Изучение параметров экстракции, количественного выхода полисахаридов и антиоксидантной активности психрофильных микроводорослей и цианобактерий

Exopolysaccharides and endopolysaccharides are the main components in the antioxidant complex of psychrophilic microalgae and cyanobacteria. The extraction of these compounds from the cells is really energy consuming, as well as it requires large doses of chemicals due to the resilience, recalcitrance, complexity and diversity of the cell wall in microalgae. The purpose of this article was to study the dependence of polysaccharides quantitative yield on the power of ultrasound treatment and duration of their extraction, as well as to determine the antioxidant activity of the antioxidant complex of psychrophilic microalgae and cyanobacteria. In order to find and confirm the antioxidant properties of the complexes obtained from the microscopic algae biomass, we used the method based on measuring the optical density (in a liquid nutrient medium), i. e. the method for determining the antioxidant activity of the samples under research by their ability to reduce the level of free radicals. As a result of the studies the rational conditions were found for the extraction of the antioxidant complex from the cell culture fluid, and from the cell-related psychrophilic microalgae and cyanobacteria Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile, and Anabaena cylindrica. For the exopolysaccharides extraction from the psychrophilic microalgae and cyanobacteria Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile and Anabaena cylindrica, the method of ethanol extraction with an extraction module of 1:2 and an extraction temperature of 5 °С was used. The ability of psychrophilic microalgae and cyanobacteria Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile and Anabaena cylindrica to produce an antioxidant complex was studied. It was found that this complex contains polysaccharides: endopolysaccharides and exopolysaccharides in particular. The ability of psychrophilic microalgae and cyanobacteria Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile, and Anabaena cylindrica to produce an antioxidant complex was proven by the presence of significant antioxidant activity of psychrophilic microalgae and cyanobacteria, determined and confirmed by the methods ABTS, DPPH, and FRAP. The psychrophilic microalga Skeletonema pseudocostatum possesses the highest antioxidant activity. The availability of antioxidant properties in psychrophilic microalgae and cyanobacteria opens up the prospects for their practical application.Экзополисахариды и эндополисахариды являются основными составляющими антиоксидантного комплекса психрофильных микроводорослей и цианобактерий. Для извлечения данных соединений из клетки требуются высокие затраты энергии или большое количество химических веществ из-за неподатливости, сложности и разнообразия клеточной стенки микроводорослей. Целью данной работы являлось изучение количественного выхода полисахаридов в зависимости от мощности ультразвука и продолжительности экстракции, а также определение антиоксидантной активности антиоксидантного комплекса психрофильных микроводорослей и цианобактерий. Для выявления антиоксидантных свойств комплексов, полученных из биомассы микроскопических водорослей, использовали метод, основанный на измерении оптической плотности (в жидкой питательной среде), метод определения антиоксидантной активности исследуемых образцов по их способности восстанавливать свободные радикалы. В результате проведенных исследований установлены рациональные условия экстракции антиоксидантного комплекса из культуральной жидкости и связанных с клетками психрофильных микроводорослей и цианобактерий Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile и Anabaena cylindrica. Установлено, что для экстракции экзополисахаридов психрофильных микроводорослей и цианобактерий Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile и Anabaena cylindrica используется этанольная экстракция с модулем экстракции 1:2 и температурой экстракции 5 °С. Изучена способность психрофильных микроводорослей и цианобактерий Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile и Anabaena cylindrica продуцировать антиоксидантный комплекс. Установлено, что в состав данного комплекса входят полисахариды: эндо- и экзополисахариды. Способность психрофильных микроводорослей и цианобактерий Skeletonema pseudocostatum, Thalassiosira pseudonana, Fragilariopsis kerguelensis, Aphanizomenon gracile и Anabaena cylindrica продуцировать антиоксидантный комплекс доказана наличием значительной антиоксидантной активности психрофильных микроводорослей и цианобактерий, определенной методами ABTS, DPPH и FRAP. Наибольшей антиоксидантной активностью обладает психрофильная микроводоросль Skeletonema pseudocostatum. Наличие антиоксидантных свойств у психрофильных микроводорослей и цианобактерий открывает перспективы их использования в практических целях

Исследование морфологических признаков и параметров роста психрофильных микроводорослей и цианобактерий

