Водоросли: значение, виды, цикл развития.

Водоросли – древнейшие растения на нашей планете. У них нет корней, стеблей и листьев, как у других растений, поэтому они питаются с помощью фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс, происходящий внутри растительных клеток, при котором вода с углекислым газом под действием солнца образуют кислород и сахарозу.

В царстве растений водоросли занимают два подцарства: Rhodobionta — багрянки и красные; и Phycobionta — настоящие водоросли. Одноклеточные водоросли появились около 3 млрд. лет назад. Их зарождение привело к насыщению атмосферы кислородом. Миллиард лет назад появились многоклеточные виды, состоящие из слоевища. Эти растения практически не изменились эволюционно, благодаря стабильным условиям существования и приспособляемости: они живут в пресной, и соленой воде: болотах, прудах, озерах, реках и океанах по всему миру. Так же, встречаются на ледниках, ученые начала XX века были удивлены, когда увидели цветущие льды, окрашенные красным. Некоторые виды приспособились к жизни на коре деревьев. На морском дне растут целые сады: слоевища выглядят как блестящие листья красного, зеленого, желтого, бурого цвета, по их цвету названо Красное море. Саргасово море получило свое название из-за широкого распространения саргасов.

В ходе предложенных исследований, ученики установят на опыте, какие условия влияют на рост водорослей, какие положительные и отрицательные стороны есть у этих явлений. Так же, выяснят причину цветения, узнают, как вырастить водоросли, и спроектируют собственный биореактор.

Проект «Выращивание водорослей»

Способы, которыми размножаются водоросли, различны. При вегетативном способе размножения, клетка делится надвое, из одной клетки могут появиться 2, 4 или 8 дочерних. Бесполым способом размножение происходит при помощи спор. У некоторых дочерние клетки имеют жгутики, они называются зооспорами. У многоклеточных бесполое размножение, производится разрывом слоевища. При половом размножении происходит слияние мужских гамет с женскими, образуется зигота, обычно это случается из-за неблагоприятных условий: высокая или низкая температура, загрязнение водоема. Тогда клетка делится на много гамет, которые затем объединяются с гаметами другой особи. Виды водорослей очень многочисленны, известно более 30 тысяч, разделенных на 12 классов.

Для комфортного существования этих растений нужна подходящая температура, солнечный свет, вода, углекислый газ — такие условия есть практически во всех уголках планеты, чем обусловлено распространение настоящих водорослей в экосистемах водоемов.

В процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа получается сахароза, которая расщепляется на жирные кислоты, необходимые для построения мембран новых клеток. Углекислый газ является главным источником углерода в водоеме, достаточный запас крайне важен, особенно для выращивания на продажу. Давайте исследуем, можно ли ускорить рост водорослей, снабжая их углекислым газом.

Что нам понадобится:

• три бутылки или банки, объемом по 2 литра;
• очищенная вода (фильтрованная);
• сахар;
• пивные дрожжи:
• силиконовый герметик;
• аквариумная трубка;
• водоросли из пруда;
• жидкие удобрения для аквариума.

Ход эксперимента:

1. Изучите условия роста водорослей. Создайте гипотезу: действительно ли увеличение количества углекислого газа способно спровоцировать их рост. Соберите водоросли в уличном бассейне, пруду, болоте, поилке для птиц, достаточно совсем небольшого количества.
2. Разлейте по бутылкам очищенную воду, водоросли и удобрения поделите на 2 части, поместите их в две бутылки, не закрывая крышками. Третья бутылка станет биореактором углекислого газа. Для этого, попросите взрослых проделать отверстие в крышке и протяните сквозь него аквариумную трубку. Из бутылки слейте немного воды, около 2.5 см. от края, добавьте 2 чайные ложки сахара и одну ложку пивных дрожжей. Зафиксируйте с помощью герметика трубку, так чтобы в закрытой бутылке он находился выше уровня воды. Второй конец трубки погрузите в одну из бутылок с водорослями до середины. Найдите для бутылок теплое место, но не под прямыми солнечными лучами. Водоросли любят свет, но высокая температура для них губительна. Самые оптимальные температурные условия 20-24 градуса. Около месяца наблюдайте за ростом, доливайте воду до прежнего уровня. При необходимости замените дрожжи с сахаром.
3. Проанализируйте количество и прирост за месяц. Проверьте свою гипотезу, если нужно, пересмотрите ее. Объясните образ жизни и распространение водорослей. Подумайте, какие преимущества может дать такой способ выращивания.

