Nannochloropsis Zucht

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Optimale Züchtung von Nannochloropsis salina

Die erfolgreiche Züchtung von Nannochloropsis salina hängt entscheidend von einer fein abgestimmten Balance zwischen Licht, Nährstoffen und Prozessführung ab. Licht ist die primäre Energiequelle für die Photosynthese, doch zu viel Intensität führt zu Stressreaktionen wie der Bildung von Schutzpigmenten und einer Reduktion der Wachstumsrate. Zu wenig Licht wiederum limitiert die Energieversorgung und damit die Biomasseproduktion. Optimal ist eine mittlere, gleichmäßig verteilte Lichtintensität, die den Photosyntheseapparat auslastet, ohne ihn zu überfordern.

Ebenso wichtig ist die Nährstoffversorgung. Stickstoff und Phosphor sind zentrale Bausteine für Zellwachstum und Pigmentsynthese. Ein Überangebot kann zwar das Wachstum beschleunigen, führt aber nicht zwangsläufig zu einer höheren Qualität der Inhaltsstoffe. Eine gezielte Limitierung bestimmter Nährstoffe kann hingegen die Lipidproduktion steigern, was für biotechnologische Anwendungen interessant ist, jedoch die Gesamtbiomasse reduziert. Für die Aquakultur als Futterorganismus ist daher ein ausgewogenes Nährstoffangebot entscheidend, um stabile Zellzahlen und eine konstante Fettsäurezusammensetzung zu gewährleisten.

Die Prozessführung bildet das dritte Standbein dieser Balance. Besonders die sogenannte turbidostatische Kulturführung – also eine Methode, bei der die Trübung und damit die Zelldichte konstant gehalten wird – sorgt für stabile Bedingungen. Durch die kontinuierliche Anpassung von Nährstoffzufuhr und Lichtverfügbarkeit werden Schwankungen minimiert und die Kulturen bleiben gleichmäßig. Dies erlaubt eine präzise Steuerung der Wachstumsbedingungen und macht die Ergebnisse reproduzierbar. Im Gegensatz zu Batch-Kulturen, die oft von Nährstoff- und Lichtgradienten geprägt sind, bietet die turbidostatische Kulturführung eine kontrollierte Umgebung, in der die physiologischen Anpassungen der Alge gezielt genutzt werden können.

Die Dissertation von Maren Hoffmann (Christian-Albrechts-Universität Kiel, 2010) zeigt ergänzend, dass optimale Wachstumsraten und Pigmentkonzentrationen bei 26 °C und voller Nährstoffversorgung erreicht werden. Eine Nitratlimitierung wirkt sich deutlich stärker auf Wachstum und Pigmentgehalt aus als eine Phosphatlimitierung oder moderate Temperaturänderungen. Interessant ist, dass die photochemische Effizienz nur dann deutlich sinkt, wenn mehrere Stressoren kombiniert auftreten (z. B. Nitratmangel und Temperaturabweichung). Für die Lipidproduktion gilt: Nitratlimitierung steigert den Gesamtfettsäuregehalt (TFA), während volle Nitratversorgung den Anteil an EPA-Fettsäuren erhöht. Niedrige Temperaturen können diese Effekte zusätzlich verstärken. Phosphatmangel hingegen zeigt kaum Einfluss auf die Fettsäurezusammensetzung. Damit ergeben sich klare Züchtungsstrategien: Für hohe Biomasse und Pigmentproduktion sind optimale Temperaturen und volle Nährstoffversorgung entscheidend, für gezielte Lipidproduktion hingegen eine kontrollierte Nitratlimitierung kombiniert mit niedrigen Temperaturen.

Zusammengefasst entsteht die optimale Züchtung aus dem Zusammenspiel dieser drei Faktoren: Licht liefert Energie, Nährstoffe stellen die Bausteine bereit, und die Prozessführung sorgt für Stabilität und Kontrolle. Nur wenn alle drei Elemente im Gleichgewicht stehen, lassen sich sowohl hohe Biomasseerträge als auch die gewünschte Qualität an Lipiden und Pigmenten erzielen – eine Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Nannochloropsis salina in Aquakultur und Biotechnologie.

Detaillierte Ergebnisse zur Balance von Licht, Nährstoffen und Prozessführung

1. Licht

  • Photosyntheseleistung: Bei mittlerer Lichtintensität arbeitet der Photosyntheseapparat effizient, die Energie wird direkt in Biomasse umgesetzt.
  • Hohe Lichtintensität: Führt zu Photoinhibition – die Alge schützt sich durch vermehrte Bildung von Carotinoiden (z. B. Violaxanthin, Zeaxanthin). Das senkt die Netto-Wachstumsrate, erhöht aber die Stressresistenz.
  • Niedrige Lichtintensität: Reduziert die Energieversorgung, die Zellen bleiben klein und pigmentreich, die Biomasseproduktion sinkt.
  • Praxisrelevanz: Gleichmäßige Lichtverteilung im Kulturmedium ist wichtiger als maximale Intensität. Flache Reaktoren oder gute Durchmischung sind entscheidend. 2.000–5.000 Lux gelten als guter Richtwert für stabile Kulturen. Über 10.000 Lux (über 150 µmol m⁻² s⁻¹) kann die Alge gestresst reagieren. Unter 1.000 Lux (unter 20 µmol m⁻² s⁻¹) reicht die Energie nicht für aktives Wachstum.