Recently, a question of producing a complex of biologically active substances from microalgae has aroused widespread interest. It is known that microalgae are able to produce a significant amount of exopolysaccharides. The aim of this work was to study morphological features and growth parameters of psychrophilic microalgae and cyanobacteria for the subsequent production of exopolysaccharides. The morphology of microalgae was observed using a binocular microscope. Growth parameters were studied by spectrophotometry; parameters of the culture medium were determined using a pH-meter. Exponential dependency graphs that show the dynamics and expected growth rate of microalgae were built. A rate of growth and polysaccharide biosynthesis in microalgae was determined upon changing the light intensity from 50 to130 mmol/m2/s. The highest level of cell counts in the logarithmic growth phase was up to 0.8 for Scenedesmus obtusiusculus Chod IPPAS S-329. A level of cells also varied in the deceleration phase from 0.25 for Ankistrodesmus acicularis Korsch IPPAS А-218 to 1.8 for Scenedesmus obtusiusculus Chod IPPAS S-329. Microalgae showed a high level of biomass accumulation under alkalophylic conditions. Eukaryotic algae actively photosynthesized at a pH of more than 8.0 and a temperature of 30 °C.The maximum activity at the level of pH 3.0/3.2 in the lag phase was 100% in C-1509 Nannochloris sp. Naumann. Microalga C-1509 Nannochloris sp. Naumann showed a high level of biomass accumulation under alkalophylic conditions; it photosynthesized at a pH of more than 8.0 and a temperature of 30 °C. It has been proved that neutrophiles can grow at pH lower than 3.0; this corresponds to the results of the experiments with the collection strains of microalgae with biomass productivity of 27.3%. At the alkaline pH values of 8.3-9.0, biomass productivity reduced from 46.0 to 37.2%. It is especially interesting that at the alkaline pH values of 7.5 and 8.0 biomass productivity of microalgae increased, which indicates the optimal growth conditions at this narrow pH range. An ability of microalgae to produce exopolysaccharides opens prospects of their use for practical purposes.В настоящее время широкий интерес приобрел вопрос получения комплекса биологически активных веществ из микроводорослей. Известно, что микроводоросли способны производить значительное количество экзополисахаридов. Целью данного исследования являлось изучение морфологических признаков и параметров роста психрофильных микроводорослей и цианобактерий для последующего получения экзополисахаридов. Морфологию микроводорослей рассматривали с помощью бинокулярной микроскопии. Параметры роста изучали с помощью спектрофотометрии, параметры культуральной среды выявляли с помощью рН-метрии. Были построены экспоненциальные графические зависимости, показывающие динамику и ожидаемую скорость роста микроводорослей. Определяли скорость роста и биосинтеза полисахаридов микроводорослей при изменении освещенности от 50 до 130 ммоль/м2/сек. Наибольший уровень количества клеток в фазе жизненного цикла — логарифмического роста составил до 0,8 для Scenedesmus obtusiusculus Chod IPPAS S-329. Уровень клеток варьировался также в фазе жизненного цикла — замедленного роста от 0,25 для Ankistrodesmus acicularis Korsch IPPAS А-218 до 1,8 для Scenedesmus obtusiusculus Chod IPPAS S-329. Микроводоросли показали высокий уровень накопления биомассы в алкалофильных условиях. Эукариотические водоросли активно фотосинтезировали с рН более 8,0 и температурой 30 °C. Максимальная активность на уровне лаг-фазы роста рН 3,0/3,2 для C-1509 Nannochloris sp. Naumann составляет 100%. Микроводоросль C-1509 Nannochloris sp. Naumann показала высокий уровень накопления биомассы в алкалофильных условиях, они фотосинтезировали при рН более 8,0 и температуре 30 °C. Доказано, что нейтрофилы могут расти при pH ниже 3,0, это соответствует результатам экспериментов с коллекционными штаммами микроводорослей, с продуктивностью по биомассе 27,3%. При щелочном рН 8,3-9,0 продуктивность по биомассе снижалась с 46,0 до 37,2%. Особый интерес представляет то, что при щелочных значениях рН 7,5 и 8,0 продуктивность микроводорослей по биомассе увеличилась, что указывает на оптимальные условия роста в этом узком диапазоне pH. Способность микроводорослей продуцировать экзополисахариды открывает перспективы их использования в практических целях

