Veden ravinnepitoisuuden vaikutus makrolevien lipidimäärään ja rasvahappokoostumukseen

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20180115181
Title: Veden ravinnepitoisuuden vaikutus makrolevien lipidimäärään ja rasvahappokoostumukseen
Alternative title: The effect of nutrient concentration on the total lipid content and fatty acid composition of macroalgae
Author: Jernström, Janni
Other contributor: Helsingin yliopisto, Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta, Ympäristötieteiden laitos
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Helsingfors universitet, Bio- och miljövetenskapliga fakulteten, Miljövetenskapliga institutionen
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2015
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20180115181
http://hdl.handle.net/10138/153558
Thesis level: master's thesis
Discipline: Aquatic Sciences
Marine Biology
Akvaattiset tieteet
Meribiologia
Akvatiska vetenskape
Marinbiologi
Abstract: The chemical composition of macroalgae varies between species, habitat and environmental conditions. The lipid content of macroalgae changes between seasons and different environmental factors such as light, nutrient levels and temperature. The lipid levels are higher during winter and spring than in the summer. Macroalgae from the cold water are richer in polyunsaturated fatty acids (PUFAs) than macroalgae from the warm waters. Nutrient limitation increases the synthesis of lipids in macroalgae. Studies show also that brown macroalgae (Phaeophyceae) have higher lipid content than green (Chlorophyta) and red (Rhodophyta) macroalgae. Macroalgae produce neutral lipids mainly triacylglycerols (TAGs) under stress condition so they shift from membrane lipid synthesis to storage lipid synthesis. The content of triacylglycerols in macroalgae is of interest because triacylglycerols can be used as bases of biodiesel. In the experiment we wanted to define the application of Baltic Sea macroalgae as raw material for biodiesel. We also studied how the different levels of nutrients affect the content of total lipids and fatty acid composition in the studied macroalgae. The hypothesis was that the studied macroalgae would produce more lipids in nutrient limited conditions than in nutrient replete conditions. At the same time, the differences between the content of lipids between macroalgae species was examined. Two green macroalgae and one red macroalgae species were used in the experiment (Ulva intestinalis, Cladophora glomerata and Ceramium tenuicorne) to study the total lipid content and the fatty acid composition of the macroalgae. The macroalgae species were selected because they are typical macroalgae species in the Baltic Sea's littoral zone. The experiment was conducted as a factor experiment for 10 days in August and October in the Tvärminne Zoological Station. The experiments nutrient treatments were designed as to study the effect of nitrogen and phosphorus separately and together on macroalgae lipid content. The macroalgae lipids were extracted with chloroform:methanol (2:1 -vol/vol) mixture. The macroalgae lipids and the fatty acid composition were studied with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) from extracted and esterified fatty acid methyl esters (FAMEs). We also fractionated the neutral lipids from the total lipids to quantify the amount of neutral lipids. The total lipid content of the studied macroalgae species varied between specie but not between nutrient treatments. The total lipids contents ranged from 31 to 193 mg l-1, with the lowest total lipid content found in U. intestinalis in the October experiment. The total lipid content of the macroalgae accounted only 2% of the macroalgae species dry weight. The total fatty acid content of the studied macroalgae species ranged from 0,7 to 9,0 mg l-1with the highest values found in C. glomerata and the lowest in U. intestinalis in the October experiment. The total fatty acid content differed between species but not between nutrient treatments. The fatty acid composition of the macroalgae varied slightly but there were similarities between the fatty acid compositions between the studied species. The saturated fatty acid contents were the highest among the studied macroalgae (42,0-49,7%). U. intestinalis in the August and October experiment contained more polyunsaturated fatty acids (PUFAs) (45,1%; 46,9%) than C. glomerata (23,2%) and C. tenuicorne (22,8%). The major fatty acid was the palmitic acid (C16:0) in all the studied macroalgae species (32,3-45,7% of total fatty acids). The neutral lipid amount from U. intestinalis differed between August and October specimens but didn't differ between nutrient treatments. The neutral lipid content ranged from 0,6 to 4,2 mg l-1 with the lowest amounts found in U. intestinalis from Octobers experiment. The fatty acid composition of the neutral lipids in U. intestinalis resembled one another. The total lipid content of the studied macroalgae was different from results of other studies made by macroalgae because the sampling location and the season affects the total lipid content of macroalgae. The low amounts of total lipids and fatty acids in U. intestinalis in October can be explained by the fact, that U. intestinalis was not healthy at the time of the experiment. Comparing the total lipid contents of the macroalgae is therefore difficult because of the rundown nature of the U. intestinalis in October. The studied macroalgae didn't contain the highest amounts of lipids in the nutrient deprived conditions because the macroalgae experienced shortage of nitrogen for example in the control and added phosphorus treatments. The macroalgae should have been given the opportunity to adjust to the new conditions before the experiment. The different water temperature between the August and October experiment could account more of the differences between the total lipid content of the macroalgae than the nutrient treatments. The fatty acid composition of the macroalgae was similar to those reported from other studied. The low amount of fatty acids supports the findings of the studies because typically most lipids are bound to membranes such as glycolipids and phospholipids. On the other hand, the high saturated fatty acid content reveals that the macroalgae were in stress conditions. The macroalgae are suited as raw material for biodiesel because of the high total lipid and saturated fatty acid content of the macroalgae species. The macroalgae could be grown to produce more lipids in nutrient deprived than in nutrient saturated conditions by choosing the suited macroalgae and the optimal sampling season. The total lipid content of macroalgae can be enhanced with two-stage nitrogen supply growth strategy which has been demonstrated in the microalgae Chlorella vulgaris. In the first stage the macroalgae could be grown in nitrogen replete conditions to optimize biomass productivity. In the second stage the macroalgae would be grown in nitrogen limited conditions to increase lipid content.Makrolevien kemiallinen koostumus vaihtelee paljon lajien, elinympäristön ja ympäristötekijöiden mukaan. Erityisesti makrolevien lipidimäärä vaihtelee vuodenajoittain ja eri ympäristömuuttujien, kuten valon, ravinteiden, suolaisuuden ja lämpötilan mukaan. Makrolevien lipidit voidaan jakaa varastolipideihin eli neutraaleihin lipideihin, glykolipideihin ja fosfolipideihin. Talvella ja keväällä makrolevät sisältävät enemmän lipidejä kuin kesällä. Kylmissä vesissä makrolevät sisältävät enemmän monityydyttymättömiä rasvahappoja (PUFA, polyunsaturated fatty acid) kuin lämpimien vesien levät. Niukkaravinteisuus lisää makrolevien lipidien tuotantoa perustuotannon kustannuksella. Makroleväryhmistä ruskolevät (Phaeophyceae) sisältävät enemmän lipidejä kuin viherlevät (Chlorophyta) ja punalevät (Rhodophyta). Makrolevien lipideistä erityisesti neutraaleista lipideistä ollaan kiinnostuneita biopolttoaineiden raaka-aineena. Neutraalilipideistä triasyyliglyserolit (TAG) ovat hyvä biodieselin raaka-aine. Tutkimuksessa selvitettiin Itämeren makrolevien soveltavuutta biodieselin raaka-aineeksi. Samalla tutkittiin, miten veden erilaiset ravinnekäsittelyt vaikuttavat makrolevien lipidimäärään ja rasvahappokoostumukseen. Tutkimuksen oletuksena oli, että makrolevät tuottavat enemmän lipidejä niukkaravinteisissa kuin ravinnekylläisissä olosuhteissa. Kokeessa tutkittiin myös makroleväryhmien välisiä eroja lipidimäärissä. Kokeessa tutkittiin Ulva intestinalis ja Cladophora glomerata -viherlevien sekä Ceramium tenuicorne -punalevän lipidimäärää ja rasvahappokoostumusta, koska kyseiset levälajit ovat yleisiä makrolevälajeja Itämeren litoraalivyöhykkeessä. Akvaariokokeet toteutettiin elokuussa sekä lokakuussa 10 päivää kestävänä faktorikokeena Tvärminnen eläintieteellisellä asemalla. Koejärjestelyssä ravinnekäsittelyinä käytettiin kontrolli- (C), typpilisäys- (N), fosforilisäys- (P) ja typen ja fosforin yhteisvaikutuksen käsittelyitä (N+P). Makrolevien lipidit eristettiin kloroformi:metanoli (2:1 -vol/vol) -liuoksella. Makrolevien lipidit ja rasvahappokoostumus määritettiin kaasukromatografi-massaspektrometrin (GC-MS) avulla lipidien metyloiduista rasvahapon metyyliestereistä (FAME, fatty acid methyl ester). Kokonaislipideistä fraktioitiin neutraalilipidit, jotta pystyttiin arvioimaan makrolevien soveltavuutta biodieselin raaka-aineeksi. Makrolevien kokonaislipidimäärät erosivat lajeittain, mutta eivät käsittelyittäin toisistaan. Makrolevien kokonaislipidimäärät vaihtelivat välillä 31–193 mg l-1 siten, että lokakuussa U. intestinalis -viherlevä sisälsi vähiten kokonaislipidejä verrattuna muihin tutkittuihin makroleviin. Tutkittujen makrolevien kokonaislipidimäärät käsittivät vain alle 2% makrolevien kuivapainosta. Makrolevien kokonaisrasvahappomäärät erosivat toisistaan lajeittain, mutta eivät käsittelyittäin. Makrolevien kokonaisrasvahappomäärät vaihtelivat välillä 0,7-9,0 mg l-1 siten, että pienimmät määrät löytyivät lokakuun U. intestinalis -viherlevältä ja suurimmat määrät C. glomerata -viherlevältä. Makrolevien rasvahappokoostumukset erosivat hieman toisistaan, mutta tyydyttyneet rasvahapot (SFA, saturated fatty acid) olivat makrolevälajien suurin rasvahapporyhmä (42,0–49,7%). Elokuun ja lokakuun U. intestinalis -viherlevät sisälsivät enemmän monityydyttymättömiä rasvahappoja (45,1%; 46,9%) kuin C. glomerata (23,2%) ja C. tenuicorne (22,8%) -levät. Kaikilla tutkituilla makrolevälajeilla rasvahapon C16:0 osuus oli korkein (32,3–45,7 % kokonaisrasvahapoista). U. intestinalis -viherlevän eri tutkimusajankohtina mitatut neutraalilipidifraktion rasvahappomäärät erosivat toisistaan merkitsevästi, mutta ravinnekäsittelyt eivät vaikuttaneet neutraalilipidifraktion rasvahappomääriin. Neutraalilipidifraktion rasvahappomäärät olivat pienet ja ne vaihtelivat välillä 0,6-4,2 mg l-1. Elokuun ja lokakuun U. intestinalis -levän neutraalilipidifraktioiden rasvahappokoostumuksissa ei havaittu eroja. Tutkimuksen makrolevälajien kokonaislipidimäärät erosivat muiden tutkimuksien tuloksista, koska makrolevien näytteenottoajankohta sekä näytteenottopaikka vaikuttavat makrolevien lipidimääriin. Lokakuun U. intestinalis -viherlevän alhainen lipidimäärä voi selittyä sillä, että viherlevä ei ollut enää myöhään syksyllä elinvoimainen, joten makroleväryhmien välisiä lipidimäärän eroja oli vaikea todeta. Tutkitut makrolevälajit eivät tuottaneet merkitsevästi enemmän lipidejä niukkaravinteisissa kuin ravinnekylläisissä olosuhteissa. Kontrolli- ja fosforilisäyskäsittelyissä makrolevien väri muuttui haaleammaksi eli levät eivät saaneet tarpeeksi typpeä klorofyllin tuotantoon. Makrolevälajien olisi mahdollisesti voinut antaa sopeutua uusiin olosuhteisiin ennen kokeen alkua. Akvaariokokeiden erilainen veden lämpötila elo- ja lokakuun kokeissa saattoi vaikuttaa enemmän makrolevien kokonaislipidimäärään kuin ravinnekäsittelyt. Makrolevälajien alhainen rasvahappojen määrä tukee muiden tutkimuksien tuloksia, joissa lipidiryhmistä poolisia lipidejä on eniten. Suuri tyydyttyneiden rasvahappojen osuus kertoo, että tutkitut makrolevälajit olivat stressaantuneita. U. intestinalis -viherlevän neutraalilipidifraktion rasvahappomäärä suhteessa kokonaislipidimäärään oli pieni. Makrolevät voisivat olla sovelias raaka-aine biodieselin tuotantoon korkean kokonaislipidimäärän ja tyydyttyneiden rasvahappojen osuuden vuoksi. Näiden ominaisuuksien avulla voitaisiin valmistaa hyvälaatuista biodieseliä. Makrolevät olisi mahdollista saada tuottamaan enemmän lipidejä niukkaravinteisissa kuin ravinnekylläisissä oloissa, jos valittaisiin oikeat makrolevälajit ja näytteenottoajankohta olisi otollinen lipidien tuotantoon. Makrolevien lipidituotantoa voisi nostaa myös kaksivaiheisen kasvatustavan kautta, kuten Chlorella vulgaris -mikrolevällä lipidituotannon paraneminen on osoitettu. Makrolevien perustuotantoa voisi mahdollisesti lisätä ravinnekylläisissä olosuhteissa, jonka jälkeen makrolevät siirrettäisiin niukkaravinteisiin olosuhteisiin lipidituotannon parantamiseksi.
Subject: Ceramium tenuicorne
Cladophora glomerata
Ulva intestinalis
fatty acid composition
fatty acid methyl ester (FAME)
neutral lipids
neutraalilipidit
rasvahappokoostumus
rasvahapon metyyliesteri (FAME)


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Pro_gradu_JernstromJanni.pdf 1.336Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record