2. Nährstoffe

  • Stickstoff (N):
    • Überschuss: fördert schnelles Wachstum, hohe Protein- und Chlorophyllgehalte.
    • Limitierung: reduziert Wachstum, steigert Lipidakkumulation (v. a. EPA-reiche Fettsäuren).
  • Phosphor (P):
    • Wichtig für Nukleinsäuren und Membranlipide.
    • Limitierung führt zu verlangsamtem Zellzyklus und verändertem Lipidprofil.
  • Spurenelemente (Fe, Mg, Mn):
    • Essenziell für Enzyme der Photosynthese und Pigmentsynthese.
    • Mangel → Chlorose, verlangsamtes Wachstum.
  • Praxisrelevanz: Für Aquakultur-Futter ist ein ausgewogenes Nährstoffangebot optimal, für biotechnologische Lipidproduktion kann gezielte Limitierung sinnvoll sein. Die „richtigen“ Nährstoffverhältnisse hängen vom Ziel ab:
    • Hohe Biomasse und stabile Qualität → f/2-Medium mit N:P ≈ 16:1, Spurenelementen und Vitaminen.
    • Gezielte Lipidproduktion → Stickstofflimitierung bei gleichbleibendem Phosphor.

3. Prozessführung (turbidostatisch)

  • Definition: Die Kultur wird so geregelt, dass die Trübung (Zelldichte) konstant bleibt. Das bedeutet: Nährstoffzufuhr und Lichtverfügbarkeit werden kontinuierlich angepasst.
  • Vorteile:
    • Stabile Wachstumsbedingungen ohne starke Schwankungen.
    • Reproduzierbare Ergebnisse, da die Algen nicht zwischen „Überschuss“ und „Mangel“ wechseln.
    • Ermöglicht gezielte Steuerung von Stoffwechselwegen (z. B. Lipidbildung vs. Proteinproduktion).
  • Vergleich zu Batch-Kulturen:
    • Batch: Nährstoffe nehmen ab, Zelldichte steigt unkontrolliert, Licht wird ungleich verteilt → Stressreaktionen.
    • Turbidostatisch: konstante Bedingungen, bessere Kontrolle über Produktqualität.

4. Adaptionsmechanismen

  • Pigmentregulation: Anpassung von Chlorophyll- und Carotinoidanteilen je nach Licht.
  • Lipidstoffwechsel: Umschaltung zwischen Biomasseproduktion (bei Nährstoffüberschuss) und Fettsäureakkumulation (bei Limitierung).
  • Zellgröße und Morphologie: Zellen bleiben bei optimalen Bedingungen kompakt und teilungsaktiv, bei Stressbedingungen kleiner und pigmentreicher.
  • Resistenz: Turbidostatische Führung erhöht die Robustheit gegenüber Schwankungen, da die Algen kontinuierlich „trainiert“ werden, sich an konstante Bedingungen anzupassen.

5. Bedeutung für die Züchtung

  • Aquakultur-Futter: Ziel ist hohe Biomasse mit stabiler Fettsäurezusammensetzung → mittlere Lichtintensität, ausgewogene Nährstoffversorgung, turbidostatische Führung.
  • Biotechnologie (Lipide, Pigmente): Ziel ist gezielte Produktion bestimmter Inhaltsstoffe → kontrollierte Limitierung von Stickstoff oder Phosphor, kombiniert mit stabiler Prozessführung.
  • Allgemein: Nur durch die Balance von Licht, Nährstoffen und Prozessführung lassen sich Kulturen erzeugen, die sowohl ertragreich als auch qualitativ hochwertig sind.

Mehr Informationen: Dissertation von Maren Hoffmann, Physiologische Untersuchungen parameterinduzierter Adaptionsantworten von Nannochloropsis salina in turbidostatischen Prozessen und deren biotechnologischer Potentiale, Christian-Albrechts-Universität Kiel, 2010

 

Praktische Rezeptur zur Nährstoffversorgung für 1 Liter f/2-Medium

Hauptnährstoffe

  • Natriumnitrat (NaNO₃): 75 mg
  • Natriumdihydrogenphosphat (NaH₂PO₄ · H₂O): 5 mg

Spurenelemente

  • Natrium-Eisen-EDTA (Na₂FeEDTA): 4.36 mg
  • Natrium-Eisenchlorid (FeCl₃ · 6H₂O): 3.15 mg
  • Natriummolybdat (Na₂MoO₄ · 2H₂O): 0.01 mg
  • Kupfersulfat (CuSO₄ · 5H₂O): 0.01 mg
  • Zinksulfat (ZnSO₄ · 7H₂O): 0.022 mg
  • Kobaltchlorid (CoCl₂ · 6H₂O): 0.01 mg
  • Manganchlorid (MnCl₂ · 4H₂O): 0.18 mg

Vitamine

  • Thiamin (Vitamin B₁): 0.1 mg
  • Biotin: 0.0005 mg
  • Cyanocobalamin (Vitamin B₁₂): 0.0005 mg

Hinweise zur Anwendung

  • Das Medium wird mit künstlichen Meerwasser (Salinität ca. 30–35 PSU) angesetzt.
  • Vor der Zugabe der Nährstoffe sollte das Wasser sterilisiert oder gefiltert werden.
  • Die Nährstoffe werden meist als Stammlösungen hergestellt und dann in definierter Menge zugegeben (praktisch: 1 ml Stammlösung pro Liter Kultur).
  • Das Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor entspricht etwa dem Redfield-Verhältnis (16:1), das für ausgewogenes Wachstum sorgt.