, et al. Fatty acids and proteins from marine cold adapted microalgae for biotechnology. Algal Res. [Internet]. 2019 Sep 6 [cited 13.03.2025]; 42: 101604. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S22119264193012862 CrossRef
Song H, He M, Wu C, et al. Global transcriptomic analysis of an Arctic Chlorella-Arc reveals its eurythermal adaptivity mechanisms. Algal Res [Internet]. 2020 Jan 21 [cited 13.03.2025]; 46: 101792. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211926419309427 CrossRef
Soru S, Malavasi V, Concas A, et al. A novel investigation of the growth and lipid production of the extremophile microalga Coccomyxa melkonianii SCCA 048 under the effect of different cultivation conditions: Experiments and modeling. Chem Eng J [Internet]. 2019 Dec 1 [cited 13.03.2025]; 377: 120589. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589471832521X CrossRef
Stock W, Willems A, Mangelinckx S, et al. Selection constrains lottery assembly in the microbiomes of closely related diatom species. ISME Commun [Internet]. 2022 Feb 02 [cited 16.04.2025]; 2(1): 11. Available from: https://academic.oup.com/ismecommun/article/2/1/11/7461074 CrossRef
Taylor R, Fletcher RL. Cryopreservation of eukaryotic algae - a review of methodologies. J Appl Phycol. 1998; (10): 481-501. CrossRef
Tzovenis I, Triantaphyllidis G, Naihong X, et al. Cryopreservation of marine microalgae and potential toxicity of cryoprotectants to the primary steps of the aquacultural food chain. Aquaculture. 2004; 230(1-4): 457-73. CrossRef
Valledor L, Furuhashi T, Hanak AM, Weckwerth W. Systemic cold stress adaptation of Chlamydomonas reinhardtii. Mol Cell Proteomics. 2013; 12(8): 2032-47. CrossRef
Verspreet J, Schoeters F, Bastiaens L. The impact of non-concentrated storage on the centrifugation yield of Microchloropsis gaditana: a pilot-scale study. Life [Internet]. 2024 Jan 17 [cited 07.05.2025]; 14(1): 131. Available from: https://www.mdpi.com/2075-1729/14/1/131 CrossRef
Vozovyk K, Shevchenko N. [Effect of low temperature storage conditions on the viability of microalgae Chlorococcum dissectum]. The Journal of V.N. Karazin Kharkiv National University. Series «Biology». 2022; 39: 12-9. Ukrainian. CrossRef
Yaremich AV, Karamushka Vl, Kramarenko AO. Remote control of micro algae cultivation under conditions of growth medium regulation. Hydrobiological Journal. 2021; 57(1): 48-54. CrossRef
Zhang H, Yan Q, An Z, Wen Z. A revolving algae biofilm-based photosynthetic microbial fuel cell for simultaneous energy recovery, pollutants removal, and algae production. Front Microbiol [Internet]. 2022 Oct 12 [cited 17.04.2025]; 13: 990807. Available from: https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2022.990807/full CrossRef
Zolotarova OK, Mykhailenko NF, Syvash OO, Shniukova YeI. [Prospects for the use of microalgae in biotechnology.] Kyiv: Alterpres; 2008. 234 p. Ukrainian.
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
