Diatoméer, Bacillariophyceae

Kiselalger

I støvkornstørrelse surrer de hvileløst rundt i havet. Men forstørrer man de små kornene kan man se inn i en fargerik og underfundig verden. Algene påvirker hverdagen vår på mikronivå og de store kretsløpene i verden på makronivå. De er på samme tid både symptom, problem, løsning og mysterier. 

Kiselalgen står i sentrum da den er en spesialist på nordområdene og har enormt mye å si for alt som lever, samtid gir Prymnesiumen hodebry da den står for død av oppdrettsfisk, Chlamydomonas har lært mennesker uvurderlige ting om celler og oss selv og Chlorellaen er et godt eksempel på teknologiens utnyttelse av mikroorganismers.

I støvkornstørrelse surrer de hvileløst rundt i havet. Men forstørrer man de små kornene 400 ganger – ser man inn i en fargerik og underfundig verden (SAF gbg).

Alger og kiselalgen

  • Alger er en fellesbetegnelse på en mengde vannplanter, fra encellede arter til tang på mange meter.
  • Alger utgjør det meste av jordas biomasse
  • Kiselalger eller diatomeer er en klasse alger som finnes i innsjøer, fersk- og saltvann, i fuktige miljøer på land og i polare strøk.
  • Kiselalger er en av hovedkomponentene i planteplanktonet i norske havområder og i andre hav.
  • Det er kiselalgene som hver vår danner algeoppblomstringen i norske kystfarvann.

I økosystemet

20-25 % av oksygenet vi puster inn kommer fra kiselalger. Kiselalger danner grunnlaget for næringsnettet og spises av alt fra mikroskopiske ciliater til store hvaler.

Hvor lever den?

Kiselalger kan finnes overalt der det er fuktighet og noe tilgjengelig lys: i havet, på havbunnen, i innsjøer, i og på is – til og med på hulevegger!

Hvem er den?

Kiselalger er encellede mikroskopiske alger, med cellevegger som består av silisiumdioksid. Celleveggen har et veldig spesifikt mønster av bittesmå porer, som tillater utveksling av næringsstoffer og avfallsstoffer. Hvert mønster er artsspesifikk.

Fossiler indikerer at kiselalger har eksistert i minst 200 millioner år. Antall kiselalgerarter er estimert til rundt 20 000 – 2 000 000. Nye arter identifiseres og beskrives fortløpende. Hver enkelt alge er kun 0,005 til 0,2 mm stor. Alle artene har skall av silisium, og skallet består av et lokk og en bunn.

Algen har valgt et vanskelig tilgjengelig materiale

I motsetning til de fleste andre algetyper som finnes, omgir kiselalgen seg med et skall bestående av silisium – det samme materialet glass er laget av.

Silisiumskallet sørger for at algen holdes sammen, og at den får en beskyttelse mot omgivelsene. Derimot må to nye halve skall produseres hver gang en alge skal formere seg ved å dele seg i to, og silisium er en råvare som ikke er kontinuerlig tilgjengelig for algene.

Skallene har hull i ulike mønstre. Oppbygningen av skallet er ulik, men alle alger innen samme art har likt mønster på skallet. Det tyder på at skallproduksjonen er genetisk styrt.

Skallet fungerer som linse

Mikroskopbilde av algeskallets utside. Nanostrukturene i skallet fungerer som en linse, og gjør at algen i større grad kan utnytte sollyset i fotosyntesen (NTNU).
Mikroskopbilde av innsiden av algeskallets lokk. Nanostrukturene i skallet gjør at lys som trenger gjennom skallet ikke forsvinner ut igjen, men utnyttes fullt ut (NTNU).

Til fotosyntesen benytter ikke algecellene seg av alle delene av lysspekteret. Forskerne sendte lys med forskjellig bølgelengde gjennom skallet. Da de målte lyset som kom ut på baksiden av skallet, så de at lyset var annerledes i to spesifikke områder av lysspekteret. For disse bølgelengdene var lyset blitt forsterket.

Skallet er altså spesialdesignet for å optimalisere forholdene for fotosyntese. Mønsteret i skallet er av helt spesiell betydning, fordi nanostrukturene skaper spesielle optiske egenskaper når det treffes av sollys.

