< Terug naar vorige pagina

Project

Isolatie, identificatie en ecologische controle van ciliaten in culturen van microalgen

In het voorbije decennium is gebleken dat biomassa verkregen van microalgen kan bijdragen aan de productie van voedsel, voeders, energie en chemicaliën naast de traditionele bronnen uit de land- en bosbouw. Microalgen worden doorgaans geproduceerd in grootschalige open systemen om de productie kost minimaal te houden. Alhoewel ‘open pond’ productie wereldwijd het meest gebruikelijk is, zijn deze systemen zeer vatbaar voor infecties met parasieten (virussen, bacteriën en schimmels), protozoa (amoeben, flagellaten en ciliaten), microcrustacea (radardiertjes, cladocera en eenoogkreefjtes) en ongewenste andere microalgen soorten. Van al deze mogelijke bedreigingen vormen ciliaten een belangrijke groep van grazers die actief microalgen biomassa consumeren. Populaties van ciliaten hebben hoge groeisnelheden in vergelijking met microalgen en bijgevolg resulteert dit vaak in sterke productieverliezen of een volledige vernietiging van de cultuur in enkele dagen. Ze komen zo vaak voor omdat ze gemakkelijk de cultuur binnendringen via rusteitjes die verspreid worden via de lucht of aanwezig zijn in het water voor aanmaken van cultuur medium. Tot op vandaag is er zeer weinig onderzoek verricht naar mogelijkheden om ciliaten uit grootschalige culturen te verwijderen. Het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek was om vaak voorkomende pestsoort ciliaten te isoleren, te identificeren en te controleren aan de hand van duurzame methoden.

In een eerste stap werd gefocust op het isoleren en identificeren van algivore ciliaten en het creëren van een modelsysteem om ciliaat-microalg interacties te bestuderen (hoofdstuk 2). Ciliaten werden geïsoleerd uit Chlamydomonas en Chlorella culturen verrijkt met ‘stof’ (afkomstig van daken, verharde terreinen en boomschors) en verscheidene niet-steriele water bronnen (regenwater, poelwater, grondwater en leidingwater). In het totaal werden hieruit 11 ciliaat strains geïsoleerd waarvan er 7 herbivoor waren. Alle soorten consumeerden enkel Chlamydomonas. De strains werden geïdentificeerd als Tetmemena pustulata, Stylonychia notophora, Sterkiella histriomuscorum, and Paramecium biaurelia and Platyophrya sp. op basis van morfologische observaties en moleculaire markers (partieel 18S rDNA sequenering).

Een tweede doelstelling van die project was om ciliaten in microalgan culturen te controleren met behulp van natuurlijke pesticiden. In natuurlijke ecosystemen produceren mariene microalgen chemische componenten die mogelijks een negatieve impact hebben op hun herbivoren: 2,4-decadienal, dimethyl sulfoniopropionate (DMSP), proline and glycine betaïne. We hebben getest of deze componenten gebruikt kunnen worden om de ciliaat Sterkiella te verdelgen in een Chlamydomonas cultuur (hoofdstuk 3). Daarnaast hebben we ook (methyl 3-(methylthio)propionate of MMP getest, een chemisch analoog is van DMSP. Alle getest chemicaliën konden de ciliaten na een blootstelling van 30 minuten verdelgen, maar bij hoge dosissen was er ook een negatieve impact op de microalgen. De optimale dosis waarbij ciliaten volledig uitgeroeid werden en het verlies aan microalgen biomassa productiviteit minimaal was 0.13 mM decadienal, 4.75 mM DMSP, 10 mM MMP, 250-300 mM proline en 250-300 mM glycine betaïne. Naast Sterkiella waren Stylonychia notophora en Paramecium biaurelia ook gevoelig voor deze componenten.

Glycine betaïne is een component met een quaternaire ammonium groep (QAG). Componenten met een QAG zijn gekend voor hun antibacteriële werking en ook toxisch voor protozoa en crustacea. Daarom werd cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), een QAG houdend industrieel desinfectiemiddel, getest om biologische contaminatie in microalgen culturen te controleren (hoofdstuk 4). De toxiciteit van CTAB werd getest bij Sterkiella, maar ook tegen ander types herbivoren: het raderdiertje Brachionus calyciflorus en de flagelaat Paraphysomonas sp.. CTAB kon de drie types grazers snel controleren (1-2 d) bij zeer lage dosissen (≤  3 µM) zonder een verlies in microalgen biomassa productiviteit te veroorzaken. Bij dosissen hoger dan 5 µM was er ook een negatief effect merkbaar op de groei van zowel Chlamydomonas als Chlorella.

Plantextracten worden vaak gebruikt voor de bestrijding van protozoa die aan de basis liggen van menselijke ziekten. Aangezien ciliaten ook protozoa zijn werden er 3 plantextracten getest om deze te verdelgen in microalgen culturen: knoflookolie (Allium sativum), kruidnagelolie (Syzygium aromaticum) en een extract van de bladeren van een walnootboom (Juglansregia) (hoofdstuk 5). De chemische samenstelling van de plantextracten werd bepaald met behulp van GC-MS en de actieve component in deze extracten werd ook geïsoleerd getest tegen ciliaten: diallyl disulfide uit knoflookolie, eugenol en β-caryophylleen uit kruidnagelolie en juglone uit walnootbladeren. Alle 3 deze extracten en de 4 zuivere componenten waren effectief om de ciliaat Oxytricha sp. te bestrijden in een Chlamydomonas cultuur. Alhoewel voor de meeste componenten de noodzakelijke dosis hoog was of de specificiteit laag (de LD50 voor Chlamydomonas was gelijkaardig aan de LD50 voor Oxytricha). Alleen knoflookolie en zijn actieve component diallyl disulfide waren effectief bij een lage dosis en hadden een relatief hoge specificiteit. De minimale noodzakelijk dosis van knoflookolie (~5 ppm) was lager dan deze van de pure component diallyl disulfide. Dit impliceert dat de activiteit van knoflookolie niet alleen bepaald wordt door dially disulfide maar ook door andere componenten in het extract. De lage toxiciteit van knoflookolie voor microalgen in combinatie met de lage kost van dit product maakt dat knoflookolie een aantrekkelijk natuurlijk alternatief is voor de bestrijding van ciliaten in microalgen culturen.

Finaal werd ook onderzocht of ciliaten gecontroleerd kunnen worden door toevoeging van een toppredator aan de microalgen cultuur (hoofdstuk 6). In natuurlijk ecosystemen behoren ciliaten tot het dieet van cyclopoïde eenoogkreeftjes of copepoden. Daarom werd getest of ciliaten met behulp van deze toppredator gecontroleerd kunnen worden in een microalgen cultuur. We isoleerden en identificeerden een carnivoor cyclopoïd eenoogkreeftje, Acanthocyclops robustus, en gebruikten deze om de ciliaat Sterkiella in een Chlamydomonas cultuur te controleren. Onze experimenten toonden aan dat deze toppredator een sterke begrazingdruk heeft op ciliaten en dat één eenoogkreeftje tot 400 ciliaten per dag consumeert. Een besmette cultuur met een densiteit van 10 ciliaten mL-1 kon in 1 dag gecontroleerd worden door 0.07 eenoogkreeftjes mL-1 toe te voegen. De volwassen eenoogkreeftjes en de juveniele stadia (copepodieten en nauplii) voeden zich niet met de microalg Chlamydomonas. Deze kleinschalige experimenten tonen aan dat eenoogkreeftjes potentieel hebben in de biologische bestrijding van ciliaten in microalgen culturen.

Datum:15 jul 2016  →  24 jun 2019
Trefwoorden:Grazer contamination control, microalgal cultures
Disciplines:Dierkundige biologie, Genetica
Project type:PhD project