Вывод

В одной из бутылок были созданы естественные условия, а в другой —  обогащенный углекислым газом воздух. Благодаря этому получилось выработать большее количество углерода и сахаров, поэтому размножение ускорилось. По статистике управляемое выращивание в биореакторе спирулины (морской капусты), увеличивает результат 4-кратно.

Проект «Фотобиореактор для водорослей»

Фотобиореакторы создаются в бассейнах для разведения и культивации. Эта технология обеспечивает водоросли всем необходимым для быстрого роста: водой, светом, углекислым газом, органическими веществами, которые в естественных условиях все время прибывают. Работая над проектом, ученики создадут собственный домашний фотобиореактор из подручных средств.

Растениям требуются питательные вещества на основе азота и кремния, для этой цели подойдут удобрения для аквариумных растений. В качестве источника освещения лучше всего использовать люминесцентные красные или синие лампы, но можно солнце, исключая прямые солнечные лучи. Для выращивания водорослей в биореакторе используется 18-часовой режим освещения.

Ежедневное помешивание поможет равномерно распределять свет. рh требуется поддерживать на уровне 7-9. Оптимальная температура 20-24 градуса, при 16 ⁰С рост и размножение останавливается, а при температуре 35 ⁰С клетки водорослей погибают.

В эксперименте «Выращивание водорослей» был создан биореактор с подачей углекислого газа, для этого опыта он так же необходим. Самый простой дизайн биоректора: две бутылки, соединенные трубкой. Подумайте, как можно создать улучшенный недорогой дизайн установки для выращивания водорослей в домашних условиях?

Что нам понадобится:

• недорогое приспособление для биореактора: в одной емкости будет расти биоматериал, в другой — вырабатываться углекислый газ;
• водоросли;
• очищенная вода;
• лакмусовые бумажки для измерения рh;
• аквариумная трубка;
• силиконовый герметик;
• лампы;
• термометр;
• удобрения;
• тетрадь для записей.

Ход эксперимента:

1. Продумайте конструкцию фотобиореактора, соберите небольшое количество водорослей или приобретите их в магазинах фитобиореакторов.
2. Соберите фитобиоректор, как было указано в опыте «Выращивание водорослей», но теперь нужно добавить термометр, или замерять температуру и освещение. Лакмусовая бумажка опускается на 2-3 секунды в воду, по изменению цвета можно определить уровень рh, сравнив с приложенной шкалой. Записывайте, как увеличиваются растения при соблюдении технологического процесса, а если в нем произошли нарушения — зафиксируйте этот факт. Наблюдайте за фитобиоректаром не меньше месяца.
3. Проанализируйте результаты. Подумайте, можно ли улучшить конструкцию и производительность созданного вами фитобиореактора.

Вывод

Фитобиореакторы предназначены для выращивания водрослей: хорелла и спирулина. Эти приборы бывают разной степени автоматизации, в частных хозяйствах они нужны для кормежки рыбной фермы. Промышленная установка ускоряет цикл развития водорослей, этапы работы: запуск биореактора, культивирование хореллы или спирулины, слив суспензии и подготовка к новому циклу.

В процессе выращивания важно учитывать множество условий: слишком мощные лампы могут нагревать воду сильнее, чем нужно, быстрое бесконтрольное размножение привет к цветению воды.

Проект «Экологическая проблема цветения водорослей»

Экология водорослей делит их на такие группы: фитопланктон — одноклеточные, вызывающие цветение; бентосные — растущие на дне или на других поверхностях.

Для каждой экосистемы значение водорослей огромно. Они являются основным питанием для ракообразных, моллюсков, некоторых рыб, насыщают слои воды кислородом, отмирая, формируют осадочные породы. Кроме этого, они очищают водоем, в который все время поступают остатки органических соединений: умирают животные, разлагаются растения, происходят сливы сточных вод. Все эти органические соединения, благодаря кислороду, разлагаются на более простые минеральные, которые используются для формирования и развития клеток.

Эфтрофикация водоемов — это процесс насыщения водоема биоэлементами, вызывающими бурный рост сине-зеленых видов, что вызывает цветение воды. Вода мутнеет, зеленеет, неприятно пахнет. Чаще всего, это происходит в стоячих водоемах, при длительной жаркой погоде. После размножения тины становится настолько много, что она занимает всю толщу воды от поверхности до дна, вода перестает пропускать солнечный свет и клетки, которые его не получают, погибают. Для их разложения используется кислород, его становится так мало, что рыбам нечем дышать. Гибнет сначала фитопланктон, водоем загрязняется продуктами разложения, затем погибают все остальные организмы. В слоях воды, чем ближе к дну, тем меньше остается кислорода. Мертвые организмы, разлагаясь без кислорода, вырабатывают сильнейшие яды. Природные ограничивающие факторы для зеленых водорослей: температурный режим, количество солнечного света.

Главная причина цветения воды в водоемах — сельскохозяйственные удобрения, которые попадают туда с грунтовыми водами. В химических удобрениях содержатся нитраты и фосфаты, которые легко вымываются из почвы дождями. Натуральные удобрения, например навоз, разлагаются медленнее, поэтому не причиняют такого вреда. Неправильная очистка сточных вод, попадающих в водоем, так же может привести к его цветению и старению.

Смоделируем экологическую ситуацию в опытных условиях, чтобы оценить вред, наносимый природе человеком.

Что нам понадобится:

• 7 банок;
• марля;
• аптечные резинки;
• ярлычки или клеящаяся лента;
• вода из стоячего водоема: пруда или озера;
• фильтрованная вода;
• мензурки и мерные ложки;
• жидкий кислород из магазина для аквариумов;
• резиновые перчатки;
• удобрения для растений;
• стиральный порошок;
• тетрадь для записей.

Ход эксперимента:

1. Наклейте на каждую банку ярлычок или клейкую ленту с номером, налейте по 1/2 озерной воды и по 1/2 фильтрованной. Отрежьте 7 квадратных кусков марли, чтоб закрыть ими банки. Подготовьте все необходимое. Соблюдайте меры предосторожности: перед работой со стиральным порошком и удобрениями надевайте перчатки, а после тщательно мойте руки.
2. Банка 1 — контрольная, поэтому туда больше ничего не нужно добавлять. Отмерьте и добавьте удобрения в банки: №2 — 1/4 чайной ложки,  №3 — 1/2, №4 — чайную ложку. Отмерьте и добавьте стиральный порошок в банки: №5 — 1/4 чайной ложки, №6 — 1/2, №7 — чайную ложку. Накройте банки лоскутами марли, которые нужно закрепить резинкам. Ежедневно, около двух недель записывайте, на сколько процентов каждая банка наполнена видимыми водорослями. Для удобства можно делать фотографии.
3. Проанализируйте полученные данные. Подумайте, что случилось бы с водоемом, если бы туда попало значительное количество удобрений или чистящих средств. Сравните результаты с контрольной банкой. Объясните вред, наносимый водорослями.

Вывод

Нитраты и фосфаты, которые содержатся в удобрениях, провоцируют цветение водорослей. То же самое происходит со стиральными порошками, так все они содержат фосфаты. Эфтрофикация — серьезная экологическая проблема. Чистая вода необходима для жизни людей и животных, многих промышленных процессов. Жизненный цикл водорослей очень короток. Быстрое размножение компенсируется отмиранием и разложением в глубинной зоне. Таким образом, на дне скапливается большое количество микроорганизмов — редуцентов, которые разлагают, усвоенные отмершими клетками вещества. Когда кислорода не остается, выживают только анаэробные формы, способные получать кислород с помощью брожения. Так может продолжаться длительное время. Экосистема водоемов направлена на очищение, но для этого необходим приток чистой воды из родников. Распространение и значение синезелезных водорослей состоит в том, что они являются природным индикатором загрязненности воды.

Проект «Водоросли вырабатывающие масло»

Крупные водоросли распространены на пресноводных грунтах и дне океанов. Их измеряют сантиметрами, хотя они могут достигать нескольких метров. Микроводоросли — это одноклеточные организмы, их измеряют микрометрами. Чаще всего их можно найти в стоячих водоемах.

Для роста и размножения всем представителям подцарства необходим солнечный свет, углекислый газ, и питательные вещества. Благодаря фотосинтезу, они генерируют сахарозу, которая распадается на жирные кислоты, затем расходуется на мембраны новых клеток при размножении. Обычно слоевища и клетки не содержат масла, но под давлением жирные кислоты преобразуются в молекулы липидов (жиров).

Водоросли содержат большое количество полезных минеральных веществ и используются в пищу человеком. Приморские кухни хранят множество рецептов приготовления, так же из них готовят биомассу для скота, они служат сырьем для производства удобрений и фармацевтических препаратов.

Если водоросли высушить в микроволновой печи, клеточные мембраны разрушатся, тогда липиды выйдут на поверхность. Добавив каплю воды, можно увидеть, что она не растечется из-за присутствия масел. Для того, чтобы узнать содержание масел в разных образцах, поставим опыт.

Что нам понадобится:

• несколько видов водорослей: одноклеточных и многоклеточных (из водоемов и магазинов для фотобиореакторов);
• бумажные фильтры;
• микроволновая печь или ступка с пестиком;
• пипетка;
• бумага для записей.

Ход эксперимента:

1. Изучите вопрос: почему водоросли накапливают масло. Подготовьте все необходимое. Опишите природные условия распространения каждого вида водоросли.
2. Возьмите один вид водорослей, разделите его на два образца. Поместите каждый образец на бумажный фильтр, дайте просохнуть на свежем воздухе. Один образец разогрейте с помощью микроволновки на малой мощности. Еще один способ: растереть образец в ступке. Добавьте на каждый образец каплю воды из пипетки и сравните как скапливается вода на поверхности образцов. Запишите результаты, повторите для каждого вида водорослей.
3. Проанализируйте данные. Как связано содержание масла с физическими условиями ареалов распространения каждого вида.

Вывод:

На жирной поверхности капля воды принимает шарообразную форму, при скольжении не растекается. Но если увеличить количество воды, она равномерно распределится по поверхности. Если растение не содержит масла, то вода впитается.

Водоросли содержат много жиров, белков и углеводов, цена производства при этом намного ниже, чем у молочных продуктов, яиц и овощей. Поэтому на их основе изготавливают белковые продукты питания и корма. Самое высокое содержание жиров у хореллы —  14-22% и евглены. Одноклеточные организмы пресных водоемов содержат от 14 до 20% жиров. Для выжимки масла из водорослей так же используют спирулины и анабаену( род нитчатых синезеленых).

Заключение:

Во время проведения опытов было доказано, что искусственная подача углекислого газа ускоряет размножение водорослей, так же как искусственное освещение. Установлено, что сельскохозяйственные удобрения и чистящие средства наносят вред экосистемам водоемов, так как провоцируют эфтрофикацию с последующим цветением, отравляют воду, флору, фауну.

Надеемся, вам понравилось проектировать фотобиореакторы, которые являются установками экологически-чистого, безотходного производства, и было интересно выяснить, сколько жира содержится в составе водорослей. Ждем ваших комментариев!