Algene og oss

Algene kan brukes som:
  • Biodiesel
  • Bioalkohol
  • Det er mulig å gjøre visse endringer med slikt drivstoff, som gjør at det kan brukes i f.eks. jetfly-motorer
  • Fôr til fisker og husdyr
  • Mat og helsekost
  • Gjødsel
  • Kosmetikk
  • Solceller

Frustlene til algene har ett til tre lag med nanoporer, som kan brukes i flere industrielle applikasjoner. Dette materialet kan brukes til å øke effektiviteten til solcellepaneler på grunn av strukturens lysmanipulerende og fangeegenskaper. Strukturen blokkerer også blokk UV-lys effektivt, som kan utnyttes i f.eks. solkremer og plast. På grunn av materialets nanoporøsitet tar det også opp og frigjør kjemiske stoffer effektivt, noe som er nyttig i mange forskjellige bruksområder. 

Oljen som produseres av kiselalger er utmerket for fiskefôr eller til og med menneskelige kosttilskudd på grunn av innholdet av flerumettede fettsyrer.

Når kiselalger vokser (øker i antall), fanger de opp karbondioksid, nitrogen og fosfor. De er en naturlig drivhusgass-felle. Dette har Finnfjord prosjektet (se link i slutten av artikkel) brukt. Smelteverket har stått for så mye som en tredjedel av alle CO2-utslipp i Troms fylke, og dermed også representert en stor nasjonal utfordring på klima- og miljøsiden. En god ting er ar disse utslippene er på menyen til kiselalgen. Det er beregnet at 150.000 tonn CO2 omdannes til klimavennlig algebiomasse hvert år. Et råstoff som kan brukes til en rekke andre produkter, som fiskefor til oppdrettsfisken. Et smelteverk og oppdrettsanlegg vil aldri være et null-utslipps prosjekt, men det å se egenskapene til disse mikroorganismene gjør det til en prosess som kan dempe miljøavtrykket betydelig så lenge vi er bestemt på at vi trenger å ha ferrosilisium-produksjon i Nord-Norge.

Andre alger

Vi har grodd ulike alger for deres fargepigmenter i kloroplastene. Men de er også valgt for deres unike økologiske nøkkelfunksjon. Disse støvkornene påvirker hverdagen vår og verdens store kretsløp. Ved å dyrke dem opp kan vi få farger som kan sees med det blotte øyet, og dermed få disse organismene til å kanskje bli noe mer håndfast. 

Vi har bestilt algekulturer fra The Norwegian Culture Collection of Algae (NORCCA). De har en algebank med ulike isolerte alger fra årtier tilbake. Vi har dyrket det frem i et drivhus for å gi dem mest mulig sollys, der de har fått næring som har vært tilpasset hver og en alge. De har fått vokse i potter, norgesglass og større kasser. De har blitt ristet, rørt og fått omsorg. Videre har vi silt algene gjennom te-filter slik at vi får skilt av tørrmaterialet. Deretter har det blitt tørket og brukt som blekk i flere av illustrasjonene som har blitt skapt i prosjektet.  

Mikroskopbilde av Chlorella vulgaris blekket. (Hanna Halsebakke)

Prymnesium Parvum

Prymnesium parvum bor i en rekke vannforekomster, inkludert elver, innsjøer, elvemunninger, fjorder, kysthav og dammer, inkludert eutrofe, alkaliske og brakkvann. Under optimale forhold kan Prymnesium reprodusere seg raskt og danne en nesten monokulturell oppblomstring ved å frigjøre giftstoffer i vannet som immobiliserer eller dreper dyreplankton og annet planteplankton for å øke tilgjengelige matkilder.

Den er mixotrofe, det vil si at den for vekst bruker autotrofi (fotosyntese) eller heterotrofi (Næring fra andre organismer, enten levende eller døde). 

Under en Prymnesium -oppblomstring når toksinkonsentrasjonene er høye nok til å lysere cellene til dyreplankton og annet planteplankton, kan Prymnesium konsumere dem ved fagotrofi og absorbere det nylig frigjorte oppløste organiske materialet og effektivt motstå potensielle næringsbegrensninger som kommer fra deres raske vekst. Ettersom konkurransen reduseres, kan Prymnesium-oppblomstringer vokse og begynne å produsere toksinkonsentrasjoner som er i stand til å drepe større organismer, inkludert fisk og virvelløse dyr. 

De er innvasive og antas å være ballastvann fra global handel med akvakultur, og lokal spredning tilskrives transport av fugler, vind og menneskeskapte bevegelser (boreutstyr, vanntankere og fritidsbåter).