Исследование in vitro биологически активных свойств комплексов, выделенных из биомассы микроскопических водорослей

Microalgae are rich in biologically active substances: proteins, carbohydrates, lipids, polyunsaturated fatty acids, vitamins, pigments, phycobiliproteins, enzymes, which are able to provide antioxidant, immunostimulating, antibacterial, antiviral, antitumor, antihypertensive, regenerative and neuroprotective effects on a body. The aim of this study is to run in vitro study of the antioxidant, antibacterial, fungicidal, antihypertensive and prebiotic properties of protein concentrate (PC), lipid-pigment complex (LPC) and carbohydrate-mineral complexes (CMC) obtained from the biomass of microscopic algae. To determine in vitro the antioxidant, antibacterial, fungicidal, antihypertensive and prebiotic properties of protein concentrates, lipid-pigment complexes and carbohydratemineral complexes obtained from the biomass of microscopic algae, the following methods were used: method of diffusion (on a solid nutritional medium); optical density method (in a liquid nutritional medium); the method for determining the antioxidant activity of the researched samples by their ability to restore free radicals; the method of inhibition of the angiotensin-converting enzyme. It was shown in this study that among the studied samples the carbohydrate-mineral complex provided the most pronounced antioxidant effect. It was found that both protein concentrates, and lipid-pigment complexes and carbohydrate-mineral complexes feature antibacterial and fungicidal properties. It was proven that among the studied samples the carbohydrate-mineral complex provided the least pronounced antihypertensive effect. It was found that the lipid-pigment complexes and carbohydrate-mineral complexes practically have no prebiotic properties. The biological activity (antimicrobial, fungicidal, antioxidant and prebiotic activities), as well as the antihypertensive properties, were confirmed in the protein concentrates, lipid-pigment complexes and carbohydrate-mineral complexes obtained from the biomass of microscopic algae (Chlorella vulgaris, Arthrospira platensis, Nostoc sp., Dunaliella salina, Pleurochrysis carterae). All these factors open up promising prospects for the practical application of protein concentrates, as well as lipid-pigment complexes and carbohydrate-mineral complexes.Микроводоросли богаты биологически активными веществами: белками, углеводами, липидами, полиненасыщенными жирными кислотами, витаминами, пигментами, фикобилипротеинами, ферментами, которые способны проявлять антиоксидантное, иммуностимулирующее, антибактериальное, противовирусное, противоопухолевое, антигипертензивное, регенеративное и нейропротективное действия. Целью данной работы являлось изучение in vitro антиоксидантных, антибактериальных, фунгицидных, антигипертензивных и пребиотических свойств белкового концентрата, липид-пигментного и углеводно-минерального комплексов, полученных из биомассы микроскопических водорослей. Для определения in vitro антиоксидантных, антибактериальных, фунгицидных, антигипертензивных и пребиотических свойств белкового концентрата, липид-пигментного и углеводно-минерального комплексов, полученных из биомассы микроскопических водорослей, использовали следующие методы: диффузионный метод (на твердой питательной среде), метод, основанный на измерении оптической плотности (в жидкой питательной среде), метод определения антиоксидантной активности исследуемых образцов по их способности восстанавливать свободные радикалы, метод ингибирования ангиотензинпревращающего фермента. Показано, что наиболее выраженным антиоксидантным действием среди исследуемых образцов обладает углеводно-минеральный комплекс. Установлено, что антибактериальными и фунгицидными свойствами обладают и белковый концентрат, и липид-пигментный и углеводно-минеральный комплексы. Доказано, что наименее выраженным антигипертензивным действием среди исследуемых образцов обладает углеводно-минеральный комплекс. Выявлено, что липид-пигментный и углеводно-минеральный комплексы практически не обладают пребиотическими свойствами. Показано наличие у белковых концентратов, липид-пигментных и углеводно-минеральных комплексов, полученных из биомассы микроскопических водорослей (Chlorella vulgaris, Arthrospira platensis, Nostoc sp., Dunaliella salina, Pleurochrysis carteraе) биологической активности (антимикробной, фунгицидной, антиоксидатной, пребиотической), а также присутствие антигипертензивных свойств. Все эти факторы открывают перспективы использования белковых концентратов, а также липид-пигментных и углеводно-минеральных комплексов в практических целях

СРАВНЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СФЕРИЧЕСКИХ И ИГОЛЬЧАТЫХ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ БИОНОВ

Aim. To compare morphological properties, mineral, and organic profile of spherical calcium phosphate bions (SCPB) and needle calcium phosphate bions (NCPB) for the assessment of the CPB-specific endothelial toxicity in models of mild or severe hypercalcemia/hyperphosphatemia in the further studies.Methods. Both SCPB and NCPB were artificially synthesized employing blood-mimetic medium either moderately or significantly supersaturated of calcium and phosphorus salts. Size and shape of SCPB and NCPB were investigated by scanning and transmission electron microscopy and atomic force microscopy. Elemental analysis was performed utilizing energy-dispersive X-ray spectroscopy, atomic emission spectroscopy, and CHNSO analysis, functional groups were examined using Fourier-transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy while chemical formula was identified by X-ray powder diffraction analysis. Protein profile of SCPB and NCPB was screened employing sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis following silver staining.Results. SCPB were visualized as crystalline spherical spongeous particles of 80-200 nm diameter and mean diameter of around 120 nm while NCPB represented needle crystals of a similar diameter. Both SCPB and NCPB had similar crystallinity, surface charge and tended to form clusters of several particles. Furthermore, both SCPB and NCPB were composed of carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, calcium, and phosphorus, contained phosphate (PO4 3-), carbonate (CO3 2-), and hydroxyl (OH- ) functional groups, and consisted of hydroxyapatite (Ca10(PO4 )6 (OH)2 ) and carbonate-hydroxyapatite (Ca10(PO4)3 (CO3)3 (OH)2 ). In addition, protein profile of SCPB and NCPB was similar and notable for the abundant albumin and fetuin A levels.Conclusion. Having similar size, surface charge, extent of crystallinity, and chemical composition, SCPB and NCPB possess a different shape. Цель Сравнить морфологию, минеральный и органический профиль сферических кальций-фосфатных бионов (СКФБ) и игольчатых кальций-фосфатных бионов (ИКФБ), необходимых для оценки эндотелиотоксического действия КФБ при моделировании умеренной и тяжелой гиперкальциемии/гиперфосфатемии в последующих исследованиях. Материалы и методы СКФБ и ИКФБ были искусственно синтезированы посредством умеренного и выраженного перенасыщения имитирующей состав крови среды солями кальция и фосфора. Размерность и форма СКФБ и ИКФБ были изучены при помощи сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Элементный анализ проводился посредством энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, атомно-эмиссионной спектроскопии и CHNSO-анализа, функциональные группы идентифицировались при помощи инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и спектроскопии комбинационного рассеяния света, формула входящих в состав бионов химических соединений и степень их кристалличности определялась методом рентгеновской порошковой дифрактометрии. Белковый профиль СКФБ и ИКФБ был исследован путем электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия с последующим окрашиванием нитратом серебра. Результаты СКФБ визуализировались как кристаллические сферические частицы губчатой структуры диаметром 80–200 нм и средним диаметром около 120 нм, в то время как ИКФБ представляли собой игольчатые кристаллы такого же диаметра. Как СКФБ, так и ИКФБ имели схожий поверхностный заряд и были склонны к агрегации. СКФБ и ИКФБ состояли из углерода, кислорода, водорода, азота, кальция и фосфора, содержали фосфатные (PO4 3-), карбонатные (CO3 2-) и гидроксильные (OH- ) группы и состояли из гидроксиапатита (Ca10(PO4 ) 6 (OH)2 ) и карбонат-гидроксиапатита (Ca10(PO4 ) 3 (CO3 ) 3 (OH)2 ). Кроме того, СКФБ и ИКФБ обладали идентичной степенью кристалличности и схожим белковым профилем с преобладанием альбумина и фетуина-А над остальными белками. Заключение СКФБ и ИКФБ отличаются лишь формой, имея схожие размерность, поверхностный заряд, степень кристалличности и химический соста