Prymnesium parvum produserer giftstoffer som kan ødelegge fiskegjeler, og kan drepe både fisk og andre vannlevende organismer. Tette sammensetninger av P. parvum fører til eutrofe forhold som gir store fisk- og dyredrap i både ferskvann i marine systemer rundt om i verden, inkludert akvakulturområder og oppdrettsanlegg.

Individuelle celler av gullalgen Prymnesium parvum (UiT)

Chlorella vulgaris

C. vulgaris er en grønn eukaryotisk mikroalge i slekten Chlorella, som har vært tilstede på jorden siden den prekambriske perioden (Prekambrium (jordens urtid) er den delen av jordens historie som er eldre enn kambrium (latin prae = «før»), dvs. tidsrommet fra jordens dannelse for 4 600 millioner år siden.)

Chlorella er en av de artene alger vi har brukt mest i teknologien. Den har blitt et vandrende eksempel på mennesklig nytte fra en mikroorganisme. Verdens årlige produksjon av de forskjellige artene av Chlorella var 2000 tonn (tørrvekt) i 2009, med hovedprodusentene Tyskland, Japan og Taiwan. Chlorella vulgaris er en kandidat for kommersiell produksjon på grunn av sin høye motstand mot ugunstige forhold og invaderende organismer. I tillegg er produksjonen av de ulike organiske makromolekylene av interesse (proteiner, lipider, stivelse). 

Bioremidering
Chlorella vulgaris har vært den foretrukne mikroalgen for flere bioremedieringsprosesser. På grunn av sin evne til å fjerne en rekke forurensninger som uorganiske næringsstoffer (nitrat, nitritt, fosfat og ammonium), gjødsel, vaskemidler, tungmetaller, plantevernmidler, farmasøytiske stoffer og andre nye forurensninger fra avløpsvann og avløp, karbondioksid og andre gasser.

Bioenergi
Chlorella vulgaris blir sett på som en lovende kilde til bioenergi. Det kan være et godt alternativ til biodrivstoffavlinger, som soyabønner, mais eller raps, siden det er mer produktivt og ikke konkurrerer med matproduksjon. Den kan produsere store mengder lipider, opptil 20 ganger mer enn avlinger som har en passende profil for biodieselproduksjon. Denne mikroalgen inneholder også store mengder stivelse, bra for produksjon av bioetanol. 

Matingrediens og kosttilskudd
Proteininnholdet til Chlorella vulgaris varierer fra 42 til 58 % av biomassens tørrvekt. Disse proteinene anses å ha en god ernæringsmessig kvalitet sammenlignet med standardprofilen for menneskelig ernæring til Verdens helseorganisasjon og Food and Agriculture Organization, ettersom algene syntetiserer aminosyrer. 

Lysmikroskopi av Chlorella vulgaris (UiT)

Chlamydomonas reinhardtii 

Chlamydomonas reinhardtii er en encellet grønnalge på omtrent 10 mikrometer i diameter som svømmer med to flageller. Den har en cellevegg laget av hydroksyprolinrike glykoproteiner, en stor koppformet kloroplast, en stor pyrenoid og en øyeflekk som registrerer lys.

En grunn til at Chlamydomonas er så spennende er at den brukes som modellorganisme for forskning på grunnleggende spørsmål innen celle- og molekylærbiologi som:

  • Hvordan beveger cellene seg?
  • Hvordan reagerer cellene på lys?
  • Hvordan gjenkjenner celler hverandre?
  • Hvordan genererer celler vanlige, repeterbare flagellære bølgeformer?
  • Hvordan regulerer cellene proteomet sitt for å kontrollere flagelllengden?
  • Hvordan reagerer cellene på endringer i mineralernæring? (nitrogen, svovel, etc.)

Ulike studier av C. reinhardtii har dypt avansert plante- og cellebiologi, og har også påvirket algebioteknologi og vår forståelse av menneskelig sykdom.

Transmisjonselektronmikrofotografi av et snitt gjennom en enkelt Chlamydomonas reinhardtii grønnalge (Chlorophyte), som viser kjernen (sentrum), kloroplast, stivelseskorn (mørke flekker, vakuoler, mitokondrier, øyeflekk og celleveggen (ytre lag). Chlamydomonas reinhardtii er en encellet organisme som brukes som modellsystem i molekylærgenetikkarbeid og flagellamotilitetsstudier (ScienceDirect).
Referanser og videre leseliste: