Algae and Aquatic Biomass For A Sustainable Production of 2nd Generation Biofuels [PDF]

  • 0 0 0
  • Suka dengan makalah ini dan mengunduhnya? Anda bisa menerbitkan file PDF Anda sendiri secara online secara gratis dalam beberapa menit saja! Sign Up
File loading please wait...
Citation preview

         Proposal full title:  Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2nd generation biofuels      Proposal acronym:  AquaFUELs      Type of funding scheme:  Cooperation   Theme 5 ­ Energy      Taxonomy, Biology and Biotechnology      Name of the coordinating person:    Dr. Raffaello Garofalo   Coordinator email:   ebb@ebb‐eu.org  Coordinator phone:   +32 2 7632477  Coordinator fax:   +32 2 7630457    REV 



Date 



 



Organisation 



Beneficiaries  involved 



FINAL 



20/05/2011 



Natascia Biondi,  Mario Tredici 



UNIFI 



UNIFI 



Dissemination  level  PU 



   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 1 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Table of contents 



  INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 5 1 1.1 IMPORTANCE OF ALGAE AND AQUATIC BIOMASS FOR BIOFUELS ......................................................................... 6 1.1.1 Suitability of algae as biomass producers ..................................................................................................... 6 1.1.2 Sustainability, the strategic advantage of algal biofuels ............................................................................... 6 1.2 RATIONALE OF THE DOCUMENT ......................................................................................................................... 8 1.3 TARGET GROUPS ................................................................................................................................................ 8 1.4 PROBLEMS INCURRED ........................................................................................................................................ 9 1.5 COMMON ERRONEOUS "MYTH" .......................................................................................................................... 9 2 CRITERIA FOR STRAIN SELECTION ............................................................................................................ 10 2.1 PRODUCTIVITY ................................................................................................................................................. 10 2.2 ROBUSTNESS .................................................................................................................................................... 10 2.3 HARVESTABILITY ............................................................................................................................................. 10 2.4 BIOMASS COMPOSITION ................................................................................................................................... 10 2.5 PROCESSABILITY / EXTRACTABILITY ................................................................................................................ 11 2.6 ADDED VALUE OF CO-PRODUCTS ..................................................................................................................... 11 2.7 LOCAL ORIGIN OF STRAINS ............................................................................................................................... 11 3 BIOLOGY OF ALGAE....................................................................................................................................... 12 3.1 CYANOBACTERIA ............................................................................................................................................. 12 3.2 CHLOROPHYTA (GREEN ALGAE)...................................................................................................................... 15 3.3 RHODOPHYTA (RED ALGAE)............................................................................................................................ 17 3.4 HETEROKONTOPHYTA ...................................................................................................................................... 18 3.4.1 Phaeophyceae (Brown algae)...................................................................................................................... 19 3.4.2 Eustigmatophyceae ..................................................................................................................................... 21 3.4.3 Other classes ............................................................................................................................................... 21 3.5 LABYRINTHULEA (PHYLUM HETEROKONTA) ................................................................................................... 21 3.6 BACILLARIOPHYTA (DIATOMS)........................................................................................................................ 22 3.7 HAPTOPHYTA ................................................................................................................................................... 24 3.8 DINOPHYTA (DINOFLAGELLATES) ................................................................................................................... 24 3.9 OTHER ALGAL GROUPS..................................................................................................................................... 26 4 BIOTECHNOLOGY OF ALGAE ...................................................................................................................... 28 4.1 INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 28 4.2 CULTIVATION SYSTEMS ................................................................................................................................... 29 4.2.1 Open ponds ................................................................................................................................................. 30 4.2.2 Photobioreactors ......................................................................................................................................... 31 Main photobioreactors designs ...............................................................................................................................................32 Polyethylene bags and vertical columns.............................................................................................................................32 Tubular PBR ......................................................................................................................................................................33 Flat photobioreactors (panels) ............................................................................................................................................35



4.2.3 Sustainability of different cultivation systems............................................................................................ 35 4.3 HARVESTING METHODS.................................................................................................................................... 36 4.4 BIOTECHNOLOGY OF THE MAJOR MICROALGAL GROUPS .................................................................................. 37 4.4.1 Cyanobacteria ............................................................................................................................................. 37 4.4.2 Chlorophyta (Green Algae)......................................................................................................................... 38 4.4.3 Rhodophyta (Red Algae) ............................................................................................................................ 39 4.4.4 Heterokontophyta........................................................................................................................................ 39 4.4.5 Labyrinthulea (phylum Heterokonta).......................................................................................................... 40 4.4.6 Bacillariophyta (Diatoms)........................................................................................................................... 40 4.4.7 Haptophyta.................................................................................................................................................. 41 4.4.8 Dinophyta (Dinoflagellates)........................................................................................................................ 41 4.5 BIOTECHNOLOGY AND USES FOR MACROALGAE .............................................................................................. 41 4.6 BIOTECHNOLOGY OF OTHER AQUATIC BIOMASS ............................................................................................. 43 5 SYMBOLOGY.................................................................................................................................................... 44 6 REFERENCES .................................................................................................................................................... 45 7 PROKARYOTIC MICROALGAE ..................................................................................................................... 51 7.1 CYANOBACTERIA ............................................................................................................................................. 51 7.1.1 Arthrospira sp. (common name spirulina) .................................................................................................. 51 7.1.2 Phormidium sp............................................................................................................................................ 54 7.1.3 Anabaena sp................................................................................................................................................ 57 7.1.4 Synechococcus sp........................................................................................................................................ 60 7.1.5 Synechocystis sp.......................................................................................................................................... 62 AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 2 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



8 EUKARYOTIC MICROALGAE........................................................................................................................ 64 8.1 CHLOROPHYTA ................................................................................................................................................ 64 8.1.1 Ostreococcus sp. ......................................................................................................................................... 64 8.1.2 Tetraselmis sp ............................................................................................................................................. 66 8.1.3 Botryococcus braunii.................................................................................................................................. 70 8.1.4 Chlamydomonas reinhardtii ....................................................................................................................... 72 8.1.5 Haematococcus pluvialis ............................................................................................................................ 76 8.1.6 Dunaliella sp............................................................................................................................................... 79 8.1.7 Chlorococcum sp. ....................................................................................................................................... 83 8.1.8 Neochloris oleoabundans............................................................................................................................ 86 8.1.9 Scenedesmus sp........................................................................................................................................... 92 8.1.10 Desmodesmus sp. ........................................................................................................................................ 97 8.1.11 Chlorella sp. ............................................................................................................................................... 99 8.1.12 Parietochloris incisa................................................................................................................................. 109 8.1.13 Prototheca sp. ........................................................................................................................................... 111 8.2 RHODOPHYTA ................................................................................................................................................ 113 8.2.1 Porphyridium cruentum ............................................................................................................................ 113 8.3 BACILLARIOPHYTA ........................................................................................................................................ 115 8.3.1 Benthic diatoms (Amphora; Amphiprora; Cylindrotheca; Navicula; Nitzschia) ...................................... 115 Amphora sp. ..........................................................................................................................................................................115 Amphiprora hyalina ..............................................................................................................................................................116 Cylindrotheca sp. ..................................................................................................................................................................116 Navicula sp. ..........................................................................................................................................................................117 Nitzschia dissipata ................................................................................................................................................................118



8.3.2 Phaeodactylum tricornutum...................................................................................................................... 126 8.3.3 Chaetoceros muelleri................................................................................................................................ 126 8.3.4 Cyclotella cryptica.................................................................................................................................... 136 8.3.5 Odontella aurita........................................................................................................................................ 139 8.3.6 Skeletonema sp.......................................................................................................................................... 141 8.3.7 Thalassiosira pseudonana ........................................................................................................................ 143 8.4 EUSTIGMATOPHYCEAE (PHYLUM HETEROKONTOPHYTA) .............................................................................. 146 8.4.1 Monodus subterraneus.............................................................................................................................. 146 8.4.2 Nannochloropsis sp................................................................................................................................... 148 8.5 HAPTOPHYTA ................................................................................................................................................. 153 8.5.1 Isochrysis sp.............................................................................................................................................. 153 8.5.2 Pavlova sp................................................................................................................................................. 156 8.6 DINOPHYTA ................................................................................................................................................... 159 8.6.1 Crypthecodinium cohnii............................................................................................................................ 159 8.7 LABYRINTHULOMYCETES .............................................................................................................................. 162 8.7.1 Schizochytrium sp. .................................................................................................................................... 162 8.7.2 Thraustochytrium sp. ................................................................................................................................ 164 8.7.3 Ulkenia sp. ................................................................................................................................................ 166 9 MACROALGAE............................................................................................................................................... 167 9.1 CHLOROPHYTA .............................................................................................................................................. 167 9.1.1 Caulerpa sp............................................................................................................................................... 167 Caulerpa racemosa ...............................................................................................................................................................167 Caulerpa taxifolia .................................................................................................................................................................168



9.1.2



Ulva sp. ..................................................................................................................................................... 170



Ulva lactuca..........................................................................................................................................................................170 Ulva rigida............................................................................................................................................................................170



9.1.3 9.1.4



Cladophora sp. ......................................................................................................................................... 178 Codium sp. ................................................................................................................................................ 180



Codium fragile ......................................................................................................................................................................180 Codium parvulum..................................................................................................................................................................180



9.2 RHODOPHYTA ................................................................................................................................................ 183 9.2.1 Chondrus crispus ...................................................................................................................................... 183 9.2.2 Mastocarpus stellatus ............................................................................................................................... 185 9.2.3 Grateloupia turuturu................................................................................................................................. 187 9.2.4 Palmaria palmata ..................................................................................................................................... 189 9.2.5 Solieria chordalis...................................................................................................................................... 191 9.3 PHAEOPHYCEAE (PHYLUM HETEROKONTOPHYTA) ........................................................................................ 193 9.3.1 Alaria esculenta ........................................................................................................................................ 193 9.3.2 Undaria pinnatifida .................................................................................................................................. 195 AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 3 of 258 



  9.3.3 9.3.4



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Ascophyllum nodosum .............................................................................................................................. 197 Fucus sp. ................................................................................................................................................... 199



Fucus serratus.......................................................................................................................................................................199 Fucus spiralis........................................................................................................................................................................199 Fucus vesiculosus..................................................................................................................................................................200



9.3.5 9.3.6



Himanthalia elongata ............................................................................................................................... 202 Cystoseira sp............................................................................................................................................. 204



Cystoseira baccata................................................................................................................................................................204 Cystoseira tamariscifolia ......................................................................................................................................................205



9.3.7 9.3.8 9.3.9



Halidrys siliquosa ..................................................................................................................................... 207 Sargassum muticum .................................................................................................................................. 208 Laminaria, Saccharina, Saccorhiza.......................................................................................................... 210



Laminaria sp. ........................................................................................................................................................................210 Laminaria digitata ...........................................................................................................................................................210 Laminaria hyperborea......................................................................................................................................................211 Laminaria ochroleuca......................................................................................................................................................212 Saccharina latissima .............................................................................................................................................................212 Saccorhiza polyschides .........................................................................................................................................................213



10 OTHER AQUATIC BIOMASS ........................................................................................................................ 221 10.1 EGERIA DENSA ................................................................................................................................................ 221 10.2 EICHHORNIA CRASSIPES................................................................................................................................... 223 10.3 ELODEA CANADENSIS ...................................................................................................................................... 226 10.4 LAGAROSIPHON MAJOR .................................................................................................................................... 228 10.5 LEMNA MINOR ................................................................................................................................................. 231 11 CONCLUDING REMARKS............................................................................................................................. 236 ANNEX I ................................................................................................................................................................... 237



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 4 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



1  Introduction  Algae  are  a  group  of  organisms  that  have  been  generally  described  as  photoautotrophic  unicellular  or  multicellular, mainly water dwelling organisms lacking complex morphological organization. Historically, the  prokaryotic  blue‐green  algae,  or  cyanobacteria  (Class  Cyanophyceae),  are  often  included  in  discussing  microalgae, and indeed some cyanobacterial species (Arthrospira or spirulina) hold a prominent position in  the biotechnological exploitation of microalgae.   There are several main groups of microalgae differing in biochemical constituents, ultrastructure, and  life  cycle.  Some  of  the  characteristics  traditionally  used  for  algae  classification  are  the  nature  of  their  photosynthetic pigments, storage products, cell wall, presence or absence of   flagella and  the number  of  membranes surrounding the chloroplast.   More  recently  classification  has  been  based  on  comparisons  of  specific  DNA  sequences,  leading  to  major  revisions  in  classification  of  many  groups  of  alga.  Recent  molecular  genetic  studies  confirmed  that  photoautotrophic  eukaryotes  belong  to  several  highly  diverse  groups  of  organisms  and  are  the  result  of  different  and  independent  events  of  secondary  endosymbioses.  As  a  consequence  algae  belong  to  genetically widely diverting groups of organisms often closer related to nonphotosynthetic organisms than  to  more  distant  algal  clades  (Fig.  1).  This  fact  requires  due  attention  when  developing  tools  such  as  transformation or genetic engineering etc for microalgae.  The  most  recent  results  on  algal  taxonomy,  are  summarized  in  detail  by  the  Tree  of  Life  project  (http://tolweb.org/tree/) and AlgaeBase (http://www.algaebase.org/), both providing up to date taxonomic  information concerning classification of algal species, that is continuously being updated and revised in light  of newest results obtained by molecular genetic approaches such as DNA sequence comparisons. 



 



  Figure 1 ­ Phylogenetic tree of the eukaryotic organisms (modified from Tree of Life Project 



http://tolweb.org/tree/). 



  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 5 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Microalgae  reproduction  occurs  primarily  by  vegetative  (asexual)  cell  division,  although  sexual  reproduction can occur in many species under appropriate growth conditions.  



1.1 Importance of algae and aquatic biomass for biofuels   1.1.1



Suitability of algae as biomass producers 



Microalgae are considered fast‐growing photosynthetic organisms and have been reported to reach  short  term maximal summer productivities of 50 ‐ 60 g per m2 per day in CO2 enriched raceway ponds in Hawaii  and  California.  This  corresponds  to  transformation  of  5‐6%  of  incoming  light  energy  into  biomass.  Such  numbers,  as  well  as  productivity  data  from  lab  scale  experiments  have  promoted  the  reputation  of  microalgae  as  prime  candidates  for  providing  unlimited  amounts  of  cheap  biomass  as  food,  fodder  or  energy. Furthermore many algal strains can produce large amounts of oil or lipid like storage products that  can  easily  be  converted  into  biodiesel  (Sheehan  et  al.,  1998).  This  has  been  used  by  some  to  combine  maximal biomass productivity with maximal oil content, yielding phantastic  oil productivity numbers that  have been exploited for funding intensive research on algal biofuels production. Potential oil productivities  of  over  100  tons/ha  per  year  were  initially  predicted.  However,  none  of  the  large  scale  long  term  experiments  ever  reached  the  high  productivity  projections.  Current  productivity  obtained  in  large  scale  operations  range  from  40  –  60  tons  of  algal  biomass  production  per  ha  and  year,  with  conservative  projections anticipating up to 100 tons of biomass, or 30 tons of biodiesel per ha and year in subtropical or  tropical, sunny climates (Scott et al., 2010).  Five  groups  of  microalgae  were  classified  as  high  priority  for  biofuel  production  by  the  US  microalgal  species  program  ASP  (Sheehan  et  al.,  1998):  diatoms  (Class  Bacillariophyceae),  green  algae  (Class  Chlorophyceae),  golden‐brown  algae  (Class  Chrysophyceae),  prymnesiophytes  or  haptophytes  (Class  Prymnesiophyceae),  and  eustigmatophytes  (Class  Eustigmatophyceae).  However,  different  classes  of  macroalgae, as well as further yet less studied  microalgal groups may turn out to be  equally relevant for  successful biomass production from algae.  Other aquatic biomass such as water lentils (Lemna), water hyacinth, Elodea and others have also been  considered  for  potential  biofuel  production  due  to  their  significant  productivity  and  their  usefulness  in  treating polluted nutrient rich water bodies.  1.1.2



Sustainability, the strategic advantage of algal biofuels  



Land Use ‐ Current biofuels such as oil from soy bean, palm, and rape seed, or ethanol from corn or wheat,  suffered from serious setbacks revealed by recent analysis showing their adverse ecological impact and low  greenhouse gas reduction potential. A recent statement by UNEP Director, A. Steiner, reads: "biofuels from  palm  oil  grown  by  Indonesia  might  never  be  deemed  to  be  sustainable",  due  to  ongoing  destruction  of  tropical  forests  for  expanding  palm  oil  production.  In  addition,  with  yields  of  less  than  500‐5,000  L  of  biodiesel  per  hectare  (Johnston  et  al.,  2009),  those  crops  require  enormous  areas  of  scarce  arable  land,  water and fertilizer and are generally highly work intensive. Life cycle assessments (LCA) indicate that no, or  very low, reductions in greenhouse gas emissions can be achieved using such biofuels (Zah et al., 2007), and  if they are being produced following conversion of natural ecosystems their GHG emissions surpass those  of fossil fuels for years to come (Fargione et al., 2008). The major impact, land use, is often not adequately  considered  if  the  strategic  implications  of  expanding  biofuels  production  are  taken  into  account  (Searchinger et al., 2008): 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 6 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



Supplying the world's 2030 liquid fuel demand from dedicated biofuel crops would consume all or most  of the available land in the appropriate climatic zones including most remaining natural ecosystems even if  the most productive biofuels crops such as palm oil, Miscanthus cellulosic ethanol or sugar cane ethanol or  an optimized mix of those crops were planted. Even if a doubling of yields is achieved in the next 20 years,  around  half  of  the  worlds  remaining  intact  ecosystems  will  have  to  be  sacrificed  to  cover  the  projected  liquid fuel demand.   Only algae can provide sufficient liquid fuels on a few percent of available dryland areas. Algal biomass  if  managed  properly,  may  be  produced  on  unproductive  desert  land,  under  utilization  of  ocean  or  waste  water  by  exploiting  and  recycling  of  waste  nutrients  from  municipal  and  agricultural  sources,  since  no  health  concerns  need  to  be  considered  for  biofuel  production.    Algal  biofuel  production  is  thus  complementary  to  ongoing  efforts  to  grow  lignocellulosic  biomass  in  areas  with  good  soil  and  water  resources, because the microalgae are projected to be grown in those areas where the lignocellulosic or oil  seeds crops will not perform well (Brown, M. Lewis, “Biodiesel from Microalgae: Complementarity in a Fuel  Development  Strategy”,  NREL,  http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/5715.pdf  ).  Algae  may  produce  sufficient biofuels on less than 10% of available drylands even under current productivity estimates, often  using the most unproductive areas like salt flats or degraded dryland soils. They may also deliver additional  environmental services such as wastewater treatment or exhaust gas detoxification.    Table 1 ‐ Comparison of land use impact of various biofuel crops. *For all crops it is assumed that 50% of biomass  energy is used for process energy and all nutrients will be recycled to the maximum possible, according to the state  of the art of sugar cane ethanol production. In Miscanthus this 50% are removed from the claimed ethanol yield,  since  no  leftover  biomass  is  available  for  process  energy.  The  crops  marked  in  italics,  as  well  as  algae,  are  experimental as no actual production in the large scale has been demonstrated. (Land areas are derived from Ito  and Oikawa, 2004; biofuel productivities are derived from Johnston et al., 2009). 



Land type 



Area   (mio km2) 



Tropical and subtropical  evergreen forest  Tropical and subtropical  dry forest  Tropical Savanna,  Woodland  Mid lattitude forests,  abandoned croplands 



Warm  Shrubland/grassland or  desert 



Natural Productivity   (tons of carbon fixed per 



Crop and  biofuel yield  



hectare and year) 



(tons per ha / GJ  per ha) 



Palmoil  (5 / 189)  Jatropha‐ oil  (1.5 / 56.7 ) 



% area of  corresponding  ecosystem required  to cover 2030  demand 



10.5 



10.7 



110%!!! 



4.7 



7.67 



6.7 



6.65 



Cane‐ethanol  (4.34 / 116) 



270 % 



14 



5.30 



Miscanthus  cellulosic  ethanol*  (4.4 / 120) 



95 % 



33 



1 – 3.50 



Algae‐ oil  (20 / 756) 



5.4 – 8.2 % 



765%!! 



  Other  Environmental  Services  ‐  Interestingly,  even  under  desert  conditions  the  water  footprint  of  algal  biomass production is lower than that of irrigated maize ethanol production, calculated on the water input  per  unit  of  energy  created.  Our  estimates  suggest  that  it  requires  less  than  0.5  million  liters  of  water  to  produce  one  1  ton  of  dry  algal  biomass,  and  this  may  be  waste‐  or  seawater.  It  can  take  about  3  million  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 7 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



liters  of  water  to  produce  1  ton  of  rice  and  about  2  million  liters  to  produce  1  ton  of  soybeans  (www.clw.csiro.au/issues/water/water_for_food.html  and  www.gdrc.org/uem/footprints/water‐ footprint.html).  However,  significant  investments  into  (waste)‐water  and  CO2  infrastructure  would  be  required to achieve the necessary global algae biomass production potential.   Properly  planned  algal  biomass  production  facilities  may  recover  and  reuse  most  of  the  nutrients  applied,  minimizing  eutrophication  impact,  and  this  in  contrast  to  intensive  agriculture  where  nutrient  runoff and escaping nitric oxide pose serious problems.  In  fact,  algae  have  been  shown  to  be  able  to  treat  successfully  any  kind,  even  the  most  problematic,  forms of wastewater. Pesticide use in algal cultivation is expected to be minimal. Even a small proportion of  the algal biomass required for energy purposes would provide sufficient protein to replace all the soybean  cultivation  capacity  installed  for  feed  production,  resulting  in  reduced  deforestation  or  'negative  indirect  land use changes' (Searchinger et al., 2008).  While  algal  biomass  production  may  never  achieve  the  low  production  costs  of  other  agricultural  commodities,  full  accounting  of  above  and  additional  environmental  services  may  result  in  a  balance  favouring the algal fuels. This point requires intensive investigation progressing far beyond currently used  LCA  models  (Stephenson  et  al.,  2010),  starting  with  defining  those  production  parameters  and  system  boundaries that will actually deliver the above mentioned environmental advantages. 



1.2 Rationale of the document  This document summarizes in short current views and prospects on the potential contribution of algae to  biofuel production.   Recent predictions and calculations, both at the EU level and in the US (A USDA Regional Roadmap to  Meeting the Biofuels Goals of the Renewable Fuels Standard by 2020, USDA Strategic Biofuels Production  report,  June  2010),  do  not  incorporate  a  significant  algae  potential  into  their  projections  for  the  next  10  years.  This  is  dictated  by  the  fact  that  algae  experts  and  external  observers  disagree  about  the  true  potential of algal biofuels production relating to economic and environmental sustainability, and any given  time frame for achieving competitive algal biofuel production is speculative at the best.   Given  the  high  complexity  of  algal  taxonomy  and  evolutionary  relationships,  this  document  was  conceived as an instrument to place the algae that have arisen an interest for biofuel production within the  correct frame. The list of algae proposed is based on the literature concerning biofuel production, on the  commercially  produced  algae  and  on  the  feedback  from  the  questionnaire  in  deliverable  1.1.  Detailed  description of biotechnology is provided only for pivotal taxa or group of taxa, that are actually produced at  least  at  pilot  scale.  These  taxa  represent  the  reference  model  for  those  taxa  that  are  not  currently  exploited.  It was beyond the scope of this document  to propose any kind of new or revised taxonomy of algae.  The  classification  reported  is  based  on  AlgaeBase  (http://www.algaebase.org/)  and  Tree  of  Life  project  (http://tolweb.org/tree/).  The  other  aquatic  biomasses  species  reported  are  all  invasive  weeds  that  have  been  proposed  as  biofuel  crops.  The  classification  reported  is  based  on  ITIS  Catalogue  of  Life  2010  (http://www.catalogueoflife.org/annual‐checklist/2010/search/all)  and  US  Department  of  Agriculture  PLANTS Database (http://plants.usda.gov/).   



1.3 Target groups  Since  the  major  gaps  in  knowledge  concerning  algal  biofuels  are  the  lack  of  operating  pilot  scale  and  commercial  algal  biofuels  production  facilities,  the  target  audience  for  this  report  are  all  interested  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 8 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



stakeholders  in  Europe’s  energy,  agricultural  and  environmental  policy,  such  as  policy  makers,  NGOs,  research  infrastructures,  interested  industries  and  financial  institutions.  The  conclusion  of  this  report  should be an appeal for rapid and significant investments into algae related biomass production in the form  of  public  or  privately  managed  pilot  or  production  facilities  with  the  aim  of  testing  a  multitude  of  operational  parameters  for  increasing  yields  and  sustainability  while  reducing  production  costs  of  algal  biomass as much as possible. Taking into account the long term multi trillion Euro per year energy and by‐ product  market,  this  report  aims  at  convincing  all  involved  potential  stakeholders  and  investors  to  designing long term strategies for funding an algae based fuel and biomass development program that may  provide the necessary insight on their undoubtedly huge potential. 



1.4 Problems incurred   It  is  a  disturbing  fact  that  today  no  results  on  true  sustained  biomass  production  yields  for  biofuels  production  are  available,  and  no  functional  biofuel  production  plant  is  accessible  anywhere  around  the  world. Thus all recent publications in the field, be it yields, economics or LCA, remain pure speculation and  demand greatest care in their interpretation.  During  the  last  10  years  algal  biofuels  companies,  driven  by  large  investments  from  venture  capital,  have aimed to demonstrate a potential for rapidly achieving economic profitability. This trend lead to high  degrees of secrecy surrounding mysterious processes developed whose technical and scientific soundness  cannot be confirmed nor discarded due to lacking access to raw data and facilities. The summary presented  below therefore relies on publications and patents released by mostly academic institutions and a few open  minded  companies  feeling  that  little  in  terms  of  technology  and  biology  in  the  process  of  algal  biomass  production  deserves  this  degree  of  secrecy.  Nevertheless  it  cannot  be  excluded  that  certain  secret  breakthroughs may have been achieved recently that would put the state of the art significantly ahead of  what is being presented here.   



1.5 Common erroneous "myth"   In contrast to often voiced opinions, algae are not significantly more efficient in biomass production than  other plants grown under optimal conditions. The most common error is comparing biomass doubling time  or  specific  growth  rates,  which  indicate  the  rate  of  biomass  accumulation  under  exponential  growth  conditions,  where  indeed  algae  and  cyanobacteria  may  multiply  several  times  per  day.  However,  those  conditions  are  possible  under  very  low  biomass  densities  only  that  are  not  applicable  to  large  scale  algal  cultivation  since  actual  biomass  produced  per  day  is  in  fact  lower  than  in  cultures  with  higher  biomass  densities,  where  all  the  incoming  light  is  captured  by  algae  and  used  for  photosynthesic  biomass  production.   If  such  doubling  times  of  exponentially  growing  cultures  are  being  applied  to  denser  cultures  (which  could be done with heterotrophic organisms by increasing the food input) in fact very easily fantastic daily  growth  rates  can  be  assumed.  However  other  than  in  heterotrophic  culture  conditions  the  one  and  only  energy source for growth of algae is incoming light energy that is transformed with an efficiency of around  3% into biomass. Under absolutely optimized conditions in terms of temperature, light intensity, mixing and  CO2  supply,  higher  photosynthetic  efficiencies  of  up  to  7%  may  be  achieved,  however  under  exponential  increase  in  bioreactor  and  maintenance  costs  that  are  generally  claimed  not  to  be  covered  by  increased  yield, and also require far higher energy inputs leading to a negative ratio between energy input and gain in  form of algal biomass for example in tubular photobioreactors (Jorquera et al. 2010). 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 9 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



2 Criteria for strain selection  The  objective  was  to  agree  on  criteria  for  both  micro‐  and  macro  algae  on  which  species  can  be  selected  for  their  suitability  for  biofuel  production.  These  criteria  should  ideally  be  quantitatively  measurable. For all criteria one should keep an outdoor, large scale system in mind, because for lab  (scale) experimentations different criteria may apply.  



2.1 Productivity  This includes productivity of biomass and of specific biomass components (e.g. lipids). In order to be  able  to  compare  algae  with  traditional  crops  and  with  each  other  in  terms  of  productivity,  the  most  objective  criterion  is  to  use  photosynthetic  efficiency  as  a  measure  for  productivity.  Basically  this  means the % of available light (energy) that is converted into biomass or specific biomass components.  In this way all species and all cultivation systems can be compared.  



2.2 Robustness  This is a rather vague term which includes resistance to many extreme conditions. This criterion can be  best assessed using table in which the resistance to these several conditions is scored.  Table 2‐ Conditions of robustness. 



Condition  pH  Oxygen concentration  Temperature 



Salinity 



Organic contaminants 



Relevant for  Reduce risk of infection  CO2 transfer  Closed photobioreactors  Outdoor cultivation  Open water cultivation 



Range  i.e. 10 



>20%  Large  range  to  accommodate  day/night  and  seasonal  fluctuation  (e.g. 10 – 40 °C)  Cultivation  in  fresh  /  sea  /  e.g 0‐10% salinity  brackish water  Reduce risk of infection  Ability  to  grow  on  Concentration  of  organic  wastewater / flue gas  contaminants  that  still  allows  good  growth 



2.3 Harvestability  For  microalgae  this  will  mainly  be  the  sedimentation  rate  and  the  possibilities  for  induced‐  or  auto  flocculation.  For macroalgae this includes the possibilities for mechanical harvesting or harvesting by hand. 



2.4 Biomass composition  This should include a breakdown of the total biomass composition in:  • total caloric value of the biomass (for burning it),  • % lipids and lipid composition (for biodiesel),  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 10 of 258 



  • • •



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



%  starch  and  carbohydrate  composition  (for  bio  ethanol  and  to  identify  higher  value  byproducts (i.e. agar),  % protein and protein composition (soluble/insoluble for food/feed purposes),  presence of heavy metals or toxins (specification). 



2.5 Processability / extractability  This  should  include  relevant  aspects  for  biorefinery,  such  as  the  cell  volume,  thickness/toughness  of  the cell wall and the presence of tough fibers (macroalgae) and the moisture content. A measure for  this could be the energy input per gram of dry weight necessary for full biorefinery. 



2.6 Added value of co­products  Does  the  organism  produce  any  by‐  or  co‐product  that  have  an  intrinsic  added  value,  such  as  carotenoids. This is important to reduce the costs of the final biofuel product. Here a specification of  the compounds and their expected added value per gram of dry biomass should be indicated.  



2.7 Local origin of strains  The use of locally selected strains may be of significance both for ease of management and for reasons  of  sustainability  Based  on  criteria  of  the  'Roundtable  on  Sustainable  Biofuels'  (http://rsb.epfl.ch/).  Non‐native  potentially  invasive  biofuels  crops  should  not  be  used  in  open  cultivation  systems,  and  adherence  to  this  rule  will  require  the  identification  and  use  of  locally  isolated  algal  strains.  Furthermore  such  strains  may  have  unique  adaptations  to  the  local  climate,  water  and  possible  parasites that imported or even laboratory grown strains may not have.     



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 11 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



3 Biology of algae  Algae  are  an  assemblage  of  organisms  that  have  been  generally  described  as  photoautotrophic  unicellular  or  multicellular  organisms  lacking  complex  morphological  organization,  and  as  such  have  been  reclassified  several  times  in  recent  biology  according  to  technical  advances  on  the  basis  of  differences  in  subcellular  organization,  or  later  of  molecular  genetic  characteristics  that  will  allow,  when sufficient data will be available, precise determination of evolutionary relationships. Historically,  algae included also cyanobcateria, prokaryotic oxygenic phototrophs.   Many  microalgae  grow  quite  rapidly  and  their  reproduction  occurs  primarily  by  vegetative  (asexual)  cell  division,  although  sexual  reproduction  can  occur  in  many  species  under  appropriate  growth  conditions.  There  are  several  main  groups  of  microalgae,  which  differ  primarily  in  pigment  composition,  biochemical  constituents,  ultrastructure,  and  life  cycle.  Five  groups  were  of  primary  importance: diatoms (Bacillariophyta), green algae (Chlorophyta), Prymnesiophyta or Haptophyta and  Eustigmatophyta together with the prokaryotic blue‐green algae, or cyanobacteria.  Recent  molecular  genetic  studies  confirmed  that  photoautotrophic  eukaryotes  belong  to  several  highly  diverse  groups  of  organisms  and  are  the  result  of  different  and  independent  events  of  secondary  endosymbioses.  As  a  consequence  algae  are  a  genetically  widely  diverting  group  of  organisms,  a  fact  that  will  require  due  attention  when  developing  tools  such  as  transformation  or  genetic engineering etc.  



3.1 Cyanobacteria  Cyanobacteria  are  prokaryotic  photoautotrophic  microorganisms  that  can  be  found  in  almost  every  environment,  from  oceans  to  freshwater  to  bare  rock  to  soil.  Though  the  prokaryotic  Cyanobacteria  (commonly referred to as blue‐green algae) were traditionally included as "algae" in older textbooks,  many modern sources regard this as outdated as they are now considered to be bacteria.  Classification  ‐  The  cyanobacteria  were  traditionally  classified  by  morphology  according  to  the  International  Code  of  Botanical  Nomenclature  into  five  orders:  Chroococcales,  Pleurocapsales,  Oscillatoriales,  Nostocales  and  Stigonematales.  Starting  from  the  1970s  cyanobacteria  have  been  classified also according to the International Code of Nomenclature of Bacteria and they were treated  in  the  Bergey’s  Manual  of  Systematic  Bacteriology  Volume  3  of  the  1989  edition,  then  updated  in  volume  I  of  the  edition  of  2004,  where  cyanobacterai  are  subdivided  in  five  subsections,  I‐V,  corresponding to  the orders of the Botanical Code,  except that the Prochlorales have been included  within  the  cyanobacteria  and  precisely  in  the  I  subsection  (Komárek  and  Anagnostidis,  1986;  Anagnostidis and Komárek, 1988; Castenholz and Waterbury, 1989; Komárek and Anagnostidis, 1989;  Anagnostidis  and  Komárek,  1990;  Castenholz,  2001;Oren,  2004;  Wilmotte  and  Herdman,  2001;  Herrero and Flores (eds), 2008).  Cell structure ‐ The first two subsections include unicellular cyanobacteria (Castenholz and Waterbury,  1989; Castenholz, 2001). The members of Chroococcales are unicellular cyanobacteria that reproduce  by binary fission or budding. Cells are coccoid or rod shaped and can vary in length from 0.5 to 30 μm.  Division  can  occur  in  one  to  three  successive  planes,  so  that  cells  can  be  single  or  in  colonies.  The  classic  taxonomic  criterion  has  been  the  cell  morphology  and  the  plane  of  cell  division.  In  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 12 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Pleurocapsales,  cyanobacteria  reproduce  by  multiple  fission  which  generates  small  spherical  cells  named baeocytes, that can be motile or not according to the genus (Herdman and Rippka, 1988b). In  unicellular  forms  there  is  only  multiple  fission,  whereas  in  colonial  forms  after  binary  fission  on  different planes some of the cells undergo multiple fission.   The  remaining  sections  include  filamentous  cyanobacteria.  In  Oscillatoriales  (Castenholz  and  Waterbury,  1989;  Castenholz,  2001),  the  cells  are  uniseriately  arranged  and  do  not  form  specialized  cells (akinetes and heterocysts). They reproduce by binary fission in a single plane. Filament diameter  varies  from  0.4  to  100  μm.  Outside  the  cell  wall  a  sheath  may  be  present.  In  this  case  terminal  hormogonia  of  short  length  can  glide  out  of  the  sheath  and  eventually  form  new  sheaths.  New  filaments (or trichomes) are originated from fragmentation in correspondence to a dead cell or certain  cells (necridial cells) are purposely destined to die. In Nostocales and Stigonematales (Castenholz and  Waterbury, 1989; Castenholz, 2001) the cells have the ability to differentiate cells like heterocysts and  akinetes. Nostocales are filamentous cyanobacteria dividing only by binary fission in one plane, though  some genera produce false branching. Filaments may be composed of cells of uniform diameter or by  cells with decreasing diameter towards the end of the filament (tapering trichomes). Heterocysts may  be terminal and intercalary or only terminal in different genera. Motile trichomes (hormogonia) can be  formed for dispersion in some genera (Herdman and Rippka, 1988b). Resistance cell (akinetes) may be  formed  under  unfavorable  conditions  (Herdman  and  Rippka,  1988a).  Stigonematales,  unlike  Nostocales,  includes  species  with  truly  branched  trichomes.  Within  this  class  there  is  the  maximum  degree of complexity and differentiation of all the cyanobacterial groups. Longitudinal or oblique cell  division  occurs  in  addition  to  tranverse  division,  so  that  periodic  true  branching  and,  in  some  cases,  multiseriate trichomes are formed. Hormogonia may be formed, even if reproduction occurs mainly by  random  breakage  of  the  trichome.  Akinets  can  be  produced  in  some  genera.  Heterocysts  are  both  intercalary and terminal.  Cell diameter varies within a “trichome” as secondary branches are usually  narrower.  In cyanobacteria (Castenholz and Waterbury, 1989), generation times are usually higher than 24 h,  though some unicellular and oscillatorian strains can duplicate in 4 h. Some genera can have complex  morphogenetic  cycles  including  filamentation,  aseriate  phases,  dispersal  through  hormogonia  and  akinetes production.  Cyanobacteria  share  the  basic  cell  characteristics  with  the  other  Bacteria  (Stanier  and  Cohen‐ Bazire, 1977; Castenholz and Waterbury, 1989). The cell wall is of the Gram‐negative type, though the  peptidoglycan  layer  is  considerably  thicker  than  in  the  other  Gram‐negative  bacteria.  Many  cyanobacteria  have  a  sheath  or  glycocalix  or  capsule  or  gel,  mucilage  or  slime  outside  the  outer  membrane  of  the  cell  wall,  mainly  composed  of  polysaccharides.  Some  sheaths  can  have  a  microfibrillar  structure  and  can  become  laminated  with  aging  of  the  trichome.  Some  cyanobacteria  (and many hormogonia) can contain gas‐vesicles that allow buoyancy in the water column.  Cyanobacteria  have  an  elaborate  and  highly  organized  system  of  internal  membranes  which  function  in  photosynthesis  (thylakoids)  (Stanier  and  Cohen‐Bazire,  1977;  Castenholz  and  Waterbury,  1989). The lipophilic pigments chlorophyll a (both reaction centers and antenna) and photosynthetic  carotenoids  are  located  within  the  thylakoids,  while  the  hydrophilic  antenna  pigments  (allophycocyanin‐APC‐,  phycocyanin  ‐PC‐  and,  where  they  are  present,  phycoerythrin  –PE‐  or  phycoerythrocyanin ‐PEC) are located in the phycobilisomes which are attached to the outside of the  thylakoid membranes. The phycobilisome is haemidiscoidal and is composed of stacks of biliproteins in  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 13 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



the  order  (from  inside  to  outside)  APC,  PC,  PE  or PEC.  Genera  belonging  to  the  former  group  of  the  Prochlorales  lack  phycobilisomes  and  have  chlorophyll  b  as  antenna  pigment.  The  cyanobacterium  Acaryochloris  marina  has  been  reported  to  contain  chlorophyll  d  instead  of  chlorophyll  a  as  light  harvesting  pigment,  so  that  its  photosynthetic  process  depends  on  far‐red  light  (710‐718  nm)  (Miyashita et al., 2003).  The reserve carbohydrate is glycogen (Stanier and Cohen‐Bazire, 1977; Castenholz and Waterbury,  1989).  Cyanobacteria  contain  also  cyanophycin,  a  nitrogen  reserve  polymer  made  of  arginine  and  aspartic acid, polyphosphate granules and carboxisomes, that are a cell reserve of the photosynthesis  key enzyme rubisco (ribulose‐1,5‐biphosphate carboxylase). Some cyanobacteria also contain poly‐β‐ hydroxybutyrate granules.  Physiology ‐ Photosynthesis in cyanobacteria (Wolk, 1973; Stanier and Cohen‐Bazire, 1977; Castenholz  and  Waterbury,  1989)uses  water  as  an  electron  donor  and  produces  oxygen  as  a  by‐product.  This  water‐oxidizing  process  is  accomplished  by  coupling  the  activity  of  photosystem  (PS)  II  and  I  (Z‐ scheme). Under anaerobic conditions some genera (belonging to the I and III subsections) are able to  carry  out  anoxygenic  photosynthesis  using  only  PS  I  to  carry  out  cyclic  photophosphorylation  and  obtain ATP, and using electron donors other than water (hydrogen sulfide or thiosulphate) (Cohen et  al., 1975; Garlick et al., 1977). Carbon dioxide is reduced to form carbohydrates via the Calvin cycle.  During  respiration  reduced  NADP  is  obtained  through  the  pentose  phosphate  cycle.  The  plasma  membrane  contains  only  components  of  the  respiratory  chain,  while  the  thylakoid  membrane  hosts  both respiratory and photosynthetic electron transport.  Most cyanobacteria are obligate photoautotrophs, but some species can grow as heterotrophs in  the dark at the expense of glucose, fructose or sucrose. Under anaerobic conditions, some species can  perform lactate fermentation (Oren and Shilo, 1979).  Nitrogen  fixation  occurs  both  in  heterocystous  cyanobacteria  and  in  some  non‐hetrocystous  cyanobacteria.  To  avoid  contact  of  nitrogenase  with  oxygen  (and  then  its  permanent  inactivation)  these latter cyanobacteria adopt a temporal separation between the photosynthetic and the nitrogen  fixation  processes  (Bergman  et  al.,  1997).  Increased  respiration  rates  allow  to  control  the  oxygen  concentration inside the cell, due to diffusion, necessary to carry out cell metabolism. In heterocystous  forms, the nitrogen fixation process is spatially separated from the oxygenc photosynthesis. Nitrogen  fixation is carried out in specialized cells, the heterocysts (Adams and Duggan, 1999). These have many  characteristics  that  allow  to  reduce  diffusion  of  oxygen,  such  as  a  thick  cell  wall  surrounded  by  a  complex external envelope and a reorganization of the photosynthetic apparatus: lack of PS II to avoid  internal  oxygen  production,  presence  of  PS  I  to  obtain  ATP  through  cyclic  photophosphorilation.  Reducing power is obtained from vegetative cells in the form of sugars. Molecular nitrogen is fixed into  ammonia and immediately converted to organic form, usually as glutamine. As nitrogen fixation is a  very energy‐consuming process, nitrogenese is produced and heterocysts are differentiated only in the  absence of combined nitrogen in the environement surrounding the cell.  Ecology ‐ Cyanobacteria are the only group of organisms that are able to reduce nitrogen and carbon  in  aerobic  conditions,  a  fact  that  may  be  responsible  for  their  evolutionary  and  ecological  success  (Whitton and Potts (eds), 2000). They contribute significantly to global ecology and the oxygen cycle.  The  large  amounts  of  oxygen  in  the  atmosphere  originally  derive  from  the  activities  of  ancient  cyanobacteria. The tiny marine cyanobacterium Prochlorococcus was discovered in 1986 (Chisholm et  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 14 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



al., 1988) and, together with the picoplanktonic cyanobacteria, accounts for up to half of the primary  production of waters, from oligotrophic open ocean to estuarine ecosystems.  Due to their ability to fix nitrogen in aerobic conditions they are often found as symbionts (Rai et  al.  (eds),  2002)  with  a  number  of  other  groups  of  organisms  such  as  fungi  (lichens),  corals,  pteridophytes  (Azolla),  angiosperms  (Gunnera),  protists  (including  some  diatoms),  and  sponges.  The  rice paddies of Asia rely on nitrogen‐fixing cyanobacteria as fertilizers, both free biomass and symbiont  to the fern Azolla. They can occur as planktonic cells (thanks to the buoyancy ability) or form phototrophic biofilms in  freshwater and marine environments, they occur in damp soil, or even temporarily moistened rocks in  deserts (Whitton and Potts (eds), 2000). Some live in the fur of sloths, providing a form of camouflage.  Aquatic  cyanobacteria  are  probably  best  known  for  the  extensive  and  highly  visible  blooms  that  can  form in both freshwater and marine environments. The association of toxicity with such  blooms has  frequently led to the closure of recreational waters when blooms are observed. Certain cyanobacteria  produce cyanotoxins (Chorus and Bartram, 1999) including neurotoxins, hepatotoxins, cytotoxins, and  endotoxins.  Examples  of  cyanotoxins  are  anatoxin‐a,  anatoxin‐as,  aplysiatoxin,  saxitoxin,  cylindrospermopsin, microcystins, nodularin. These toxins can be dangerous to humans and animals.  Several  cases  of  human  poisoning  have  been  documented.  Recent  studies  suggest  that  significant  exposure to high levels of BMAA a non‐proteic aminoacid produced by many cyanobacteria could be  among the causes of neurodegenerative diseases such as Amyotrophic Lateral Sclerosis.  Genome  sequencing  ‐  The  unicellular  cyanobacterium  Synechocystis  sp.  PCC6803  was  the  third  prokaryote  and  first  photosynthetic  organism  whose  genome  was  completely  sequenced  (Kaneko  et  al.  1996)  .  It  continues  to  be  an  important  model  organism.  Today  over  40  complete  cyanobacterial  genomes  are  known  (www.ncbi.nlm.nih.gov).  The  smallest  genomes  have  been  found  in  Prochlorococcus spp.  (1.7  Mb) and the  largest in Nostoc punctiforme (9 Mb).  Those of Calothrix spp.  are estimated at 12‐15 Mb, as large as yeast.  Relationship to chloroplasts ‐ Chloroplasts found in eukaryotes (algae and plants) likely evolved from  an  endosymbiotic  relation  with  cyanobacteria.  This  endosymbiotic  theory  is  supported  by  various  structural  and  genetic  similarities.  Primary  chloroplasts  are  found  among  the  "true  plants"  or  green  plants as well as among the red algae and glaucophytes, marine species which contain phycobilins. It  now  appears  that  these  chloroplasts  probably  had  a  single  origin,  in  an  ancestor  of  the  clade  called  Primoplantae. Other algae likely took their chloroplasts from these forms by secondary endosymbiosis  or ingestion. 



3.2 Chlorophyta (Green Algae)  The  green  algae  are  a  large  group  of  algae  from  which  the  embryophytes  (higher  plants)  emerged  (Jeffrey  et  al.,  2004).  The  group  including  both  green  algae  and  embryophytes  is  monophyletic  (and  often  just  known  as  kingdom  Plantae).  The  green  algae  include  unicellular  and  colonial  flagellates,  usually but not always with two flagella per cell, as well as various colonial, coccoid, and filamentous  forms.  In  the  Charales,  the  closest  relatives  of  higher  plants,  full  differentiation  of  tissues  occurs  (Thomas, 2002). There are about 6,000 species of green algae. Many species live most of their lives as  single cells, while other species form colonies or long filaments.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 15 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Some  species  of  green  algae,  particularly  of  genera  Trebouxia  and  Pseudotrebouxia  (Trebouxiophyceae), can be found in symbiotic associations with fungi to form lichens. In general the  fungal species that partner in lichens can not live on their own, while the algal species is often found  living in nature without the fungus.  Prasinophyceae  are  a  class  of  primitive  eukaryotic  marine  green  algae  (Sym  and  Pienaar,  1993).  Their  best  known  genus  is  Ostreococcus,  which  is  considered  to  be  the  smallest  (ca.  0.95  μm)  free‐ living  eukaryote  and  which  has  been  detected  in  marine  samples  around  the  world  (Courties  et  al.,  1994).  Prasinophyceae  are  thought  to  have  low  cellular  complexity,  that  is,  they  possess  single,  multiple or no flagella and contain only a single chloroplast and a single mitochondrion. They also have  very small genomes for a eukaryote (about 12 Mbp), and the genomes of two Ostreococcus species,  taurii and lucimarinus, have been completely sequenced. It has been suggested that a prasinophyceae‐ like  flagellate  was  the  ancestor  to  Chlorophyta  and  Streptophyta  (Kapraun,  2007).  A  study  of  photosynthetic gene‐sequence diversity (rbcL) in the Gulf of Mexico indicated that Prasinophyceae are  particularly  prevalent  at  the  Subsurface  Chlorophyll  Maximum  (SCM)  (Warwick  et  al.,  2003)  and  several  different  ecotypes  of  Ostreococcus  have  been  detected  in  the  environment  (Guillou  et  al.,  2004). These ecotypes are distinguished by their adaptation to light intensities.   The  Chlorophyceae  are  one  of  the  classes  of  green  algae,  distinguished  mainly  on  the  basis  of  ultrastructural  morphology.  For  example  the  chlorophycean  CW  clade,  and  chlorophycean  DO  clade,  are  defined  by  the  arrangement  of  their  flagella.  Members  of  the  CW  clade  have  flagella  that  are  displaced  in  a  "clockwise"  (CW,  1–7  o'clock)  direction  eg.  Chlamydomonadales.  Members  of  the  DO  clade have flagella that are "directly opposed" (DO, 12–6 o'clock) e.g. Sphaeropleales.  They  share  many  similarities  with  the  higher  plants,  including  the  presence  of  asymmetrical  flagellated  cells,  the  breakdown  of  the  nuclear  envelope  at  mitosis,  and  the  presence  of  phytochromes, flavonoids, and the chemical precursors to the cuticle (Raven et al., 2005).   Cell structure ‐ Almost all forms have chloroplasts. These contain chlorophylls a and b, giving them a  bright  green  colour  (as  well  as  the  accessory  pigments  beta  carotene  and  xanthophylls),  and  have  stacked thylakoids (van den Hoek et al., 1995). All green algae have mitochondria with flat cristae. The  storage  product  for  members  of  this  group  is  true  starch,  amylose,  and  amylopectin  (α‐1,4‐linked  polyglucans), and is found inside the chloroplasts. The starch (seen as whitish granules with the TEM)  can  often  be  observed  surrounding  the  pyrenoid,  a  distinct  spherical  structure  embedded  in  the  chloroplast.  There  may  be  more  than  one  pyrenoid  or  the  prenoid  is  not  always  present  (e.g.,  Ankistrodesmus and Tetraedron) or the pyrenoid is lacking. In most representative taxa, the cells are  surrounded  by  a  cellulose  cell  wall  (Wehr  and  Sheath,  2003).  Some  taxa  may  also  have  chitin  or  sporopollenin  deposited  on  the  wall.  This  gives  added  strength  and  is  thought  to  help  prevent  desiccation.  Some  taxa  have  wall  ornamentation,  such  as  scales,  a  rough  texture,  thick  walls  with  distinct layers, warts, ridges, and spines. The Volvocales usually have cell walls, loricae, or gelatinous  matrices  and  the  main  component  of  the  cell  walls  is  glycoprotein,  rather  than  cellulose.  The  flagellated green microalgae can have from one to eight isokont flagella.   The  Chlorophyta  macroalgae  share  the  following  common  characteristics:  flagella  of  swimming  cells  in  pairs  or  multiples  of  two;  stellate  structure  linking  nine  pairs  of  microtubules  at  basal  body  transition  zone;  thylakoids  single  or  stacked;  plastid  with  two  membranes  without  periplastid  endoplasmic  reticulum;  starch  inside  plastid;  glycolate  dehydrogenase  present;  cell  wall,  when  present, of cellulose; cell division without phragmoplast.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 16 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Origin ‐ The chloroplasts of green algae are bound by a double membrane, so presumably they were  acquired  by  direct  endosymbiosis  of  cyanobacteria.  A  number  of  cyanobacteria  show  similar  pigmentation, but this appears to have arisen more than once, and the chloroplasts of green algae are  no longer considered closely related to such forms. Instead, the green algae probably share a common  origin with the red algae.  Phylogeny ‐ The orders outside the Chlorophyta are often grouped as the division Charophyta, which  is paraphyletic to higher plants, together comprising the Streptophyta. Sometimes the Charophyta is  restricted  to  the  Charales,  and  a  division  Gamophyta  is  introduced  for  the  Zygnematales  and  Desmidiales. In older systems the Chlorophyta may be taken to include all the green algae, but taken  as above they appear to form a monophyletic group.  One of the most basal green algae is the flagellate Mesostigma, although it is not yet clear whether it  is sister to all other green algae, or whether it is one of the more basal members of the Streptophyta.  Reproduction ‐ Most green algae can proliferate vegetatively by cell division, often the mother cell can  divide  into  up  to  16  offspring  before  releasing  them.  They  often  can  profliferate  sexually  whereby  haploid  algae  cells  of  opposing  mating  type  (containing  only  one  copy  of  their  DNA)  can  fuse  with  other haploid cells to form diploid zygotes. They can also follow a reproduction cycle called alternation  of  generations.  Reproduction  varies  from  fusion  of  identical  cells  (isogamy)  to  fertilization  of  a  large  non‐motile  cell  by  a  smaller  motile  one  (oogamy).  However,  these  traits  show  some  variation,  most  notably among the basal green algae, called prasinophytes.  Some  taxa  produce  motile  cells  (planospores).  Planospores  may  be  asexual  zoospores  or  sexual  gametes. Aplanospores (nonmotile cells) may be also produced.  When  filamentous  algae  conjugate,  they  form  bridges  between  cells,  and  leave  empty  cell  walls  behind that can be easily distinguished under the light microscope.   The  species  of  Ulva  are  reproductively  isomorphic,  the  diploid  vegetative  phase  is  the  site  of  meiosis  and  releases  haploid  zoospores,  which  germinate  and  grow  producing  a  haploid  phase  alternating with the vegetative phase.  



3.3 Rhodophyta (Red Algae)  The  Rhodophyta  are  a  distinct  eukaryotic  lineage  characterized  by  the  accessory  photosynthetic  pigments  phycoerythrin,  phycocyanin  and  allophycocyanin  arranged  in  phycobilisomes,  and  the  absence of flagella and centrioles (Woelkerling, 1990). This is a large assemblage of between 2500 and  6000  species  in  about  670  largely  marine  genera  (Woelkerling,  1990)  that  predominate  along  the  coastal and continental shelf areas of tropical, temperate and cold‐water regions (Lüning, 1990). Red  algae are ecologically significant as primary producers, providers of structural habitat for other marine  organisms, and their important role in the primary establishment and maintenance of coral reefs. Red  algae are common and widespread, and ecologically important.  Cell  structure  ‐  Red  algae  have  a  number  of  general  characteristics  that  in  combination  distinguish  them from other eukaryotic groups:  • • •



absence of flagella and centrioles,   floridean starch as a storage product and the storage of starch in the cytoplasm,   phycoerythrin, phycocyanin, and allophycocyanin as accessory pigments,  



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 17 of 258 



  • •



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



unstacked thylakoids in plastids,  no chloroplast endoplasmic reticulum.  



The rhodophyta exhibit the following common characteristics: they are unicellular to multicellular (up  to  1  m),  mostly  free‐living  but  in  some  cases  parasitic  or  symbiotic,  with  chloroplasts  containing  phycobilins.  Cell  walls  are  made  of  cellulose  with  mucopolysaccharides  (mainly  agars  and  carrageenans) penetrated in many red algae by pores mostly blocked by proteins (complex referred to  as pit connections). Their mitochondria have flat cristae sometimes associated with forming faces of  dictyosomes.  Thylakoids  are  single,  with  phycobilisomes,  plastids  with  peripheral  thylakoid.  During  mitosis,  the  nuclear  envelope  mostly  remains  intact  but  some  microtubules  of  spindle  extend  from  noncentriolar polar bodies through polar gaps in the nuclear envelope.  Phylogeny  ‐  Traditionally  the  red  algae  were  divided  into  two  Classes  the  Bangiophyceae  and  Florideophyceae. Alternatively a single Class, the Rhodophyceae and two Subclasses, Bangiophycidae  and Florideophycidae are used. Based on ultrastructure and molecular evidence the Bangiophyceae is  now  accepted  as  a  paraphyletic  group,  while  the  Florideophyceae  is  considered  to  be  monophyletic  based on two synapomorphic characters ‐ presence of a filamentous gonimoblast and tetrasporangia  (Garbary and Gabrielson, 1990 [and references within], Ragan et al., 1994).  Reproduction ‐ They usually have separated phases of vegetative growth and sexual reproduction.  



3.4 Heterokontophyta  The  Heterokontophyta  are  a  major  line  of  eukaryotes.  Most  are  algae,  ranging  from  the  giant  multicellular kelp to the unicellular forms. The name heterokonts refers to the motile life cycle stage,  in which the flagellate cells possess two different shaped flagella (Leipe et al., 1994; Patterson, 1989).   Cell  structure  ‐  Heterokont  algae  are  surrounded  by  four  membranes,  which  are  counted  from  the  outermost to the innermost membrane. The first membrane is continuous with the host's chloroplast  endoplasmic  reticulum,  or  cER.  The  second  membrane  presents  a  barrier  between  the  lumen  of  the  endoplasmic reticulum and the primary endosymbiont or chloroplast, which represents the next two  membranes,  within  which  the  thylakoid  membranes  are  found.  This  arrangement  of  membranes  suggest  that  heterokont  chloroplasts  were  obtained  from  the  reduction  of  a  symbiotic  red  algal  eukaryote,  which  had  arisen  by  evolutionary  divergence  from  the  monophyletic  primary  endosymbiotic  ancestor  that  is  thought  to  have  given  rise  to  all  eukaryotic  photoautotrophs.  The  chloroplasts  usually  contain  chlorophyll  a  and  chlorophyll  c,  and  usually  the  accessory  pigment  fucoxanthin, giving them a golden‐brown or brownish‐green color.   Many  heterokonts  are  unicellular  flagellates,  and  most  others  produce  flagellate  cells  at  some  point  in  their  life‐cycle,  for  instance  as  gametes  or  zoospores.  The  name  heterokont  refers  to  the  characteristic  form  of  these  cells,  which  typically  have  two  unequal  flagella.  The  anterior  or  tinsel  flagellum  is  covered  with  lateral  bristles  or  mastigonemes,  while  the  other  flagellum  is  whiplash,  smooth  and  usually  shorter,  or  sometimes  reduced  to  a  basal  body.  The  flagella  are  inserted  subapically or laterally, and are usually supported by four microtubule roots in a distinctive pattern.  Mastigonemes  are  manufactured  from  glycoproteins  in  the  cell's  endoplasmic  reticulum  before  being transported to its surface. When the tinsel flagellum moves, these create a backwards current,  pulling  the  cell  through  the  water  or  bringing  in  food.  The  mastigonemes  have  a  peculiar  tripartite  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 18 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



structure,  which  may  be  taken  as  the  defining  characteristic  of  the  group,  thereby  including  a  few  protists that do not produce cells with the typical heterokont form. They have been lost in a few lines.  Origins ‐ Most basal heterokonts are colorless. This suggests that they diverged before acquisition of  chloroplasts  within  the  group.  Fucoxanthin‐containing  chloroplasts  are  also  found  among  the  haptophyta.  These  two  groups  may  have  a  common  ancestry,  and  possibly  also  a  common  phylogenetic  history  with  cryptophyta.  This  may  be  interpreted  as  suggesting  that  the  ancestral  heterokont  was  an  alga,  and  all  colorless  groups  arose  through  loss  of  the  secondary  endosymbiont  and its chloroplast.  Phylogeny  ‐  As  noted  above,  classification  varies  considerably.  Originally  the  heterokont  algae  were  treated as two divisions, first within the kingdom Plantae and later the Protista.  In  this  scheme,  however,  the  Chrysophyceae  are  paraphyletic  to  both  other  groups.  As  a  result,  various  members  have  been  given  their  own  classes  and  often  divisions.  Recent  systems  often  treat  these  as  classes  within  a  single  division,  called  the  Heterokontophyta,  Chromophyta  or  Ochrophyta.  This is not universal, however ‐ for instance Round et al. (1990) treat the diatoms as a division.  The discovery that oomycetes and hyphochytrids are related to these algae, rather than fungi as  previously thought, has led many authors to include them among the heterokonts. Should it turn out  that  they  evolved  from  colored  ancestors,  the  group  would  be  paraphyletic  in  their  absence.  Once  again,  however,  usage  varies.  Patterson  (1999)  named  this  extended  group  the  stramenopiles,  characterized by the presence of tripartite mastigonemes, mitochondria with tubular cristae, and open  mitosis.  He  used  the  stramenopiles  as  a  prototype  for  a  classification  without  Linnaean  ranks.  Their  composition  has  been  essentially  stable,  but  their  use  within  ranked  systems  varies.  Cavalier‐Smith  (1981) treats the heterokonts as identical in composition with the stramenopiles; this is the definition  followed  here.  He  has  proposed  placing  them  in  a  separate  kingdom  Chromalveolata,  together  with  the haptophytes, cryptomonads and alveolates. This is one of the most common revisions to the five‐ kingdom  system,  but  has  not  been  generally  adopted,  partly  because  some  biologists  doubt  their  monophyly.  A  few  treat  the  Chromalveolata  as  identical  in  composition  with  the  heterokonts,  or  list  them as a kingdom Stramenopila.  3.4.1



Phaeophyceae (Brown algae) 



The  class  of  the  Phaeophyceae  (Guiry  and  Guiry,  2007),  or  brown  algae,  is  a  large  group  of  mostly  marine  multicellular  algae,  including  many  seaweeds  of  colder  Northern  Hemisphere  waters.  Brown  algae are unique among heterokonts in developing into multicellular forms with differentiated tissues,  but  they  reproduce  by  means  of  flagellate  spores  and  gametes,  which  closely  resemble  other  heterokont cells. Genetic studies show their closest relatives to be the yellow‐green algae.  They play an important role in marine environments both as food, and for the habitats they form.  For instance Macrocystis, a member of the Laminariales or kelps, may reach 60 m in length, and forms  prominent  underwater  forests.  Another  example  is  Sargassum,  which  creates  unique  habitats  in  the  tropical  waters  of  the  Sargasso  Sea.  Many  brown  algae  such  as  members  of  the  order  Fucales  are  commonly found along rocky seashores. Some members of the class are used as food for humans.  Worldwide  there  are  about  1500‐2000  species  of  brown  algae.  Some  species  are  of  sufficient  commercial importance, such as Ascophyllum nodosum, that they have become subjects of extensive  research in their own right (Senn, 1987; van den Hoek, 1995).  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 19 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Algal  structure  ‐  Filamentous,  syntagmatic  or  parenchymatous;  cell  wall  present,  containing  alginate  compounds  and  cellulose;  plasmodesmata  or  pores  between  cells  in  parenchymatous  forms;  chloroplasts  with  girdle  lamella;  outer  chloroplast  endoplasmic  reticulum  membrane  with  direct  membrane  connection  to  the  outer  nuclear  envelope  membrane;  plastid  DNA  with  ring‐type  genophore;  eyespots  present  or  absent;  plastid  pigments  include  chlorophylls  a  and  c1  and  c2,  fucoxanthin,  and  violaxanthin;  swimming  cells  with  two  flagella  usually  inserted  laterally,  one  anteriorly  directed,  one  posteriorlydirected;  usually  four  microtubular  kinetosome  roots  but  no  striated  kinetosome  root  (rhizoplast);  flagellar  transitional  helix  typically  with  6  gyres  located  above  the major transitional plate; no paraflagellar rod; little to substantial tissue differentiation occurring in  parenchymatous  forms.;  macroscopic  or  microscopic,  some  polysiphonous;  some  form  crusts,  cushions or are hollow and others grow to form large leathery fronds (Jones, 1962).  Evolutionary  history  ‐  Phaeophyta  evolved  from  the  phaeothamniophyceae  between  150  and  200  million  years  ago.  Claims  that  earlier  (Ediacaran)  fossils  are  brown  algae  have  since  been  dismissed  (Loeblich, 1974; Medlin et al., 1997; Lee, 2008). The lineages of brown algae diverged in the following  order, from oldest to youngest: Dictyotales; Sphacelariales; Cutleriales; Desmarestiales; Ectocarpales;  Laminarales;  Fucales.  Their occurrence  as fossils is rare due  to their generally  soft‐bodied habit, and  scientists  continue  to  debate  the  identification  of  some  finds.  Only  a  few  species  of  brown  algae  deposit significant quantities of minerals in or around their cell walls. Other algal groups, such as the  red  algae  and  green  algae  have  a  number  of  calcareous  members,  which  are  more  likely  to  leave  evidence in the fossil record than the soft bodies of most brown algae. Miocene fossils of a soft‐bodied  brown macro algae, Julescrania, have been found well‐preserved in Monterey Formation diatomites,  but few other dubiously assigned fossils, particularly of older specimens are known in the fossil record  (Coyer et al., 2001).  Life cycle ‐ The life cycle shows great variability from one group to another. However the life cycle of  Laminaria  consists  of  the  diploid  generation,  that  is  the  large  kelp  well  known  to  most  people.  It  produces sporangia from specialised microscopic structures, these divide meiotically (meiosis) before  they are released. As they are haploid there are equal numbers of male and female spores (Thomas,  2002).  With  the  exception  of  the  Fucales  all  brown  algae  have  a  life  cycle  which  consists  of  an  alternation between haploid and diploid forms.  Ecology ‐ Brown algae have adapted to a wide variety of marine ecological niches including the tidal  splash zone, rock pools, the whole intertidal zone and relatively deep near shore waters. They are an  important  constituent  of  some  brackish  water  ecosystems,  and  four  species  are  restricted  to  life  in  fresh water (Lee, 2008). A large number of Phaeophyceae are intertidal or upper littoral, and they are  predominantly  cool  and  cold  water  organisms  that  benefit  from  nutrients  in  up  welling  cold  water  currents and inflows from land; Sargassum being a prominent exception to this generalisation. Brown  algae growing in brackish waters are almost solely asexual (Lee, 2008).  Chemistry ‐ Brown algae have a δ13C value between −‐20.8‰ – −10.5‰, in contrast with red algae and  greens. This reflects their different metabolic pathways (Fletcher et al., 2004).  They  have  cellulose  walls  with  alginic  acid;  fucoidin  also  important  in  amorphous  section  of  cell  walls. A few species (of Padina) calcify with aragonite needles (Lee, 2008). 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 20 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  3.4.2



Eustigmatophyceae 



Eustigmatophyceae (Hibberd, 1981; Andersen et al., 1998) are a small group (7 genera; 12 species) of  eukaryotic algae that includes marine, freshwater and soil‐living species (van den Hoek et al., 1995). In  terms of ecology, eustigmatophyceae occur as photosynthetic autotrophs across a range of systems.  Most genera  live in freshwater (Fawley, 2007) or in soil, although Nannochloropsis (Guiry and Guiry,  2007) contains marine species of picophytoplankton (2 → 4 μm).   Cell structure ‐ All eustigmatophyceae are unicellular, with coccoid cells and polysaccharide cell walls.  They  contain  one  or  more  yellow‐green  chloroplasts,  which  contain  chlorophyll  a  and  the  accessory  pigments  violaxanthin  and  β‐carotene.  Eustigmatophyte  zoids  (gametes)  possess  a  single  or  pair  of  flagella,  originating  from  the  apex  of  the  cell.  Unlike  other  heterokontophyta,  eustigmatophyceae  zoids  do  not  have  typical  photoreceptive  organelles  (or  eyespot);  instead,  an  orange‐red  eyespot  outside of the chloroplast is located at the anterior end of the zoid.  3.4.3



Other classes 



Yellow‐green  algae  or  Xanthophyceae  are  an  important  group  of  heterokont  algae.  Most  live  in  freshwater, but some are found in marine and soil habitats. They vary from single‐celled flagellates to  simple  colonial  and  filamentous  forms.  Xanthophyceae  chloroplasts  contain  the  photosynthetic  pigments chlorophyll a, chlorophyll c, β‐Carotene, and the xanthophylls vaucheriaxanthin, duatoxantin  and  diadinoxanthin.  Unlike  other  heterokonts,  their  chloroplasts  do  not  contain  fucoxanthin,  which  accounts  for  their  lighter  colour.  Its  storage  polysaccharide  is  chrysolaminarin.  Xanthophyceae  cell  walls are produced of cellulose and hemicellulose. They appear to be the closest relatives of the brown  algae  (Stace,  1991).  Recent  ultrastructural  and  molecular  phylogenetic  DNA  (nuclear  and  plastid)  research  shows  that  the  Mischococcales  might  be  paraphyletic,  and  the  Tribonematales  and  Botrydiales  polyphyletic,  and  suggests  two  orders  at  most  be  used  until  the  relationships  within  the  division are sorted (Adl et al., 2005).  The  golden  algae  or  Chrysophyceae  are  a  large  group  of  algae  found  mostly  in  freshwater.  Originally they were taken to include all such forms except the diatoms and multicellular brown algae,  but  since  then  they  have  been  divided  into  several  different  groups  based  on  pigmentation  and  cell  structure.  They  are  now  usually  restricted  to  a  core  group  of  closely  related  forms,  distinguished  primarily  by  the  structure  of  the  flagella  in  motile  cells,  also  treated  as  an  order  Chromulinales.  It  is  possible membership will be revised further as more species are studied in detail. Most members are  unicellular  flagellates,  with  either  two  visible  flagella,  as  in  Ochromonas,  or  sometimes  one,  as  in  Chromulina.  Most  genera  have  no  cell  covering,  some  have  loricae  or  shells.  Some  members  are  generally amoeboid, with long branching cell extensions, though they pass through flagellate stages as  well.  Other  members  are  non‐motile.  Cells  may  be  naked  and  embedded  in  mucilage,  such  as  Chrysosaccus, or coccoid and surrounded by a cell wall, as in Chrysosphaera. A few are filamentous or  even parenchymatous in organization, such as Phaeoplaca.  



3.5 Labyrinthulea (phylum Heterokonta)  Thraustochytrids  are  exclusively  marine  heterotrophic  protists  that  feed  non‐phagotrophically  as  saprobes, epibionts on algae (micro and macroalgae) or more rarely as parasites of microalgae (such as  Skeletonema) and animals. These unicellular eukaryotic protists are a common component of marine  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 21 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



microbial consortia. Whether to include or not this group among algae is still object of debate in the  scientific community, but due to their phylogenetic vicinity and to the fact that products from these  organism are on the market as “algal products” they are discussed in this document.   Cell structure – Thraustochytriidae present an ectoplasmic net (EN) that forms a branched network of  plasma  membrane  extensions,  associated  with  an  organelle  termed  the  bothrosome  or  sagenogenetosome  (sagenogen)  at  the  periphery  of  the  cell.  The  EN  contributes  to  the  increased  surface area of the cell and contains hydrolytic enzymes that are surface‐bound or are secreted into  the surrounding medium, helping in the digestion of organic material. The EN also attaches the cells to  surfaces and, in the case of thraustochytrids, penetrates organic particles (Raghu Kumar, 2002). Their  cell walls are composed of non‐cellulosic scales and contain sulphated polysaccharides, predominantly  of galactose or fucose, and proteins (Leander and Porter, 2001; Raghu Kumar, 2002). Vegetative stages  of thraustochytrids consist of single cells which are globose to subglobose, measuring 4 to 20 µm in  diameter, mostly growing epibiontically on various substrata.   Phylogeny  –  The  Labyrinthulomycota  are  a  group  of  microorganisms  of  uncertain  taxonomic  collocation. They were placed among fungi due to their functional ecology and morphology. They were  then placed in the group of Oomycetes due to the presence of biflagellate zoospores. (Raghu Kumar,  1996). Cavalier Smith et al. (1994) includes the Labyrinthulomycetes in the phylum Heterokonta, based  on  the  analysis  of  the  18S  rRNA.  The  Class  Labyrinthulea  is  then  subdivided  in  the  two  sub‐classes  Thraustochytridae and Labyrinthulidae.   Reproduction  –  The  Labyrinthulomycetes  possess  simple,  asexual  life  cycles.  Most  thraustochytrids  reproduce  by  means  of  zoospores  which  possess  a  long  anterior,  tinsel  flagellum  and  a  short,  posterior, whiplash flagellum. The mode of production of zoospores varies between genera and forms  the major taxonomic criterion (Raghu Kumar, 2002). The cytoplasmic contents of the mature cell, the  sporangium, divide directly into zoospores in the genus Thraustochytrium. The cytoplasm escapes as  one  amoeboid  mass,  prior  to  zoospore  division  in  the  genus  Ulkenia.  The  genus  Schizochytrium  is  characerised by successive bipartition of a vegetative cell, resulting in a cluster of cells, each of which  develops  into  a  zoosporangium  or  zoospore.  Species  within  the  genera  are  primarily  defined  by  the  number of proliferating bodies and the size and shape of the sporangia. 



3.6 Bacillariophyta (Diatoms)  Despite the abundance and diversity of diatoms in nature, few species are cultured in aquaculture or  for  biotechnology  relevant  products  (Lebeau  and  Robert,  2003).  Further,  only  a  handful  of  diatoms  have  been  studied  and  often  only  one  or  a  few  strains  without  any  information  on  intraspecific  variation.  There  is  a  need  to  identify  new  diatom  strains  with  as  much  positive  characteristics  as  possible  or  to  breed  or  select  for  improved  strains.  Therefore,  a  basic  knowledge  of  physiology,  ecology and taxonomy is important.  Diatoms are the most species‐rich and productive group of eukaryotic algae. Over a comparatively  short  evolutionary  time  (50  000  and  >160  000  ESTs available online.  Gross composition under optimal and stressed conditions  The variability of algal biochemical composition has been impressively demonstrated in C. reinhardtii during  its diurnal growth cycle. During the early light period most cellular mass is protein, during the second half of  the  light  period  the  alga  accumulates  up  to  50%  starch.  While  oil  droplets  in  Chlamydomonas  were  not  originally reported, recent studies revealed up to 20 % TAG under nitrogen starvation.   



BIOTECHNOLOGY  Clamydomonas  is  not  being  investigated  for  mass  cultivation  and  biomass  production,  though  Hu  et  al.  (2008) have included two Chlamydomonas species in their comparative study on lipid productivity with C.  applanta showing higher productivity than C. reinhardtii. However, the wide knowledge on its genetics and  cell biology has allowed revealing numerous mechanisms of interest to biofuels production.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 73 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Analysis of starch deficient mutants revealed the tight link between carbon allocation to starch or lipid  biosynthesis.  Identification  of  mirna  in  Chlamydomonas  has  revealed  their  usefulness  in  upregulation  of  lipid biosynthesis (Maor, personal communication).  Clamydomonas  has  the  potential  to  produce  large  amounts  of  hydrogen  because  it  can  directly  split  water into hydrogen and  oxygen  using the enzyme  hydrogenase. It was  discovered that when  the alga  is  deprived of essential sulfate salts, it no longer maintains the protein complex necessary for photosynthetic  production  of  oxygen  and  instead  switches  to  the  hydrogen‐producing  metabolic  pathway.  However,  the  alga  can  not  grow  in  a  sulfur  deprived  condition  for  long  time  before  it  needs  to  revert  to  the  oxygen producing  mode  (Torzillo  et  al.,  2009;  Ghirardi  et  al.,  2010).  Detailed  understanding  of  the  hydrogen  production process and the hydrogenase complex of Chlamydomonas have allowed creating mutants with  enhanced hydrogen production capacity.   Significant  efforts  have  been  undertaken  to  investigate  expression  of  recombinant  proteins  in  Chlamydomonas  reinhardtii  (Mayfield  et  al.,  2003).  Among  the  proteins  expressesd  successfully  are  antibody molecules, bovine mammary‐associated serum amyloid that may be expressed successfully both  in the cytoplasm or chloroplast. (e.g. Mayfield et al., 2007).   Culture media  C. reinhardiii can be cultivated in a large variety of synthetic growth media such as sager‐granick, high salt  (sueoka), tap, in presence or absence of acetate (Harris, 1989, p 31 on). Presence of acetate significantly  enhances the growth rate under diurnal light regime.  Production system  Possible biohydrogen production has  been investigated and  modelled in a study to nrel NREL  (Wade and  Amos, 2004), though no actual field tests and up scaling have been performed as actual studies have been  performed on the lab scale so far.  For  the  production  of  recombinant  proteins  rather  small  well  controlled  photobioreactors  are  suggested rather than large outdoors cultivation systems.    HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  • • •



Early genetic work, genetic transformation and fully sequenced genome make this alga the favorite  for exploring the power of genetic engineering in algal biotechnology (Harris, 1989).  Major breaktroughs are algae with increased hydrogen production, reduced chlorophyll etc. Mutants  with increased oil content due to impaired starch synthesis (Li et al., 2010), and application of mirna  miRNA technology for enhanced oil production (Maor, personal communication).  Furthermore  the  algae  has  been  used  to  express  and  produce  recombinant  medically  relevant  peptides and proteins (Mayfield et al., 2003, 2007). 



  References  Breidenbach  E.,  Leu  S.,  Michaels  A.,  Boschetti  A.  (1990)  Synthesis  of  EF‐Tu  and  distribution  of  tis  mRNA  between  stroma  and  thylakoids during the cell cycle of Chlamydomonas reinhardii. Biochimica et Biophysica Acta 1048: 209‐216.  Ghirardi M.L., Kosourov S., Maness P., Smolinski S., Seibert M. (2010) Algal Hydrogen production. In: Flickinger M.C., Anderson S.  (eds.)  Encyclopedia  of  Industrial  Biotechnology:  Bioprocess,  Bioseparation,  and  Cell  Technology.  John  Wiley  &  Sons,  Inc.,  Hoboken, NJ, USA. Vol.1, pp. 184‐198.  Harris  E.  (1989)  The  Chlamydomonas  Sourcebook:  A  Comprehensive  Guide  to  Biology  and  Laboratory  Use.Academic  Press,  San  Diego. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 74 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Hu Q., Sommerfeld M., Jarvis E., Ghirardi M., Posewitz M., Seibert M., Darzins A. (2008) Microalgal triacylglycerols as feedstocks for  biofuels production: perspectives and advances. The Plant Journal 54: 621‐639.  Leu  S.,  White  D.,  Michaels  A.  (1990)  Cell  cycle‐dependent  transcriptional  and  post‐transcriptional  regulation  of  chloroplast  gene  expression inChlamydomonas reinhardtii. Biochimica et Biophysica Acta 1049: 311‐317.  



Li Y., Han D., Hu G., Dauvillee D., Sommerfeld M., Ball S., Hu Q. (2010) Chlamydomonas starchless mutant defective in  ADP‐glucose pyrophosphorylase hyper‐accumulates triacylglycerol. Metabolic Engineering 12: 387‐391.  Mayfield  S.P.,  Manuell  A.L.,  Chen  S.,  Wu  J.,  Tran  M.,  Siefker  D.,  Muto  M.,  Marin‐Navarro  J.  (2007)  Chlamydomonas  reinhardtii chloroplasts as protein factories. Current Opinion in Biotechnology 18: 126‐133.   Mayfield S.P., Franklin S.E., Lerner R.A. (2003) Expression and assembly of a fully active antibody in algae. Proceedings  of the National Academy of Science of the USA 100: 438‐442.  Molnar  A.,  Bassett  A.,  Thuenemann  E.,  Schwach  F.,  Karkare  S.,  Ossowski  S.,  Weigel  D.,  Baulcombe  D.  (2009)  Highly  specific  gene  silencing  by  artificial  microRNAs  in  the  unicellular  alga  Chlamydomonas  reinhardtii.  The  Plant  Journal 58: 165‐174.  Torzillo  G.,  Scoma  A.,  Faraloni  C.,  Ena  A.,  Johanningmeier  U.  (2009)  Increased  hydrogen  photoproduction  by  means  of  a  sulfur  deprived Chlamydomonas reinhardtii D1 protein mutant. International Journal of Hydrogen Energy 34: 4529‐4536. 



Wade  A.,  Amos  A.  (2004)  Updated  cost  analysis  of  photobiological  hydrogen  production  from  Chlamydomonas  reinhardtii green algae. Milestone completion report, NREL/mp‐560‐35593. 



   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 75 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.5



Haematococcus pluvialis 



   



Figure 20 ‐ Green and astaxanthin containing H. pluvialis cells (light microscope).  D. Reinecke, BGU 



                    SYMBOLS:                        B, PIV   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Volvocales  Haematococcaceae  Haematococcus   Haematococcus pluvialis 



Related Species  There are 15 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 7 have been flagged as  currently accepted taxonomically.  H.  allmanii,  H.  buetschlii,  H.  capensis,  H.  carocellus,  H.  droebakensis  var.  fastigatus,  H.  droebakensis,  H.  grevillei,  H.  insignis,  H.  lacustris,  H.  murorum,  H.  pluvialis,  H.  salinus,  H.  sanguineus,  H.  thermalis,  H.  zimbabwiensis. 



BIOLOGY  Structural and morphological features  Haematococcus  pluvialis  is  a  medium  to  large  unicellular  green  algae  (10  –  100  μm)  with  a  large  single  cloroplast, two flagellae. Young cells are motile, ageing cells (palmelloids) lose their mobility. Under stress  the  algae  accumulates  the  carotenoid  asthaxanthin  in  cytoplasmic  oil  globules  and  enters  a  resting  stage  (Droop, 1954). The cell wall thickens and alters its chemical composition during maturation.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 76 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Biochemical composition of algae and aquatic biomass main constituents  During  steady  state  growth  the  algae  is  rich  in  protein,  with  less  than  10%  lipid  content,  displaying  the  typical green algal fatty acid composition with significant amounts of short (C16, C18) polyunsaturated fatty  acids  mainly  in  the  chloroplast  lipids,  chlorophylls  a  and  b  and  photosynthetic  carotenoids  such  as  β‐ carotene.  Under  stress  the  alga  accumulates  initially  up  to  50%  starch,  then  initiates  synthesis  of  triacylglycerol  (TAG) accumulating to 40% of cell weight in cytoplasmic oil globules, and up to 4% of the ketocarotenoid  astaxanthin (Boussiba et al., 1992, 1999).  Growth kinetics and efficiencies  Haematococcus is considered a slow growing alga. Productivity in outdoors systems has been reported by  Huntley and Redalje (2007), implying a photosynthetic energy conversion efficiency of 3%. 



BIOTECHNOLOGY  Culture Media  BG11 (Rippka et al., 1979), mBG11 or similar synthetic growth media.   Cultivation methods  Haematococcus is cultivated both in open ponds or closed bioreactors. The tubular photobioreactor facility  at Qetura is the largest operating photobioreactor facility for microalgae production. Large scale outdoors  cultivation in two stage mode, photobioreactor for green cells and open ponds for production of red cells  was tested in Hawaii and yielded a long term growth average of 38 tons per hectare and year with 25% oil  content, or 422 GJ ha‐1 year‐1 (Huntley and Redalje, 2007).   Production system  Production  is  managed  as  semicontinuous  or  batch  cultivation  in  two  stages.  The  first  stage  is  a  nutrient  sufficient green stage that can be handled as continuous or semicontinuous culture (Boussiba et al., 1997;  Huntley  and  Redalje,  2007),  while  the  second  stage  under  nutrient  limitation  for  accumulation  of  astaxanthin  is  necessarily  a  batch  cultivation  where  all  the  resulting  biomass  is  harvested.  One  step  cultivation has been proposed but not commercially deployed (Garcia‐Malea et al., 1999).  Harvesting methods  Haematococcus, specifically stressed resting cells settle spontaneously and can easily be harvested in large  funnels or sedimentation ponds. However centrifugation yields higher recovery of biomass faster.  Biomass processing  The  biomass  is  dried,dried;  cells  are  broken  by  bead  mills  or  other  suitable  technologies.  Astaxanthin  containing oil is being extracted, e. g. by supercritical CO2 extraction, and sold.   Upscaling limitations  Contaminations,  competitors,  cold  or  heat  stress  can  significantly  reduce  productivity  outdoors,  and  in  bioreactors heating or cooling are required for maintaining satisfactory productivities. Being a freshwater  microalgae, Haematococcus cultivation is frequently hampered by other, fast growing microalgae such as 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 77 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Scenedesmus  or  Chlorella,  zooplankton  or  even  funghi  which  can  drastically  reduce  the  culture  performance.     HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  Astaxanthin  production  at  the  tubular  bioreactor  facility  at  Algatech  Qetura  (http://www.algatech.com/,  Boussiba  et  al.,  1997)  may  be  considered  the  most  advanced  microalgal  production  process  having  reached  full  commercialization.  This  production  facility  has  been  running  successfully  for  eight  years  uninterrupted  under  continuous  incorporation  of  innovations  for  increasing  productivity  and  product  quality.  References  Boussiba  S.,  Bing  W.,  Yuan  J.P.,  Zarka  A.,  Chen  F.  (1999)  Changes  in  pigments  profile  in  the  green  alga  Haematococcus  pluvialis  exposed to environmental stresses. Biotechnology Letters 21: 601‐604.  Boussiba S., Fan L., Vonshak A. (1992) Enhancement and determination of astaxanthin accumulation in green alga Haematococcus  pluvialis. Methods in Enzymology. New York: Academic Press, pp. 386‐371.   Boussiba  S.,  Vonshak  A.,  Cohen  Z.,  Richmond  A.  Ben‐Gurion  University  of  the  Negev,  Israel  (1997).  A  procedure  for  large‐scale  production of astaxanthin from Haematococcus WO 97/28274.   Droop M. (1956a) Haematococcus pluvialis and its allies. I. The Sphaerellaceae. Revue Algologique 2: 53‐70.  Droop M. (1956b) Haematococcus pluvialis and its allies. II. Nomenclature in Haematococcus. Revue Algologique 3: 182‐192.  Elliott A. (1934) Morphology and life history of Haematococcus pluvialis. Archiv für Protistenkunde 82L.: 250‐272.  Garcia‐Malea  M.C.,  Acien  F.G.,  Del  Rio  E.,  Fernandez  J.M.,  Ceron  M.C.,  Guerrero  M.G.,  Molina‐Grima  E.  (2009)  Production  of  astaxanthin by Haematococcus pluvialis: Taking the onestep system outdoors. Biotechnology and Bioengineering 102: 651‐ 657.  Hepperle D., Nozaki H., Hohenberger S., Huss V.A., Morita E., Krienitz L.. (1998) Phylogenetic position of the Phacotaceae within the  Chlamydophyceaeas revealed by analysis of 18S rDNA and rbcL sequences. Journal of Molecular Evolution 47: 420‐30.  Huntley M.E., Redalje D.J. (2007) CO2  mitigation and renewable oil from photsynthetic microbes: A new appraisal. Mitigation and  Adaptation Strategies for Global Change 12: 573‐608.  Kobayashi  M.,  Kurimura  Y.,  Kakizono  .T,  Nishio  N.,  Tsuji  Y.  (1997)  Morphological  changes  in  the  life  cycle  of  the  green  alga  Haematococcus pluvialis. Journal of Fermentation and Bioengineering 84: 94‐97.  Rippka  R.,  Deruelles  J.,  Waterbury  J.B.,  Herdman  M.,  Stanier  R.Y.  (1979).  Generic  assignment,  strains  histories  and  properties  of  pure cultures of cyanobacteria. Journal of General Microbiology 111: 1‐61.  Triki A., Maillard P., Gudin C. (1997) Gametogenesis in Haematococcus pluvialis Flotow (Volvocales, Chlorophyta). Phycologia 36:  190‐194. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 78 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.6



Dunaliella sp. 



  Figure 21 – Dunaliella sp.   © D.J. Patterson   http://starcentral.mbl.edu/msr/rawdata/viewable/dunaliel la_1097788928_esmlaw.jpg; Left: 



Figure 22 ‐ Dunaliella tertiolecta Roscoff Culture  Collection Strain # 6   CNRS Station Biologique de Roscoff www.sb‐ roscoff.fr/Phyto/gallery/main.php?g2_itemId=371 



                   SYMBOLS:                         B, PIV   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Volvocales  Dunaliellaceae  Dunaliella    



  Related Species  There are 28 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 23 have been flagged as  currently accepted taxonomically.   D.  acidophila,  D.  assymetica,  D.  baasbeckingii,  D.  bardawil,  D.  bioculata,  D.  carpatica,  D.  cordata,  D.  euchlora,  D.  gracilis,  D.  granulata,  D.  lateralis,  D.  maritima,  D.  media,  D.  minuta,  D.  parva,  D.  peircei,  D.  polymorpha,  D.  primolecta,  D.  pseudo‐salina,  D.  quartolecta,  D.  ruineniana,  D.  salina,  D.  terricola,  D.  tertiolecta, D. turcomanica, D. viridis var. palmelloides, D. viridis, D. viridis f. euchlora. 



BIOLOGY  Structural and morphological features  Dunaliella is a genus of algae, specifically belonging to the Dunaliellaceae family. Dunaliella sp. are motile,  unicellular, rod to ovoid shaped (9 ‐ 11 µm) green algae, Chlorophyta, which are common in marine waters.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 79 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



The  genus  Dunaliella  has  marine  and  halophilic  representatives.  Freshwater  species  have  also  been  described. Dunaliella also has a very wide pH tolerance ranging from pH 1 (D. acidophila) (Gimmler et al.,  1989)  to  pH  11  (D.  salina).  In  fact,  D.  salina  is  one  of  the  most  environmentally  tolerant  eukaryotic  organisms known and can cope with a salinity range from seawater (= 3% NaCl) to NaCl saturation (= 31%  NaCl), and a temperature range from 38 °C (Ginzburg, 1987; Borowitzka, 1988).  Dunaliella is morphologically similar to Chlamydomonas, with the main difference being the absence of  a cell wall in Dunaliella. It has two flagella of equal length and a single, cup‐shaped chloroplast, which in the  marine and halophilic species has a central pyrenoid (Borowitzka, 1988). D. salina is a halophile microalga  and was originally identified in sea salt fields. It is different from all other green algae cells because it lacks a  cell wall and is wrapped with an extremely thin elastic membrane. The lack of cell wall allows the cell to  change its volume with changing osmotic pressure. In the Dead Sea it was first discovered in 1941. Another  strain of interest to biotechnology is Dunaliella tertiolecta. D. tertiolecta is a marine microalga with a cell  size of 10 – 12 µm. D. tertiolecta is a fast growing strain in sea water, reported to have oil yield of about  37%, though comparative growth rates and lipid productivities have not been reported.  Biochemical composition  In  order  to  survive  under  such  extreme  conditions,  Dunaliella  synthesizes  different  compounds  in  a  very  high concentration. Its resistance against high salt concentrations (35%) is linked to its ability to synthesize  and accumulate glycerol up to 10% of its dry weight. Due to this it can maintain shape and functions under  high  osmotic  pressures.  In  order  to  grow  in  an  environment  of  high  temperature  and  intense  sunlight,  Dunaliella  synthesizes  beta‐carotene  up  to  6  of  its  dry  weight.  Studies  show  that  the  function  of  beta‐ carotene is to protect the algae cell from damages caused by intense radiation.  Proteins accumulate up to 60% of the dry cell weight and contain most amino acids. Proteins and amino  acids are important ingredients in cosmetic preparations. They are used in order to create a contaminating  layer on the skin surface while nourishing the skin cells.   The  carbohydrates  include  mono‐sugars  (glucose,  glactose,  mannose,  xylose,  ribose,  rhamnose),  di‐ sugars  and  1,4  polysaccharides  ‐  glucosen  and  starch.  The  sugars,  especially  the  poly‐sugars  are  used  as  stabilizers. They thicken and give the product a smooth and gentle texture. They absorb large quantities of  water and grant the product with moisturizing traits. Attached to the negative electrical charge of the poly‐ sugars are electrolytes, released in a controlled way to the skin cells. The presence of polysaccharides in the  cosmetic  product  allows  this  controlled  release  of  the  active  substances  in  the  product  and  offers  an  efficient treatment of skin diseases without using substances which risk the user in side‐effects.  Lipids accumulate to 6‐18% of the dry cell weight depending on growth conditions. Fatty acids include  palmitic acid, 3 – trans acid hexadecanoic, linoleic acid and arachidic acid. Beta‐carotene can accumulate up  to  6%  of  the  cell's  dry  weight.  Glycerol  assembles  up  to  10%  of  the  dry  cell  weight.  Glycerol  includes  monogalacto glycerol, digalacto glycerol and diacyl glycerol.  In addition to high level of beta‐carotene, Dunaliella contains thiamine, pyridoxine, riboflavin, nicotinic  acid, biotin and tocopherol (vitamin E). β ‐carotene, produced from Dunaliella is composed of two isomers:  all  trans  and  cis‐9,  in  contrast  to  beta‐carotene  produced  from  carrots  or  synthetic  beta‐carotene.  β‐ carotene  seems  to  act  as  photo‐protective  ‘sun‐screen’  to  protect  the  chlorophyll  and  the  cell  DNA  from  the high irradiance which characterizes the normal habitat of D. salina. It has also been proposed that β‐ carotene  also  acts  as  a  “carbon  sink”  to  store  the  excess  carbon  produced  during  photosynthesis  under  conditions where growth is limited but photosynthetic carbon fixation must continue. 



    AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 80 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



BIOTECHNOLOGY  Since establishment of a first pilot plant for Dunaliella cultivation for β‐carotene production in the USSR in  1966,  the  commercial  cultivation  of  Dunaliella  for  the  production  of  β‐carotene  throughout  the  world  is  now one of the success stories of halophile biotechnology (Ben Amotz and Avron, 1982).   Although  technically  the  production  of  glycerol  from  Dunaliella  was  shown  to  be  possible,  economic  feasibility is low and no biotechnological operation presently exists. β ‐carotenoid production by Dunaliella  is  also  not  competitive  with  other  resources,  so  that  Dunaliella  production  to  date  is  limited  to  the  nutraceuticals market. For the accumulation of high concentrations of β ‐carotene and glycerol, the algae is  cultivated  at  extreme  salinity  with  reported  very  low  productivity  of  about  2  g  m‐2  day‐1,  which  is  not  competitive for biofuels production.   Production system, harvesting and processing  The larger the individual ponds used to grow the algae, the smaller the productivity of the system seems to  be.  In  D.  salina  the  optimum  salinity  for  growth  lies  between  18  and  22%  NaCl  whereas  the  optimum  salinity  for  carotenoid  production  is  >27%  NaCl  (Borowitzka  et  al.,  1984).  Thus  the  optimum  yield  of  β‐ carotene per unit volume and time is achieved at about 24% NaCl.  Two strategies can be applied  to maximize  the production of β‐carotene. One of these strategies is  a  two‐stage growth process in which the algae are first grown at a low salinity (= 15% NaCl) in nutrient‐rich  medium to maximize biomass production, and then transferred to a high salinity, low nutrient medium in  order  to  induce  β‐carotene  production  (Borowitzka  et  al.,  1984).  A  similar,  two‐stage  production  process  was proposed by Chen and Chi (1981) for glycerol production from Dunaliella.   NBT  Eilat  cultivates  Dunaliella  in  open  raceway  ponds  in  hyper  saline  water  obtained  after  passages  through  evaporation  ponds  and  achieves  productivities  of  about  2  g  m‐2  day‐1.  A  complete  description  of  different production processes and sites, including harvesting, processing and economics of the process can  be downloaded from:  http://www.wind‐sea‐algae.org/wsapresentations/day1/Ami%20BenAmotz%20WSA%20April%202009.pdf  Culture media   The  most  commonly  used  medium  for  culture  of  Dunaliella  is  Modified  Johnsons  Medium  (Borowitzka,  1988).  However,  these  algae  can  also  be  grown  in  a  wide  range  of  other  media  including  Guillard's  f/2  medium  (Guillard  and  Ryther,  1962),  modified  ASP  medium  (McLachlan  and  Yentsch,  1959)  and  enriched  seawater (Rao and Chauhan, 1984).  Upscaling limitations  At low salinities protozoa such as the ciliate Fabrea salina and the amoeba Heteroamoeba sp. can invade  the culture and very rapidly decimate the algal production.  Lower salinities generally favour the growth of the non‐carotenogenic Dunaliella species (D. viridis, D.  minuta and D. parva) that can overgrow D. salina and drastically reduce the β‐carotene productivity of the  pond (Burford and Borowitzka, 1987).  A  two‐stage  process  requires  greater  capital  and  running  costs  and  thus  may  make  the  process  uneconomic.        AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 81 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  Dunaliella  was  the  first  microalga  cultivated  in  large  scale  for  production  of  a  high  value  product  (β‐ carotene) rather than bulk biomass. Its cultivation was favoured by the hypersaline medium which reduces  the number of potential contaminants during long term open pond cultivation.    References  Ben‐Amotz A., Avron M. (1982) The potential use of Dunaliella for the production of glycerol, β‐carotene and high‐protein feed. In:  San Pietro A. (ed.) Biosaline research: A look to the future. Plenum Pub. Corp., New York, pp. 207‐214.  Borowitzka  M.A.  (1988)  Algal  growth  media  and  sources  of  cultures.  In:  Borowitzka  M.A,.  Borowitzka  L.J.  (eds.)  Micro‐algal  Biotechnology. Cambridge University Press, Cambridge, pp. 456‐465.  Borowitzka  L.J.,  Borowitzka  M.A., Moulton T.P.  (1984) The mass culture of Dunaliella for fine chemicals: from laboratory to pilot  plant. Hydrobiologia 116/117: 115‐121.  Burford M.A., Borowitzka L.J. (1987) Competition between Dunaliella species at high salinity. Hydrobiologia 151/152: 107‐116.  Chen B.J., Chi C.H. (1981) Process development and evaluation for algal glycerol production. Biotechnology and Bioengineering 23:  1267‐1287.   Cifuentes  A.  (1992)  Growth  and  carotenogenesis  in  eight  strains  of  Dunaliella  salina  Teodoresco  from  Chile.  Journal  of  Applied  Phycology 4: 111‐118.  Gimmler H, Weis U., Weiss C., Kugel H., Treffny B. (1989) Dunaliella acidophila (Kalina) Masyuk ‐ an alga with a positive membrane  potential. New Phytologist 113: 175‐184.  Ginzburg M.(1987) Dunaliella: a green alga adapted to salt. Advances in Botanical Research 14: 93‐183.  Guillard  R.R.L.,  Ryther  J.H.  (1962).  Studies  of  marine  planktonic  diatoms.  I.  Cyclotella  nana  (Hustedt)  and  Detonula  confervacea  (Cleve). Canadian Journal of Microbiology 8: 229‐239.  Jimenez  C.,  Pick  U.  (1993)  Differential  reactivity  of  β‐carotene  isomers  from  Dunaliella  bardawil  toward  oxygen  radicals.  Plant  Physiology 101: 385‐390.  McLachlan J., Yentsch C.S. (1959) Observations on the growth of Dunaliella euchlora in culture. The Biological Bulletin 116: 461‐471.  Rabbani  S.,  Beyer  P.,  Von  Lintig  J.,  Hugueney  P.,  Kleinig  H.  (1998)  Induced  beta‐carotene  synthesis  driven  by  triacylglycerol  deposition in the unicellular alga Dunaliella bardawil. Plant Physiology 116: 1239‐1248.  Rao P.S.N., Chauhan V.D. (1984) On occurrence and growth of Dunaliella from India. I. Enriched seawater for mass culture of the  alga. Phykos 23: 33‐37. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 82 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



   



8.1.7



Chlorococcum sp.  



   



Figure 23 ‐ Chlorococcum sp.  UTEX 819, D. Reinecke, BGU 



                                  SYMBOLS:                    H, D, E   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Chlorococcales  Chlorococcaceae  Chlorococcum   



Related Species   There are 76 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 34 have been flagged as  currently accepted taxonomically.  C.  acidum,  C.  aegyptiacum,  C.  botryoides,  C.  choloepodis,  C.  citriforme,  C.  costatozygotum,  C.  diplobionticum,  C.  dissectum,  C.  echinozygotum,  C.  elbense,  C.  elkhartiense,  C.  ellipsoideum,  C.  hypnosporum, C. infusionum, C. isabeliense, C. lobatum, C. macrostigmatum, C. minimum, C. minutum, C.  novae‐angliae,  C.  oleofaciens,  C.  olivaceum,  C.  pamirum,  C.  pinguideum,  C.  polymorphum,  C.  pseudodictyosphaerium,  C.  pyrenoidosum,  C.  refringens,  C.  salinum,  C.  schizochlamys,  C.  schwarzii,  C.  submarinum, C. tatrense, C. vacuolatum.   



BIOLOGY  Vegetative  cells  solitary  or  in  temporary  groups  of  indefinite  form,  never  embedded  in  gelatin.  Cells  ellipsoidal to spherical and vary in size. Cell walls smooth. The chloroplast is cup‐shaped, parietal, with or  without a peripheral opening and has one or more pyrenoids. Cells uniucleate, or multinucleate just prior  to zoosporogenesis. Reproduction by zoospores, aplanospores, or isogametes. Motile cells have two equal  flagella and remain ellipsoidal for a time after motility ceases.   AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 83 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



This  free‐living  genus  is  cosmopolitan.  Though  primarily  an  edaphic  alga,  it  has  been  reported  from  such diverse habitats as hot springs in Central Asia and soils collected in Antarctica. Aquatic, marine, and  aerial isolates have been recorded.  



BIOTECHNOLOGY  Several strains of Chlorococcum have been tested as potential sources of astaxanthin (Zhang and Lee, 1997;  Liu and Lee, 2000; Masojídek et al., 2000; Ma and Chen, 2001). Outdoor cultures to verify astaxanthin yield  have  been  performed.  An  enhanced  astaxanthin  producing  mutant  was  cultivated  in  a  tubular‐loop  photobioreactor consisting of two inclined panels with 34 Pyrex glass tubes each (each tube approximately  1 m long and 1.2‐cm in diameter), reaching biomass productivities up to 0.3 g L‐1 day‐1 and ketocarotenoid  productivities  up  to  3.4  mg  L‐1  day‐1  (Zhang  and  Lee,  1999).  In  a  horizontal  50‐L  tubular  photobioreactor  Masojídek et al. (2000) obatined growth rates about 0.13 h‐1, four times that of Haematococcus, but with  20 times lower secondary carotenoid content. In 10‐L bubbled tubes Tredici and co‐workers (unpublished  data)  obtained  productivities  of  0.20  g  L‐1  day‐1  outdoors  and  0.27  g  L‐1  day‐1  indoors  under  contnuos  illumination, with temperature reaching at mid day values up to 45 and 36 °C, respectively.  In a flat‐plate photobioreactor under  artificial light of 2000 μmol photons m‐2 s‐1, a ultra‐high density  culture  of  the  marine  Chlorocococcum  littorale  reached  a  productivity  of  380  ±  20  mg  l‐1  h‐1,  with  1‐cm  light path length, a value 2.4 and 6.4 times higher than those obtained in the 2‐ and 4‐cm reactors. Culture  denisites as high as 84 g L‐1 were reached and daily CO2 fixation rate was 16.7 g L‐1 (Hu et al., 1998).  Chlorococcum  has  been  investigated  as  hydrogen  producer  (Schnackenberg  et  al.,  1995;  Ueno  et  al.,  1999),  but  hydrogen  yields  are  much  lower  than  those  obtained  with  Chlamydomonas  and  Scenedesmus  spp.  (Winkler  et  al.,  2002).  Chlorococcum  was  also  proposed  for  bioethanol  production  via  dark  fermentation  of  starch  (Ueno  et  al.,  1998;  Harun  and  Danquah,  2011;  Harun  et  al.,  2011)  and  was  investigated as a source of lipid for biodiesel production (Rodolfi et al., 2009; Halim et al., 2011).  References  Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=37477 [BIOLOGY section]  Halim  R.,  Gladman  B.,  Danquah  M.K.,  Webley  P.A.  (2011)  Oil  extraction  from  microalgae  for  biodiesel  production.  Bioresource  Technology 102: 178‐185.  Harun  R.,  Danquah  M.K.  (2011)  Influence  of  acid  pre‐treatment  on  microalgal  biomass  for  bioethanol  production.  Process  Biochemistry 46: 304‐309.  Harun R., Jason W.S.Y., Cherrington T., Danquah M.K. (2011) Exploring alkaline pre‐treatment of microalgal biomass for bioethanol  production. Applied Energy: doi:10.1016/j.apenergy.2010.10.048.  Hu  Q.,  Kurano  N.,  Kawachi  M.,  Iwasaki  I.,  Miyachi  S.  (1998)  Ultrahigh‐cell‐density  culture  of  a  marine  green  alga  Chlorococcum  littorale in a flat‐plate photobioreactor. Applied Microbiology and Biotechnology 49: 655‐662.  Liu B.H., Lee Y.K. (2000) Secondary carotenoids formation by the green alga Chlorococcum sp. Journal of Applied Phycology 12: 301‐ 307.  Ma R.Y.N., Chen F. (2001) Enhanced production of free trans‐astaxanthin by oxidative stress in the cultures of the green microalga  Chlorococcum sp. Process Biochemistry 36: 1175‐1179.  Masojídek  J.,  Torzillo  G.,  Kopecký  J.,  Koblížek  M.,  Nidiaci  L.,  Komenda  J.,  Lukavská  A.,  Sacchi  A.  (2000)  Changes  in  chlorophyll  fluorescence quenching and pigment composition in the green alga Chlorococcum sp. grown under nitrogen deficiency and  salinity stress. Journal of Applied Phycology 12: 417‐426.  Rodolfi  L.,  Chini  Zittelli  G.,  Bassi  N.,  Padovani  G.,  Biondi  N.,  Bonini  G.,  Tredici  M.R.  (2009)  Microalgae  for  oil:  strain  selection,  induction of lipid synthesis, and outdoor mass cultivation in a low‐cost photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering  102: 100‐112.  Schnackenberg J., Ikemoto H., Miyachi S. (1995) Relationship between oxygen‐evolution and hydrogen‐evolution in a Chlorococcum  strain with high CO2‐tolerance. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 28: 171‐174.  Ueno Y., Kurano N., Miyachi S. (1998) Ethanol production by dark fermentation in the marine green alga, Chlorococcum littorale.  Journal of Fermentation and Bioengineering 86: 38‐43.  Ueno Y., Kurano N., Miyachi S. (1999) Purification and characterization of hydrogenase from the marine green alga, Chlorococcum  littorale. FEBS Letters 443: 144‐148.  Winkler  M.,  Hemschemeier  A.,  Gotor  C.,  Melis  A.,  Happe  T.  (2002)  [Fe]‐hydrogenases  in  green  algae:  photo‐fermentation  and  hydrogen evolution under sulfur deprivation. International Journal of Hydrogen Energy 27: 1431‐1439. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 84 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Zhang D.H., Lee Y.K., Ng M.L., Phang S.M. (1997) Enhanced accumulation of secondary carotenoids in a mutant of the green alga,  Chlorococcum sp. Journal of Applied Phycology 9: 147‐155.  Zhang  D.H.,  Lee  Y.K.  (1999)  Ketocarotenoid  production  by  a  mutant  of  Chlorococcum  sp.  in  an  outdoor  tubular  photobioreactor.  Biotechnology Letters 21: 7‐10. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 85 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  8.1.8



Neochloris oleoabundans  



  Figure 24 ‐ Neochloris oleoabundans  Picture from http://www.sbs.utexas.edu/utex/algaeDetail.aspx?algaeID=3623 



                  SYMBOLS:                          D, PIV    



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Chlorococcales  Chlorococcaceae  Neochloris  Neochloris oleoabundans 



    Related Species   There are 19 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 11 have been flagged as  currently accepted taxonomically.   



BIOLOGY  Structural and morphological features  Neochloris  oleoabundans  was  isolated  from  the  top  of  a  sand  dune  (2O  N;  55O  E)  in  Rub  al  Khali  in  Saudi  Arabia and named by Bold and Chantanachat (Chantanachat and Bold, 1962). Vegetative cells are described  as  being  between  6  and  25  μm,  with  a  cup  shaped  parietal  chloroplast.  Vegetative  cells  with  smaller  diameter (3.5 μm) however are most common with the strain UTEX 1185, which originates from the original  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 86 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



Bold and Chantnachat isolate. After cell division, one pyrenoid is present in the chloroplast and later in the  cell cycle it divides into two. The cells are uninucleate.   Sexual  reproduction  has  not  been  observed  (Chantanachat  and  Bold,  1962);  N.oleoabundans  reproduces asexually through formation of zoospores or aplanospores. Zoospores are biflagellate (identical  length  of  flagella)  and  between  2  and  3.5  μm  in  width  and  3.6  and  4.5  μm  in  length.  Zoospores  form  vegetative  sphaerical  cells  after  a  short  period  of  time  and  are  not  often  observed  in  laboratory  cultures  while they appear with varying frequency in outdoor mass cultures. Vegetative cells may be up to 22 μm in  diameter and may contain visible oil droplets in the cytoplasm.  Aplanospores are formed by incomplete separation of daughter cells: the wall protoplasts (wall less and  non‐motile  cells)  are  retained  within  the  cell  wall  of  the  original  mother  cell  (termed  sporangium).  Aplanospores  are  about  the  size  of  zoospores  and may  accumulate  to  considerable  numbers  before  they  are liberated by rupture of the cell wall of the sporangium.   Biochemical composition of algae and aquatic biomass main constituents   Biochemical composition in Neochloris varies with growth stage which, in a more “modern”concept may be  considered an effect of growth limitation by either light or nutrient factors. In Table 6 it may be noted that  protein  content  significantly  decreases  in  the  stationary  phase  while  lipid  and  carbohydrate  content  increase  from  exponential  to  stationary  phase.  InTable  7,  it  may  be  noted  that  neither  total  fatty  acid‐,  unsaturated  fatty  acid‐  or  sterol  percentage  of  lipids  are  affected  by  growth  stage  to  any  appreciable  extent.     Table 6 ‐ Example of biochemical composition through growth stages given in percent dry weight. Source of growth limitation  ‐2 ‐1 not indicated. Algae were cultivated in 100 ml test tubes at low irradiation (60 μm m  sec ). After Gatenby et al. (2003).  



Constituent ( % DW)  Exponential Protein  54 Carbohydrate 8  Lipid 



Late exponential 63 10 



Stationary 44 18 



Late stationary  18  40 



22



35



36 



19



Table 7 ‐ Example of lipid composition through growth stages given in percent lipid (or, for sterols, in ‰ lipid). Conditions as in  table 6. After Gatenby et al. (2003). 



Constituent ( % lipid)  Exponential Fatty acids    32 Unsaturated FA  89  Sterols (‰ lipid) 



Late exponential 45 85 



Stationary 31 88 



Late stationary  54  80 



9.6



5.1



4.5 



5.2



  Gross composition under optimal and stressed conditions  Published  studies  of  the  effect  of  stress  conditions  are  all  applying  nitrogen  limitation  as  stress  factor.  A  single study (Pruvost et al., 2011) investigates the effect of stress on gross composition of Neochloris, other  studies published so far, focus only on lipid proportions. The findings are summarized in Table 8.          



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 87 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



Table 8 ‐ Changes in gross composition of Neochloris through nutrient starvation. Data from artificially illuminated PBR’s. 



System  Unit/fraction 



Flat plate  PBR, 1 and  130 L  Not indic. 



Light  μmol  ‐2 photons m   s‐1 or as  otherwise  indicated  300 ‐ 500  3 klux 



1 L bubble  columns 



Not indic. 



90 ‐ 260 mm  bubble  columns 



160 ‐ 200 



Temp  o



Change in composition from  nutrient replete to deplete stage.  Lipid  Protein  Carbo‐  hydrate 







30 



20%   →  30‐35 %  28 ‐31    →  35 – 55 %  34  34 %  30 



12.5 %  →  24.9 % 



70 %   →  20 %   



20 %   →  40 %   



 



 



 



 



Starvation  method   



Reference 



4 days  nitrate  starvation   To  visible  lipid droplet  accumulation  6‐7 days  nitrate  starvation  7 days on  nitrogen free  medium 



(Pruvost et  al., 2011) 



 



(Tornabene  et al., 1983)  (Li et al.,  2008)  (Kawata et  al. ,1998)  (Neochloris  sp.) 



Photosynthetic efficiency and productivity   From  data  in  artificially  illuminated  (continuous)  photobioreactors,  Neochloris  appears  to  exhibit  slow  to  moderate growth rates (Table 9). However, much higher transient growth rates have been experienced in  turbidostats at 30 °C (unpublished data, N.H. Norsker) and may be due to mixotrophic growth on internal  lipid pools.   No  studies  have  yet  reported  figures  on  photosynthetic  efficiency  in  outdoor  cultivation.  It  has  only  been  possible  to  identify  one  study  of  cultivation  of  Neochloris  in  outdoor  systems.  The  growth  rate  and  lipid productivity are reported in Table 10.   Table 9 ‐ Growth rate and lipid productivity obtained with Neochloris under different conditions. All refer to artificially  illuminated systems. 



150   



30 



replete 



1.0 



0.495 



37.66 



1 L flat  plate  reactor 



270   



25 



deplete  replete 



0.2   



0.41   



14.42  126 



deplete 



0.5 



 



65 



50 L plastic  sleeves  1 L bubble  columns  10 cm  tubular  horizontal  PBR  90‐260  mm  bubble  columns 



150  



25 



 ?  



0.92 



0.07 







not  indicated  200 



30 



deplete 



2.4 



 



133 



23 ‐  25 



deplete 



0.3 



 



16.5 



replete 



0.9 



 



8.9 



replete 



 



0.72 



 



deplete 



 



0 – 0.43 



160 ‐ 200 



30 



Reference 



Lipid  Product.  (mg L‐1 day‐1) 



Growth rate  (day‐1) 



Biomass range  (g DW L‐1) 



N status  (repl/depl) 



Temp   (°C) 



Irradiation  (μmol photons  m‐2 s‐1) 



System  description  1 L bubble  column. 



(Gouveia  et al.,  2009)  (Pruvost et  al., 2009)  (da Silva et  al., 2009)  (Li et al.,  2008)  (Levine et  al., 2011) 



 



(Kawata et  al., 1998)  (Neochloris  sp.) 



        AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 88 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



Table 10 ‐ Growth rate and lipid productivity of Neochloris in outdoor cultivation. 



System  description 



Irradiation  Biomass   Growth  N status  (μmol  range  ‐1 rate ‐1 (repl/depl)  photons  m‐2  (g DW L )  (day )  ‐1 s )  Outdoor  natural  0.02 –  replete  0.18  raceway  pond  daylight  2.78  (batch) 



Lipid   productivity  (mg L‐1 day‐1)  1.6 – 4.8 



Reference 



(da Silva  et al.,  2009) 



In  all  the  studies  published  so‐far  on  Neochloris  oleoabundans,  the  strain  UTEX  1185  (the  original  isolate) has been applied. In only one study included in the present material (Kawata et al. 1998), the strain  is  not  UTEX  1185  but  a  local  strain  (Neochloris  sp.).  There  is  thus  insufficient  material  to  discriminate  between different laboratory strains in terms of productivity and growth rate.    



BIOTECHNOLOGY Culture Media  Only  photoautotrophic  growth  of  Neochloris  oleoabundans  has  so‐far  been  demonstrated.  The  culture  media used are repoted in Table 11.    Table 11 ‐ Media used for N. oleoabundans by the cited references. 



Reference media 



Other media 



BBM 



3NBBM 



3N3SBBM 



Soil extract 



B12 



Other 



Reference 



     



x     



    x 



     



  (MD) inorganic basal medium   



x    x 



     



     



   



   



  x 



   



Inorganic basal medium   



?   



   



   



  x  x   



      x 



       



x       



      (modified for nutrient starvation) 



       



       



       



(Gatenby et al., 2003)  (Band et al. 1992)  (Tornabene  et  al.,  1983)  (Li et al., 2008)  (Archibald  and  Smith,  1987)  (Pruvost et al., 2009)  (Gouveia et al., 2009)  (da Silva et al., 2009)  (Pruvost et al., 2011) 



 







 



 



 











(Levine et al., 2011) 



  x 



   



x   



   



Modified:  +boron  +  vitamins,  N‐  source)  Modified: no nitrogen, + B12  Modified 



   



x   



   



 



 



 



 



Modified Fitzgerald 



 



 



 



(Beal et al., 2010)  (Wahal  and  Viamajala,  2010)  (Kawata et al., 1998) 



Bristol  medium



Other medium 



 



Special  micro nutrient  additives 



  A single experiment with cultivation of Neochloris in wastewater from anaerobically digested manure is  reported (Levine et al., 2011): while Neochloris in a horizontal chamber, irradiated at 200 μmol photons m‐2  s‐1 on nitrate exhibited a specific growth rate of 0.75 day‐1, a similar setup resulted in a growth rate of about  0.24 day‐1 on diluted wastewater (growth rates estimated from published graphs).   AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 89 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Cultivation methods  Only one experiment cultivating Neochloris in open systems has been reported. The raceway area was 2.5  m2, the depth of 15 cm and it was agitated with a paddlewheel to create a flow velocity of 25 cm s‐1. The  culture was diluted after 20 and 36 days of cultivation (da Silva et al., 2009). Specific growth rate during the  first 20 days was 0.18 day‐1.   Other systems have been used for indoor use and among these:  • bubble columns of various diameter up to 26 cm (Kawata et al. 1998; Li et al. 2008; Gouveia et al. 2009)  • flat panel reactors, 1 ‐130 L (Pruvost et al., 2011)  • shaken flasks (Wahal and Viamajala, 2010)  • plastic bags (da Silva et al., 2009; Levine et al., 2011)  Production systems  At  present  time  (2010),  Neochloris  has  not  reached  a  state  of  commercial  production.  Neither  has  any  information about testing of production systems in pilot scale been published.   Harvesting methods  No  studies  of  harvesting  methods  for  Neochloris  have  yet  been  published.  Speculating  about  harvest  methods, it is worth noting that the cell size of Neochloris oleoabundans is rather small (average diameter  assuming sphaerical cells 3 µm for vegetatively growing cultures) and high energy input for separation by,  for instance, centrifugation could be assumed. However, it is generally observed that Neochloris sediments  rather readily in culture flasks and may therefore be suitable for flocculation.   Flotation  or  foam  separation  are  other  potentially  attractive  harvesting  technologies  as  Neochloris  cultures are prone to foaming.  Biomass processing  There  are  no  published  studies  on  processing  Neochloris  biomass  for  any  purpose.  For  potential  use  for  biodiesel  purposes,  it  is  worth  noting  that  a  substantial  part  of  the  lipid  fraction  may  be  constituted  by  triacylglycerols: 80 % with lipids constituting 35 – 54 % of the biomass (Tornabene et al., 1983). A recent  study of oil formation optimization demonstrated a TAG yield of 50 % of total lipids or 18% of DW (Pruvost  et  al.,  2009).  Relatively  high  specific  TAG  productivities  by  Neochloris  is  one  of  the  main  motives  for  focussing on Neochloris for biodiesel production purposes.   Scaling up limitation  Production  of  Neochloris  for  biodiesel  is  here  considered  only  for  photoautotrophic  production  methods.  Conversion  of  carbohydrate  sources  to  biodiesel  by  heterotrophic  production  is  being  considered  with  other algae species, but a heterotrophic growth potential of Neochloris has not been established.   Due  to  the  lack  of  experience  with  outdoor  cultivation  of  Neochloris,  it  is  very  difficult  to  pin  point  limitations to scale up.   Two studies have dealt with outdoor production. In da Silva et al. (2009) production of Neochloris in a  2.5 m 2 raceway pond resulted in high biomass densities (2.8 g DW L‐1) at the end of a 20 days batch growth  run with specific growth rate of 0.18 day‐1 . Lipid productivity at the peak was 4.8 g m‐2 day‐1 (July, Portugal)  which must be considered promising if such rates can be sustained over longer periods. It is likely that the  lipid  productivity  can  be  enhanced  by  reducing  the  biomass  density  in  the  pond  as  high  average  light  intensities  are  required  to  obtain  high  lipid  productivity  and  the  other  design  parameter,  culture  depth  which  determines  the  average  light  intensity  in  the  culture,  cannot  be  reduced  in  raceway  ponds  for  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 90 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



practical reasons. This will, on the other hand, add to the harvesting costs and may add to the vulnerability  of the culture to contamination by other algae or protozoans and zooplankton.   In  Levine  et  al.  (2011)  the  use  of  wastewater  from  biogas  production  as  fertilizer  was  studued,  but  overgrowth by other algae was encountered and closed reactors were suggested for the production.   For  these  reasons,  the  development  of  photobioreactors  with  low  installation  and  operating  costs  is  believed to be the most promising technologies for a scale up strategy.  



References  Arce G., Bold H.C. (1958) Some Chlorophyceae from Cuban soils. American Journal of Botany 45: 492‐503.  Archibald  P.A.,  Smith  V.J.  (1987)  Notes  on  variation  on  physiological  attributes  between  aquatic  and  edaphic  species  of  the  chlorophycean algal genus Neochloris. Transactions of the American Microscopical Society 106: 179‐182.  Band  C.J.,  Arredondovega  B.O.,  Vazquezduhalt  R.,  Greppin  H.  (1992)  Effect  of  a  salt‐osmotic  upshock  on  the  edaphci  microalga  Neochloris oleoabundans. Plant Cell and Environment 15: 129‐133.  Beal  C.M.,  Webber  M.E.,  Ruoff  R.S.,  Hebner  R.E.  (2010)  Lipid  analysis  of  Neochloris  oleaoabundans  by  liquid  state  NMR.  Biotechnology and Bioengineering 106: 573‐583.  Chantanachat S., Bold H.C. (1962) Phycological Studies. II. Some algae from arid soils. University of Texas Publication (6218).  da  Silva  T.,  Reis  A.,  Medeiros  R.,  Oliveira  A.,  Gouveia  L.  (2009)  Oil  production  towards  biofuel  from  autotrophic  microalgae  semicontinuous cultivations monitorized by flow cytometry. Applied Biochemistry and Biotechnology 159: 568‐578.  Gatenby C.M., Orcutt D.M., Kreeger D.A., Parker B.C., Jones V.A., Neves R.J. (2003) Biochemical composition of three algal species  proposed as food for captive freshwater mussels. Journal of Applied Phycology 15: 1‐11.  Gouveia  L.,  Marques  A.,  da  Silva  T.,  Reis  A.  (2009)  Neochloris  oleoabundans  UTEX  #1185:  a  suitable  renewable  lipid  source  for  biofuel production. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 36: 821‐826.  Kawata M., Nanba M., Matsukawa R., Chihara M., Karube I. (1998) Isolation and characterization of a green alga Neochloris sp. for  CO2 fixation. Studies in Surface Science and Catalysis 114: 637‐640.  Levine R.B., Costanza‐Robinson M.S., Spatafora G.A. (2011) Neochloris oleoabundans grown on anaerobically digested dairy manure  for concomitant nutrient removal and biodiesel feedstock production. Biomass and Bioenergy 35: 40‐49.  Li Y., Horsman M., Wang B., Wu N., Lan C. (2008) Effects of nitrogen sources on cell growth and lipid accumulation of green alga  Neochloris oleoabundans. Applied Microbiology and Biotechnology 81: 629‐636.  Pruvost J., Van Vooren G., Cogne G., Legrand J. (2009) Investigation of biomass and lipids production with Neochloris oleoabundans  in photobioreactor. Bioresource Technology 100: 5988‐5995.  Pruvost  J.,  Van  Vooren  G.,  Le  Gouic  B.,  Couzinet‐Mossion  A.,  Legrand  J.  (2011)  Systematic  investigation  of  biomass  and  lipid  productivity by microalgae in photobioreactors for biodiesel application. Bioresource Technology 102: 150‐158.  Starr  R.C.  (1955)  A  comparative  study  of  Chlorococcum  meneghini  and  other  spherical,  zoospore‐producing  genera  of  the  Chlorococcales. Indiana University Publications Science 20: 1‐111.  Starr R.C. (1978) Culture collection of algae at the University‐of‐Texas at Austin. Journal of Phycology 14: 47‐100.  Tornabene T.G., Holzer G., Lien S., Burris N. (1983) Lipid composition of the nitrogen starved green alga Neochloris oleoabundans.  Enzyme and Microbial Technology 5: 435‐440.  Wahal  S.,  Viamajala  S.  (2010)  Maximizing  algal  growth  in  batch  reactors  using  sequential  change  in  light  intensity.  Applied  Biochemistry and Biotechnology 161: 511‐522. 



 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 91 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.9



Scenedesmus sp. 



 



  Figure 25 ‐ Scenedesmus sp. Local isolate Sde Boker, Israel  D. Reinecke, BGU  



                  SYMBOLS:                     B, D, E, PIV    



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Sphaeropleales   Scenedesmaceae   Scenedesmus   



Related Species  There are 418 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 87 have been flagged  as currently accepted taxonomically.  



BIOLOGY  Scenedesmus  is  a  freshwater  medium  to  large  size  unicellular  green  alga  often  appearing  in  tetrads  with  four to 16 elongated cells connected (cenobia), although cells can also appear as individual in oval form.  Scenedesmus is versatile in production of oil and secondary metabolites such as carotenoids. Multiple  species  produce  different  carotenoids  during  logarithmic  growth  or  stress,  though  cellular  levels  never  exceed 1% of dry weight. It is relevant that major carotenoid is usually lutein. Exponentially growing cells  have high protein content (up to 50%), less than 10% lipids, the rest variable amounts of starch and cell wall  components.  Under  nutrient  stress  Scenedesmus  species  can  accumulate  high  amounts  of  storage  lipids  (TAG)  in  cytoplasmic  oil  globules.  Fatty  acid  composition  under  logarithmic  growth  includes  significant  amounts of short polyunsaturated fatty acids such as gamma linolenic and stearidonic acid. Under stress,  TAG accumulates mostly C16 and C18 unsaturated and some monounsaturated fatty acids. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 92 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Growth kinetics and efficiencies  Scenedesmus is among the most vigorously growing green algae and outcompetes most other algal species  under  high  nutrient  conditions,  e.  g.  in  wastewater.  It  can  cause  serious  contamination  problems  when  cultivating  slower  growing  algae  such  as  Haematococcus.  It  is  among  the  faster  growing  and  highest  oil  producing strains tested by Rodolfi et al. (2009) or Hu et al. (2008).  Growth rates and productivity in laboratory main groups  Maximum  specific  growth  rates  as  higher  than  0.12  h‐1  has  been  reported  for  Scenedesmus  sp.  Lower  specific growth rates, of 0.04 h‐1, has been reported for Scenedesmus obliquus. The most relevant aspect of  this strain is its tolerance to high temperature, including 40 °C, its maximum growth rate being obtained at  temperatures of 30‐35 °C. At laboratory scale biomass productivities of 0.9 g∙L‐1∙day‐1 has been reported for  Scenedesmus  almeriensis.  High  productivity  requires  the  use  of  high  irradiance,  but  Scenedesmus  has  demonstrate to be resistant to irradiances higher than 1700 μmol photons∙m‐2∙s‐1 without photoinhibition.  Scenedesmus is also tolerant to impulsion using centrifugal pumps, in addition to aeration, no mechanical  damage  being  reported  by  this  phenomenon.  Concerning  pH,  Scenedesmus  tolerates  wide  ranges  of  pH,  from  5  to  10,  although  optimal  pH  is  in  the  range  of  7.5‐8.0.  It  is  particularly  relevant  the  tolerance  of  Scenedesmus to alkaline pH for wastewater and flue flue gas depuration.  Photosynthetic efficiency and productivity outdoors  Due to the fact that Scenedesmus is highly robust and fast growing, it has been produced outdoors using  both open systems and closed photobioreactors. In open raceways, biomass productivities higher than 0.5  g∙L‐1∙day‐1  has  been  reported,  while  biomass  productivities  up  to  1.2  g∙L‐1∙day‐1  have  been  obtained  using  closed photobioreactors. Overall mean annual productivity of 0.6 g∙L‐1∙day‐1 has been obtained in pilot scale  tubular  photobioreactors  (30  m3)  with  Scenedesmus  almeriensis.  This  value  is  about  3%  solar  efficiency.  Solar efficiencies from 1‐3% has have been reported for Scenedesmus.    Gross composition under optimal and stressed conditions  Under  optimal  growth  conditions  the  major  component  of  Scenedesmus  biomass  are  proteins,  40‐50%  d.wt.,  next  being  carbohydrates.  The  lipid  content  under  adequate  growth  conditions  is  lower  than  15%,  woith maximum values of 10% corresponding to fatty acids. It is relevant that under optimal conditions the  carotenoid  content,  especially  lutein,  increases  up  to  1%  in  some  species.  Scenedesmus  cells  can  be  stressed  by  nutrient  depletion,  nitrogen  or  phosphorous,  which  triggers  accumulation  of  lipids.  However,  no lipid content higher than 30% are obtained in these conditions. 



    BIOTECHNOLOGY  Culture Media  Scenedesmus  grows  well  in  modified  BG11  medium,  but  also  in  other  growth  media,  in  nutrient  rich  wastewater etc, and apparently may also exploit organic molecules for photoheterotrophic growth. It has  been  cultivated  using  commercial  fertilizers  outdoors,  and  in  brackish  water.  It  is  tolerant  to  the  use  of  nitrate,  ammonia  or  urea  as  nitrogen  source,  thus  Scenedesmus  is  adequate  for  removal  of  inorganic  nitrogen from effluents.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 93 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Cultivation methods  Scenedesmus can be cultivated in either discontinuous (batch) or continuous mode. In discontinuous mode  the  productivity  is  lower,  thus  usually  semi‐continuous  operation  being  utilized.  No  large  variation  in  the  composition  of  the  biomass  is  observed  when  cultivated  in  different  modes.  In  continuous  mode  the  optimal dilution rate is in the range from 0.3‐0.4 day‐1.  Production system  Scenedesmus are not damaged by aeration or impulsion centrifugal pumps, thus it has been cultivated in  most  of  culture  systems  developed,  including  open  and  closed  photobioreactors.  Fouling  is  an  important  issue  when  cultivating  this  strain.  Under  adverse  conditions,  but  also  under  optimal  conditions,  cells  of  Scenedesmus fix on the reactor’s walls, reducing light availability inside the culture. When closed reactors  are  used  it  is  obligatory  to  implement  self‐cleaning  systems.  This  is  not  necessary  when  using  open  raceways.  Harvesting methods  Although Scenedesmus cells are larger than other microalgae cells, their settling velocity by gravity is low, in  the  range  of  10‐6  m∙s‐1.  Thus,  Scenedesmus  cells  cannot  be  harvested  by  natural  sedimentation.  It  is  necessary  the  use  of  centrifugation  or  filtration  operations.  Cells  of  Scenedesmus  are  easily  harvested  by  centrifugation: a slurry containing 15% d.wt is obtained under continuous operation, and a paste containing  30% d.wt. is obtained under discontinuous operation. Although filtration can be performed, it is not usually  carried  out.  Natural  sedimentation  can  be  performed  by  previous  flocculation.  The  use  of  anionic  polyelectrolyte at doses below 0.1 mg/L has been demonstrated to be useful to pre‐concentrate the culture  by twenty times.  Biomass processing  Biomass of Scenedesmus can be used as biomass for feeding animals or fishes, mainly for its high protein  content.  The  fatty  acid  profile  is  not  highly  valuable  because  no  PUFAs  are  present.  The  only  especially  valuable  components  present  in  the  biomass  of  Scenedesmus  are  carotenoids.  Lutein  contents  up  to  1%  d.wt.  has  have  been  reported,  it  being  useful  as  nutraceutical  for  human  and  animals.  Lutein  can  be  extracted  using  organic  solvents,  although  new  processes  using  supercritical  fluids  or  ethanol‐water  mixtures have been proposed.   Scaling up limitation  No limitations are directly related with the culture of Scenedesmus, different than the production of other  strains.  For  scale‐up  purposes  the  tolerance  of  this  strain  to  high  temperatures,  up  to  45  °C,  is  highly  relevant.  HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  Scenedesmus  is  highly  robust  and  has  been  used  successfully  used  to  treat  such  problematic  waste  effluents  as  olive  mill  wastewater,  biogas  or  municipal  land  fill  effluents  which  are  toxic  to  most  microorganisms including bacteria.  A biotechnology for production and purification of lutein from Scenedesmus has been developed based on  cultivation  in  tubular  photobioreactors  and  extraction  and  purification  of  the  carotenoid  from  cellular  lysate, though the technology is not currently commercially applied.    AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 94 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



References  Abeliovich A., Dikbuck S. (1977) Factors affecting infection of Scenedesmus obliquus by a Chytridium sp. in sewage oxidation ponds.  Applied Environmental Microbiology 34: 832‐836.  Allard B., Templier J. (2000) Comparison of neutral lipid profile of various trilaminar outer cell wall (TLS)‐containing microalgae with  emphasis on algaenan occurrence. Phytochemistry 54: 369‐380.  Benemann  J.R.,  Koopman  B.L.,  Murry  M.,  Weissman  J.C.,  Eisenberg  D.M.,  Oswald  W.J.  (1977)  Species  control  in  large‐scale  algal  biomass production. Final report. United States.   Blokker P., van den Ende H., de Leeuw J.W., Versteegh G.J.M., Damste J.S.S. (2006) Chemical fingerprinting of algaenans using RuO4  degradation. Organic Geochemistry 37: 871‐881.  Buchheim  M.A.,  Michalopulos  E.A.,  Buchheim  J.A.  (2001)  Phylogeny  of  the  Chlorophyceae  with  special  reference  to  the  Sphaeropleales: a study of 18S and 26S rDNA data. Journal of Phycology 37: 819‐835.  Cepak V., Pribyl P. (2006) The effect of colour light on production of zooids in 10 strains of the green chlorococcal alga Scenedesmus  obliquus. Czech Phycology 6: 127‐133.  Cepak  V.,  Pribyl  P.,  Vitova  M.,  Zachleder  V.  (2007)  The  nucleocytosolic  and  chloroplast  cycle  in  the  green  chlorococcal  alga  Scenedesmus obliquus (Chlorophyceae, Chlorococcales) grown under various temperatures. Phycologia 46: 263‐269.  Czygan F. (1968) Secondary carotenoids in green algae II. Studies on biogenesis. Archiv für Mikrobiologie 62: 209‐236.  de Morais M.G., Costa J.A.V. (2007) Biofixation of carbon dioxide by Spirulina sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three‐ stage serial tubular photobioreactor. Journal of Biotechnology 129: 439‐445.  Dean  A.P.,  Sigee  D.C.,  Estrada  B.,  Pittman  J.K.  (2010)  Using  FTIR  spectroscopy  for  rapid  determination  of  lipid  accumulation  in  response to nitrogen limitation in freshwater microalgae. Bioresource Technology 101: 4499‐4507.  Disch  A.,  Schwender  J.,  Muller  C.,  Lichtenthaler  H.K.,  Rohmer  M.  (1998)  Distribution  of  the  mevalonate  and  glyceraldehyde  phosphate/pyruvate  pathways  for  isoprenoid  biosynthesis  in  unicellular  algae  and  the  cyanobacterium  Synechocystis  PCC  6714. Biochemical Journal 333: 381‐388.  Gonzalez Lopez CV, Ceron Garcia MdC, Fernandez FG, Segovia Bustos C, Chisti Y, Fernandez Sevilla JM. 2010. Protein measurements  of microalgal and cyanobacterial biomass. Bioresource Technology 101(19):7587‐7591.  Greger  M.,  Johansson  M.  (2004)  Aggregation  effects  due  to  aluminum  adsorption  to  cell  walls  of  the  unicellular  green  alga  Scenedesmus obtusiusculus. Phycological Research 52: 53‐58.  Grewe  C.,  Menge  .S,  Griehl  C.  (2007)  Enantioselective  separation  of  all‐E‐astaxanthin  and  its  determination  in  microbial  sources.  Journal of Chromatography A 1166: 97‐100.  Gurbuz F., Ciftci H., Akcil A. (2008) Biodegradation of cyanide containing effluents by Scenedesmus obliquus. Journal of Hazardous  Materials 162: 74‐79.  Gutman J., Zarka A., Boussiba S. (2009) The host‐range of Paraphysoderma sedebokerensis, a chytrid that infects Haematococcus  pluvialis. European Journal of Phycology 44: 509 ‐ 514.  Hanagata  N.,  Dubinsky  Z.  (1999)  Secondary  carotenoid  accumulation  in  Scenedesmus  komarekii  (Chlorophycea,  Chlorophyta).  Journal of Phycology 35: 960‐966.  Heide H., Kalisz H.M., Follmann H. (2004) The oxygen evolving enhancer protein 1 (OEE) of photosystem II in green algae exhibits  thioredoxin activity. Journal of Plant Physiology 161: 139‐149.  Ho  S.H.,  Chen  W.M.,  Chang  J.S.  (2010)  Scenedesmus  obliquus  CNW‐N  as  a  potential  candidate  for  CO2  mitigation  and  biodiesel  production. Bioresource Technology 101: 8725‐8730.  Hu Q. ,Sommerfeld M. (2004). Selection of high performance microalgae for bioremediation of nitrate‐contaminated roundwater.  Technical Report for Grant Number. School of Life Sciences. Arizona State University.  Humbeck  K.  (1990)  Light‐dependent  carotenoid  biosynthesis  in  mutant  C‐6D  of  Scenedesmus  obliquus.  Photochemistry  and  Photobiology 51: 113‐118.  Kim  M.K.,  Park  J.W.,  Park  C.S.,  Kim  S.J.,  Jeune  K.H.,  Chang  M.U.,  Acreman  J.  (2006)  Enhanced  production  of  Scenedesmus  spp.  (green microalgae) using a new medium containing fermented swine wastewater. Bioresource Technology 98: 2220‐2228.  Krienitz L., Wirth M. (2006) The high content of polyunsaturated fatty acids in Nannochloropsis limnetica (Eustigmatophyceae) and  its  implication  for  food  web  interactions,  freshwater  aquaculture  and  biotechnology.  Limnologica  ‐  Ecology  and  Management of Inland Waters 36: 204‐210.  Kuck  U.,  Jekosch  K.,  Holzamer  P.  (2000)  DNA  sequence  analysis  of  the  complete  mitochondrial  genome  of  the  green  alga  Scenedesmus obliquus: evidence for UAG being a leucine and UCA being a non‐sense codon. Gene 253: 13‐18.  Lee J.Y., Yoo C., Jun S.Y., Ahn C.Y., Oh H.M. (2010) Comparison of several methods for effective lipid extraction from microalgae.  Bioresource Technology 101 Suppl S1: S75‐S77.  Lopez‐Rodas  V.,  Agrelo  M.,  Carrillo  E.,  Ferrero  L.M.,  Larrauri  A.,  Martin‐Otero  L.,  Costas  E.  (2001)  Resistance  of  microalgae  to  modern water contaminants as the result of rare spontaneous mutations. European Journal of Phycology 36: 179‐190.  Lurling  M.  (2006)  Effects  of  a  surfactant  (FFD‐6)  on  Scenedesmus  morphology  and  growth  under  different  nutrient  conditions.  Chemosphere 62: 1351‐1358. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 95 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Ma J.Y., Xu L.G., Wang S.F., Zheng R.Q., Jin S.H., Huang S.Q., Huang Y.J. (2002) Toxicity of 40 herbicides to the green alga Chlorella  vulgaris. Ecotoxicology and Environmental Safety 51: 128‐132.  Mallick N., Mohn F.H., Soeder C.J., Grobbelaar J.U. (2002) Ameliorative role of nitric oxide on H2O2 toxicity to a chlorophycean alga  Scenedesmus obliquus. Journal of General and Applied Microbiology 48: 1‐7.  Masojidek J., Torzillo G., Koblizek M., Kopecky J., Bernardini P., Sacchi A., Komenda J. (1999) Photoadaptation of two members of  the  Chlorophyta  Scenedesmus  and  Chlorella  in  laboratory  and  outdoor  cultures:  changes  in  chlorophyll  fluorescence  quenching and the xanthophylls cycle. Planta 209: 126‐135.  Matsunaga T., Matsumoto M., Maeda Y., Sugiyama H,. Sato R., Tanaka T. (2009) Characterization of marine microalga, Scenedesmus  sp. strain JPCC GA0024 toward biofuel production. Biotechnology Letters 31: 1367‐1372.  Ordog V., Stirk W., Lenobel R., Bancirova M., Strnad M., van Staden J., Szigeti J., Nemeth L. (2004) Screening microalgae for some  potentially useful agricultural and pharmaceutical secondary metabolites. Journal of Applied Phycology 16: 309‐314.  Orosa M., Torres E., Fidalgo P., Abalde J. (2000) Production and analysis of secondary carotenoids in green algae. Journal of Applied  Phycology 12: 553‐556.  Proctor V. (1957) Studies of algal antibiosis using Haematococcus and Chlamydomonas. Limnology and Oceanography 2: 125‐139.  Proctor V. (1957) Some controling factors in the distribution of Haematococcus pluvialis. Ecology 38: 457‐462.  Qiang L., Junda L. (2010) Effects of nitrogen source and concentration on biomass and oil production of a Scenedesmus rubescens  like microalga. Bioresource Technology 102: 1615‐1622.  Qin S., Liu G.X., Hu Z.Y. (2008) The accumulation and metabolism of astaxanthin in Scenedesmus obliquus (Chlorophyceae). Process  Biochemistry 43: 795‐802.  Radmer  R.,  Behrens  P.,  Arnett  K.  (1987)  Analysis  of  the  productivity  of  a  continuous  algal  culture  system.  Biotechnology  and  Bioenginering 29: 488‐492.  Rausch T. (1981) The estimation of micro‐algal protein content and its meaning to the evaluation of algal biomass I. Comparison of  methods for extracting protein. Hydrobiologia 78: 237‐251.  Sánchez J.F., Fernández‐Sevilla J.M., Acién F. G., Cerón M.C., Pérez‐Parra J., Molina‐Grima E. (2008) Biomass and lutein productivity  of Scenedesmus almeriensis: influence of irradiance, dilution rate and temperature. Applied Microbiology and Biotechnology  79: 719–729.  Tripathi U., Sarada R., Ravishankar G.A. (2001) A culture method for microalgal forms using two‐tier vessel providing carbon dioxide  environment: Studies on growth and carotenoid production. World Journal of Microbiology & Biotechnology 17: 325‐329.  Vandamme D., Foubert I., Meesschaert B., Muylaert K. (2010) Flocculation of microalgae using cationic starch. Journal of Applied  Phycology 22: 525‐530.  Voltolina D., Cordero B, Nievesc M., Soto L.P. (1998) Growth of Scenedesmus sp. in artificial wastewater. Bioresource Technology.  68: 265‐268.  Xia J.R., Gao K.S. (2002) Effects of CO2 enrichment on microstructure and ultrastructure of two species of freshwater green algae.  Acta Botanica Sinica 44: 527‐531.  Xin  L.,  Hong‐ying  H.,  Jia  Y.  (2010)  Lipid  accumulation  and  nutrient  removal  properties  of  a  newly‐isolated  freshwater  microalga,  Scenedesmus sp. LX1, growing in secondary effluent. New Biotechnology 27: 59‐63.  Xin L., Hong‐ying H., Jia Y., Yin‐hu W. (2010) Enhancement effect of ethyl‐2‐methyl acetoacetate on triacylglycerols production by a  freshwater microalga, Scenedesmus sp. LX1. Bioresource Technology 101: 9819‐9821.  Yang  Y.,  Gao  K.S.  (2003)  Effects  of  CO2  concentrations  on  the  freshwater  microalgae,  Chlamydomonas  reinhardtii,  Chlorella  pyrenoidosa and Scenedesmus obliquus (Chlorophyta). Journal of Applied Phycology 15: 379‐389.  Yoo C., Jun S. Y., Lee J.Y., Ahn C.Y., Oh H.M. (2010) Selection of microalgae for lipid production under high levels carbon dioxide.  Bioresource Technology 101 Suppl. 1: S71‐S74.   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 96 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.10 Desmodesmus sp. 



  Figure 26 ‐ Desmodemus sp.  Picture from UNIFI 



                  SYMBOLS:                    H, D, E    



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Chlorophyceae  Sphaeropleales  Scenedesmaceae  Desmodesmus   



Related Species  There are 72 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 16 have been flagged as  currently accepted taxonomically.  D.  communis,  D.  costato‐granulatus,  D.  bicellularis,  D.  serratus,  D.  denticulatus,  D.  lefevrei,  D.  arthrodesmiformis,  Desmodesmus  sp.  Hegewald  1987‐51,  D.  subspicatus,  D.  hystrix,  D.  opoliensis,  D.  pannonicus,  D.  perforatus,  D.  pirkollei,  Desmodesmus  sp.  CL1,  D.  maximus,  D.  tropicus,  D.  komarekii,  D.  multivariabilis, D. pleiomorphus, D. fennicus, D. armatus.   



BIOLOGY  Desmodesmus  used  to  be  the  most  species‐rich  subgenus  of  Scenedesmus,  but  it  was  given  genus  status  based on 18S and ITS2 rDNA phylogenies. The large genetic distance between the two subgenera and their  clear  distinct  cell  wall  ultrastructure  supported  retention  of  the  Scenedesmus  Meyen  for  non‐spiny  organisms and formation of a genus Desmodesmus (Chodat) An, Friedl et Hegewald for those which could  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 97 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



bear spines. Desmodesmus appears as unicells or coenobia 2–4–8–16‐celled, with long axes of cells parallel,  laterally  adjoined,  and  arranged  in  a  single  linear  or  alternating  series.  Cells  are  ellipsoidal  to  ovoid,  and  spines  usually  are  present  on  the  terminal  cells  and/or  medial  cells,  but  may  be  entirely  absent.  The  cell  wall may have ridges, warts, or nets. The chloroplast is parietal, usually with one pyrenoid.  Desmodesmus  is  an  extremely  common  genus,  occasionally  abundant,  found  in  the  phytoplankton  of  ponds  and  lakes.  They  are  cosmopolitans  and  able  to  withstand  harsh  conditions,  such  as  periods  with  strong grazing pressure.  The relatively low number of studies with Desmodesmus can be explained from investigators still being  unaware  of  the  division  of  the  old  genus  Scenedesmus  into  the  new  genera  Scenedesmus  and  Desmodesmus.  



BIOTECHNOLOGY  Little scientific literature is available on Desmodesmus, although its application are similar to that reported  for Scenedesmus. Part of the literature available about Scenedesmus actually refers to Desmodesmus.  Virginia Coastal Energy Research Consortium cultivated a Desmodemus strain for biodiesel production  studies in a 0.4 ha open pond during about a year with low and variable biomass concentrations and quite  low lipid yields (Stubbins, 2009).  References  Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=45397 [BIOLOGY section]  Lürling M. (2003) Phenotypic plasticity in the green algae Desmodesmus and Scenedesmus with special reference to the induction  of defensive morphology. Annales de Limnologie ‐ International Journal of Limnology 39: 85‐101. [BIOLOGY section]  Shubert  L.E.  (2003)  Nonmotile  coccoid  and  colonial  green  algae.  In:  Wehr    J.D.,  Sheath  R.G.  (eds.)  Freshwater  Algae  of  North  America: Ecology and Classification. Elsevier Science, pp. 253‐309. [BIOLOGY section]  Stubbins A. (2009) Virginia Coastal Energy Research Consortium Final Report: Algal Biodiesel Studies, July 2007 to September 2009.   Vanormelingen  P.,  Hegewald  E.,  Braband  A.,  Kitschke  M.,  Friedl  T.,  Sabbe  K.,  Vyverman  W.  (2007)  The  systematics  of  a  small  spineless  Desmodesmus  species,  D.  costato‐granulatus  (Sphaeropleales,  Chlorophyceae),  based  on  its  rDNA  sequence  analyses and cell wall morphology. Journal of Phycology 43: 378‐396. . [BIOLOGY section] 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 98 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.11 Chlorella sp.   



 



Figure 27‐ Chlorella emersonii, left picture control culture, right oicture N‐starved culture   D. Reinecke, BGU   



                  SYMBOLS:                                      B, D, E, H, PIV   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Trebouxiophyceae  Chlorellales  Chlorellaceae  Chlorella   



Related Species  Numbers of names and species: There are 71 species (and infraspecific) names in the database at present,  of which 32 have been flagged as currently accepted taxonomically.  C.  acuminata,  C.  angustoellipsoidea,  C.  anitrata,  C.  anitrata  var.  minor,  C.  antartica,  C.  aureoviridis,  C.  autotrophica,  C.  botryoides,  C.  candida,  C.  capsulata,  C.  communis,  C.  conductrix,  C.  conglomerata,  C.  desiccata, C. ellipsoidea var. minor, C. ellipsoidea, C. emersonii var. rubescens, C. emersonii var. globosa, C.  emersonii,  C.  faginea,  C.  fusca  var.  rubescens,  C.  fusca  var.  vacuolata,  C.  fusca,  C.  glucotropha,  C.  homosphaera, C. kessleri, C. kolkwitzii, C. lobophora, C. luteo‐viridis var. lutescens, C. luteo‐viridis, C. marina,  C.  miniata,  C.  minor,  C.  minutissima,  C.  mirabilis,  C.  mucosa,  C.  mutabilis,  C.  nocturna,  C.  oocystoides,  C.  ovalis,  C.  parasitica,  C.  parva,  C.  peruviana,  C.  protothecoides,  C.  protothecoides  var.  mannophila,  C.  pyrenoidosa var. tumidus, C. pyrenoidosa, C. pyrenoidosa var. duplex, C. regularis var. minima, C. reisiglii, C.  reniformis,  C.  rugosa,  C.  saccharophila,  C.  saccharophila  var.  ellipsoidea,  C.  salina,  C.  sorokiniana,  C.  spaerckii,  C.  sphaerica,  C.  stigmatophora,  C.  subsphaerica,  C.  terricola,  C.  trebouxioides,  C.  variabilis,  C.  vulgaris f. minuscula, C. vulgaris f. suboblonga, C. vulgaris f. globosa, C. vulgaris var. viridis, C. vulgaris var.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 99 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



autotrophica, C. vulgaris var. tertia, C. vulgaris, C. zofingiensis.     



BIOLOGY  Structural and morphological features  Chlorella  is  a  large  and  diverse  genus  of  small  unicellular  green  algae  of  highest  relevance  to  multiple  aspects of biotechnology.   Cells  are  round  or  ellipsoidal  in  shape.  Smooth  rigid  cellulosic  cell  wall  contains  contains  glucosamine  (chitosan). Nucleus is single and eccentric, chloroplast single and parietal, pyrenoid single and covered with  starch  envelope.  Pyrenoid  stroma  penetrated  with  2  or  3  closely  appressed  thylakoids.  Only  asexual  reproduction by autospores is known, autospores (2‐16 per mother cell) are released by rupture of parental  cell wall. Chlorella, essentially cosmopolitan, occurs in both freshwater and marine habitats. Traditionally,  the genus Chlorella has been comprised over 100 species; nevertheless, 10 well established species were  recognized by chemotaxonomic methods (Kessler and Huus, 1992). Based on modern polyphasic approach,  only  four:  C.  vulgaris  Beijerinck,  C.  lobophora  Andreyeva,  C.  sorokiniana  Shihira  &  Krauss,  and  C.  kessleri  Fott & Nováková (Huus et al., 1999) or even three: C. vulgaris, C. lobophora and C. sorokiniana (Krienitz et  al., 2004) “true” Chlorella species are recognized recently.  Strains of speciel interest  Chlorella  are  fast  growing  freshwater,  in  some  cases  marine,  water  algae,  reported  to  accumulate  high  concentration of oil under stress (Demirbas, 2009). Furthermore Chlorella strains can express a variety of  carotenoids,  among  them  astaxanthin.  Some  species  is  characterized  by  a  very  high  growth  rate  (µmax  =  0.20/h)  and  tolerance  to  a  high  culture  temperature  (40oC).  Its  desirable  technological  properties  (resistance to shear stress, low adhesion to a surface of the bioreactor, low tendency to form aggregates)  are expected to offer significant advantages for its use in large‐scale production bioreactors (Doucha and  Lívanský, 2009). Its ability to grows under high CO2  permits with a direct supply of flue gas containing up to  40% (v/v) of CO2 (Doucha and Lívanský, 2005; Douskova et al., 2009, 2010).  Chlorella vulgaris is a fast growing species and some strains can accumulate very high concentrations of  lipids  under  stress  (Francisco  et  al.,  2010;  Hsieh  and  Wu,  2009;  Ly  et  al.,  2010;  Liang  et  al.,  2009)  while  another othersones accumulate high amount of starch (Doušková et al., 2010). Oil production was tested  also  in  other  Chlorella  species  and  strains  as  termophilic  alga  Chlorella  sorokiana,  or  heterotrophically  grown  Chlorella  protothecoides  (Xu  et  al.,  2006).  Chlorella  zofingiensis,  can  accumulate  astaxanthin  and  lutein (Del Campo et al., 2004; Liu et al., 2010a,b; Yp et al., 2004).  Biochemical composition and biomass main constituents  The  biochemical  composition  and  the  essential  aminoacid  content  of  Chlorella  biomass  are  repoted  in  Tables 12 and 13.                    AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 100 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Table 12 ‐ Basic chemical biomass composition of a production strain Chlorella sp, strain P 12.  Item  % algal DW  Moisture  7‐7  Proteins (N x 6.25)  55‐58  *Lipids  8‐12  Saccharides  10‐15  Fibre  6‐8  Mineral substances  6‐8  Chlorophyll  2.5‐3.5  Nucleic acids  3‐4  *The proportion of essential unsaturated fatty acids (oleic, linoleic, linolenic) in the  total fatty acids under optimum growth conditions is in the range of 40‐60 %. 



  Table 13 ‐ The percent proportion of essential amino  acids in Chlorella and other protein‐rich sources.  Amino acid  Chlorella  (dry weight)  Isoleucine  Leucine  Lysine  Methionine  Phenylalanine  Threonine  Tryptophan  Valine 



2.01  4.14  3.19  1.04  2.57  2.42  0.80  3.00 



  In addition to 2‐3% of chlorophyll, Chlorella contains also carotenoids, orange and yellow dyespigments.  The most valuable of these is beta‐carotene, provitamin A. The amount of β‐carotene in Chlorella is in the  range of 0.10 to 0.25 % dry weight   An  important  component  of  the  Chlorella  cells  is  biologically  complexed,  and  therefore  readily  utilisedutilisable,  basic  minerals  (phosphorus,  potassium,  magnesium,  calcium  and  iron)  (Table  14)  and  trace elements, which form part of enzyme complexes and vitamins. These elements include in particular  manganese, zinc, molybdenum, copper and cobalt.  Trace  elements  are  often  chelated  with  amino  acids.  Their  concentration  and  type  of  binding  can  be  considerably modified. This offers us the possibility to obtain algal biomass with a defined, mostly increased  content  of  the  desirable  elements  or  their  mixture  in  a  natural  organic  form,  which  enhances  their  biological efficiency.  Another group of substances which is present in Chlorella in much higher levels than in other plants is  vitamins (Table 15). Striking is the high content of vitamins of group B, ascorbic acid (vitamin C), nicotinic  acid (vitamin B3) and tocopherols (vitamin E).   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 101 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Table 14 ‐ Proportion of mineral substances and  important trace elements in the Chlorella dry weight.  Element  mg/100 g DW  Phosphorus  1200  Potassium  879  Sulphur  600  Magnesium  300  Calcium  230  Iron  70  Manganese  14  Zinc  11  Copper  4  Cobalt  0.5    Table 15 ‐ Vitamin content of Chlorella.  Vitamins (mg kg‐1) 



Chlorella  (dry weight) 



B1 ‐ thiamine  B2 ‐ riboflavin  B3 ‐ nicotinic acid (niacin)  B5 ‐ pantothenic acid  B6 ‐ pyridoxine  B12 ‐ cobalamin  biotin (vitamin H)  folic acid  vitamin E (tocopherol)  vitamin C (ascorbic acid)  β‐carotene (provitamin A) 



18  44  219   13  28  0.8  0.3  42  298  655  1050 



  Chlorella Growth Factor (CGF) is a water‐extractable cell fraction containing free amino acids, peptides,  glycoproteins, polyamines, some vitamins, minerals and other, as yet not exactly defined components. The  effects of the extract are presented as striking, though scientific data to prove these statements are still at  laboratory scale.  It It promotes tissue regeneration, cell growth and division. It stimulates the production of leukocytes  and  their  phagocytic  activity,  i.e.  the  ability  to  eliminate  foreign  bacteria  and  also  the  production  of  lymphocytes  responsible  for  the  synthesis  of  antibodies  ‐  important  factors  in  the  immunity  against  infections.  It  is  a  suitable  dietary  supplement  during  the  administration  of  probiotics,  i.e.  substances  positively  affecting  the  composition  of  intestinal  microflora.  It  has  been  shown  that,  following  an  administration  of  the  algal  extract,  the  organism  exhibits  a  better  regeneration  of  damage  caused  by  ionising  radiation.  Chlorella  extracts  have  found  their  use  in  topical  applications,  e.g.  in  the  treatment  of  chronic inflammations, eczemas, crural ulcers, burns and other badly healing wounds, which are healed by  a fully functional tissue. Japanese laboratories have repeatedly published data on the anti‐tumour activity  of the algal extract in vitro.  The  nutrient  solution,  in  which  Chlorella  has  been  cultured,  displays  also  a  conspicuous  stimulatory  effect when used for watering freshly planted fruit or forest trees or vegetables. This has been attributed to  its stimulatory effects on plant root‐taking and growth. The stimulatory effect is ascribed, apart from other  components, to compounds of the phytohormone group which have been identified in the algal extracts.    AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 102 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Gross composition under optimal and stressed conditions   A complex treatment of agricultural waste including the following major steps: anaerobic fermentation of  suitable  waste,  cogeneration  of  the  obtained  biogas  and  growth  of  microalgae  consuming  the  CO2  from  biogas or flue gas, was verified under field conditions in a pilot‐scale photobioreactor. Laboratory analyses  of the produced microalgae confirmed that it meets the strict EU criteria for relevant contaminants level in  foodstuff (Doušková et al., 2009; 2010a; Kaštánek et al., 2010).  The  freshwater  alga  Chlorella,  a  highly  productive  source  of  starch,  might  substitute  for  starch‐rich  terrestrial plants in bioethanol production. Cheap enhanced starch  biomass can be produced from  highly  productive  Chlorella  cultures  grown  in  suitable  outdoor  photobioreactors  in  which  the  photosynthetic  carbon  dioxide  source  is  derived  from  combustion  of  organic  waste,  fermentation  processes  or  other  sources  (Doucha  et  al.,  2005;  Douskova  et  al.,  2009;  Mann  et  al.,  2009).  This  characteristic  enhances  the  ecological  and  economic  impact  of  the  proposed  technology,  because  of  its  potential  to  bioremediate  carbon dioxide emissions from different CO2 sources including waste incinerators, power stations, limekilns,  cogeneration units, etc. in situ.   



BIOTECHNOLOGY  Culture media  Chlorella was one of the first algae isolated as a pure culture by Beijerinck in 1890. Since the half of the last  century, attention has been drawn towards its potential for autotrophic mass cultivation. To this purpose,  many mineral media were developed based in principle on the chemical composition of the algal cells. The  basic inorganic elements used are: N, P, K, Mg, Ca, S, Fe, Cu, Mn, Mo and Zn (Krauss, 1958; O´Kelly, 1968).  Many formulas are used for the cultivation of this genus ‐ see Hama and Miyachi (1988). For high‐yielded  production of Chlorella outdoors an optimized composition of nutrient solution was proposed by Doucha  and Lívanský (2006).   The mineral medium was based on the mean content of P, N, K, Mg, and S in algal biomass and had the  following initial composition (mg/L): 1100 (NH2)2CO, 237 KH2PO4, 204 MgSO4.7H2O, 40 C10H12O8N2NaFe, 88  CaCl2,  0.83  H3BO3,  0.95  CuSO4.5H2O,  3.3  MnCl2.4H2O,  0.17 (NH4)6Mo7O24.4H2O,  2.7  ZnSO4.7H2O,  0.6  CoSO4.7H2O, 0.014 NH4VO3 in distilled water.  Cultivation  of  Chlorella  heterotrophically  in  fermenters  is  also  used  (Lee  et  al.,  1997).  Heterotrophic  culture may provide a cost effective, large‐scale alternative method for cultivation of some microalgae that  can  utilize  organic  carbon  substances  as  their  sole  carbon  and  energy  source  (Chen  and  Chen,  2006).  Nutrient solution containing glucose or acetate as a source of carbon for intensive growth of Chlorella  in  fermenter  was  described  by  Endo  and  Shirota  (1972)  and  lately  by  Doucha  and  Lívanský  (Cz.  patent.  288638,  2001).  Technology  of  heterotrophic  Chlorella  cultivation  has  been  commercially  used  for  production of biomass (Doucha and Lívanský, 2011) for food and feed as well as for production of biomass  enriched by organically bound selenium (Doucha et al., 2009;, Skřivan et al., 2006; Trávníček et al., 2008) or  as a source of lipids for production of biodiesel (Xiong et al., 2008).  Cultivation methods and production systems  There is still a noticeable discrepancy between the extent of commercially operated algal cultures and the  potential  of  algae.  Since  the  first  experiments  with  large‐scale  algal  cultures  in  the  1950s  (Burlew,  1953)  many  types  of  culture  equipment  have  been  developed  (Stengel,  1970;  Richmond  and  Becker,  1986;  Tredici, 2004). For most products of microalgal mass cultivation outdoor open circular or “raceway” ponds  with  a  15‐30  cm  layer  of  algal  suspension  are  the  most  used  technology  for  the  growth  of  algae  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 103 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



(Borowitzka, 1999). The commercial production of Chlorella biomass is carried out exclusively in these open  systems.  Closed  reactors  (tubular,  helical  and  flat  bioreactors,  vertical  cylinders  and  sleeves)  have  been  employed for research in small field installations (e.g. Torzillo, 1997; Pulz and Scheibenbogen, 1998; Tredici,  2004). The only exception is a large‐scale tubular bioreactor which started production of Chlorella biomass  in Central Germany in 2000 (Pulz, 2001) and tubular reactors used to produce Haematococcus in Israel.   Open  ponds  are  characterized  by  simple  construction  and  relatively  low  building  costs.  On  the  other  hand,  there  are  many  serious  drawbacks  of  this  system:  (a)  due  to  thick  layer  of  algal  suspension,  the  culture must be grown at low densities (about 0.5 algal DW l‐1). With increasing densities the productivity  sharply  decreases;  (b)  low  velocity  flow  (15‐30  cm  s‐1)  of  poorly  mixed  algal  suspension  leads  to  low  utilization of light energy and to accumulation of oxygen dissolved in the suspension; (c) the separation of  low  concentrated  algae  from  the  nutrient  solution  at  the  harvest  is  highly  energy  demandinged  is  the  separation of low concentrated algae from the nutrient solution at the harvest.   The  key  for  reduction  of  cultivation  costs  rests  in  a  low  area  volume  of  algal  suspension.  This  can  be  achieved by decreasing algal layer to a low value as technologically possible (Doucha and Lívanský, 2006,  2009).  Technological and production characteristics of both systems are given below (Table 16).    Table 16‐ Characteristics of cultures in raceway ponds and thin layer culture system.  Culture characteristics  culture volume (l m‐2)  



Raceway ponds  150‐300 



Thin‐layer  6‐8 



culture layer thickness (mm)  biomass harvest density (g l‐1)  



150‐300  0.5‐1 



6‐8  35‐50 



harvest/downstream processing  density multiply     surface/volume ratio (m‐1)   



150‐300 



3‐4.3 







100 



2.5‐4 



5‐8 



10‐20 



20‐40 



0.05‐0.1  5‐20 



2‐5  60‐70 



photosynthetic  efficiency  (%  of  PAR)   areal productivity (g m‐2 d‐1)  volumetric productivity (g l‐1 d‐1)   efficiency of CO2 utilization (%)  



Harvesting methods  Many methods are available for harvesting of microalgae, consisting in thickening of algal biomass as a first  step. These include: centrifugation, electroflotation, and chemical flocculation, followed by sedimentation  or  air  flotation,  continuous  belt  filtration,  vibrating  and  stationary  screens,  sand  bed  filtration,  and  autoflocculation  (Richmond,  1986).  Speaking  about  large‐scale  commercial  Chlorella  cultures,  only  centrifugation  by  means  of  continuously  operating  self  cleaning  centrifuges,  is  used.  The  advantage  of  centrifugation is its simplicity and possibility to lower chemicals and bacterial contamination in product. On  the other side, this process is connected with a high energy demand. When commonly used raceway pond  culture technology is used (at harvesting density about 0.5 g l‐1 and thickening up to 150 g l‐1), about 30 %  of the total cost of the production is accounted (Gudin and Thepenier, 1986).   Biomass processing  The  next  step  after  the  thickening  of  algal  biomass  by  centrifugation  is  disruption  of  algal  cells.  The  rigid  cellulosic cell wall, one of the characteristics of unicellular Chlorella, causes a low utilization of cell content  by  a  recipient.  The  digestibility  of  ruptured  Chlorella  cells  increases  to  80  %  (Doucha  and  Lívanský,  2008)  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 104 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



compared  to  15‐25  %  for  unruptured  cells  (Becker,  1984).  To  open  the  cell,  methods  of  freezing,  alcalic  alkaline and organic solvents, osmotic shocks, sonication, high‐pressure homogenization and bead milling  were  tested  (Molina  Grima  et  al.,  2004).  For  large‐scale  processing  of  Chlorella  cultures  disintegration  of  cell walls by bead mills is mostly used (Middelberg, 1995; Doucha and Lívanský, 2008).   Spray drying as the end step of the downstream processing process is the most extended method for  dehydration of ruptured Chlorella cells. Algae biomass is dispersed into very fine droplets, whose surface  temperature  in  the  course  of  several  seconds  of  drying  does  not  surpass  60  oC.  Thus,  the  process  is  very  considerate and the quality of the product is high.   Scaling up  The first commercial production of Chlorella and, some years later, blue‐green Spirulina cultures started in  Japan and Taiwan in the 1960’s. Nowadays, large‐scale production plants are located also in the USA, China,  India,  Thailand,  Indonesia,  Germany  and  other  countries  (Borowitzka,  1996;  Lee,  1997;  Pulz  ,  2001;  Borowitzka 1996; Tredici, 2004; Spolaore et al., 2006). Their per year ‐ world production is estimated to be  about  8000  tons  (Spirulina)  and  5000  tons  (Chlorella).  Most  of  the  products  have  been  used  in  human  nutrition.   High  growth  rate,  high  photosynthetic  efficiency,  relatively  high  content  of  energy‐rich  chemicals  on  one side and experience with large‐scale culture and downstream processing technologies concentrate in  last  decades  increasing  attention  on  microalgae  as  a  feedstock  for  biofuels.  Today  projects  dealing  with  algae  are  focused  almost  entirely  on  biodiesel  production.  Nevertheless,  algal  strains  containing  higher  amount  of  lipids  are  characterized  by  low  growth  rate.  Slow  growth  increases  the  operational  costs  and  demands cultivation in closed bioreactors whose building is expensive.   On  the  other  side  for  economical  production  of  bioethanol,  relatively  cheap  biomass  of  high‐yielded  Chlorella cultures, containing enhanced amount of starch grown in suitable open bioreactors is perspective  solution. To produce starch economically, conditions for culturing starch‐enriched algae in dense cultures  must  be  attained.  Using  a  thin  layer  algal  suspension  in  outdoor  cultures,  linear  growth  continues  up  to  very  high  biomass  concentrations  (about  40  g/L)  enabling  easy  and  cheap  harvesting  and  processing  (Doucha and  Lívanský, 2006, 2009). However, the  content of starch in  the  biomass is low (15% of DW or  less).   The conditions under which starch content increases in commercially produced algal biomass to a level  that would be viable for bioethanol production can be achieved if the processes and events during which  starch is extensively degraded are slowed down, or stopped completely, while the factors supporting starch  synthesis,  namely  light  intensity,  remain  sustainable  (Figure  27)  (Brányiková  et  al.,  2011).  Similarly,  the  Chlorella  species  producing  oil  as  their  energy  reserves  rather  than  starch  can  be  similarly  treated  to  markedly increase their oil content (Figure 28).  An  increase  in  the  production  of  starch  in  sulphur‐limited  culture  up  to  a  maximum  of  50%  starch  content of algal biomass (DW) was demonstrated under field conditions using the outdoor scale up, thin‐ layer solar photobioreactor.  While  use  of  algae  with  enriched  starch  content  is  conventional  for  bioethanol  production,  another  attractive exploitation of starch from algae might be the production of hydrogen, which may be realized in  the near future (Miura et al., 1982; Tsygankov et al., 2002; Melis et al., 2004; Chochois et al., 2009; Melis et  al. 2004; Miura et al. 1982; Tsygankov et al. 2002). Sulphur limitation could be one of the ways to support  hydrogen production (Melis et al., 2000; Zhang et al., 2002). It has been shown recently that some strains  of  Chlorella  can  produce  and  accumulate  significant  volume  of  hydrogen  gas  under  anaerobic  conditions  and sulphur deprivation such as it is reported in literature using C. reinhardtii (Chader et al., 2009).     AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 105 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



  Figure 28 ‐ Electron microscopic photographs of  daughter (A) and mother (B) cells of Chlorella  grown in complete mineral medium, in the  presence of cycloheximide (1 mg/L) (C), and in  sulfur limiting medium (D). N nucleus, S starch  granules. Bars: panels A, B, C = 2 μm; bar panel D  = 5 μm. 



Figure 29 ‐ Fluorescent microphotography of Chlorella cells with  enriched content of oil (yellow spots oil stained by Nile Red 



  To decrease price of algal biomass the flue gas from various sources can be used as a cheap CO2 source.  Using  pilot  outdoor  thin‐layer  bioreactor,  built  in  a  livestock  farm,  flue  gas,  after  utilization  of  CH4  anaerobically  generated  in  biogas  station,  was  used  as  a  source  of  CO2  for  algal  photosynthesis.  Besides,  minerals of liquid concentrate of the anaerobic digested livestock excrements can be used as a source of  inorganic  nutrients  for  algal  growth  (Doucha,  2010,  unpublished  results).  The  flue  gas,  after  utilization  of  biogas  produced  from  distillery  stillage  (Doušková  et  al.,  2010)  or  from  swine  manure  (Kaštánek  et  al.,  2010) for electricity and heat production, was also successfully applied as a cheap source of CO2 for algal  biomass production.   An increase in the production of starch in sulfur‐limited culture up to a maximum of 50% starch content  of algal biomass (DW) was demonstrated under field conditions using the outdoor scale up, thin‐layer solar  photobioreactor. Despite the relatively unfavourable climatic conditions of Trebon (Czech Republic), a total  yield  of  starch  calculated  per  ha  over  a  season  of  150  days  was  7  tonnes  (Doušková  et  al.,  2010).  In  optimum  locations  for  photoautotrophic  production  of  algae  like  Greece,  with  a  season  lasting  approximately  250  days,  the  overall  harvest  might  be  increased  by  a  factor  of  10  (Doucha  and  Livansky,  2006).  The  remaining  parts  of  the  cells,  containing  largely  proteins,  can  be  used  as  a  feed  supplement  what  further decreases the cost of starch production.    References  Bayen  M.,  Dalmon  J.  (1975)  [Physico‐chemical  determination  of  the  ploidy  of  the  unicellular  alga,  Chlorella  pyrenoidosa  (strain  211/8b) (author's transl)]. Biochimica et Biophysica Acta 395: 213‐219.  Becker E.W (1994) Microalgae: Biotechnology and Microbiology. Cambridge University Press, Cambridge.  Borowitzka  M.A.  (1996)  Closed  algal  photobioreactors:  Design  considerations  for  large‐scale  systems.  Journal  of  Marine  Biotechnology 4: 185‐191.  



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 106 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Borowitzka  M.A.  (1999)  Commercial  production  of  microalgae:  ponds,  tanks,  tubes  and fermenters.  Journal  of  Biotechnology  70:  313‐321.  Brányiková  I.,  Maršálková  B.,  Doucha  J.,  Brányik  T.,  Bišová  K.,  Zachleder  V.,  Vítová  V.  (2011)  Microalgae  ‐  novel  highly‐efficient  starch producers. Biotechnology and Bioengineering 108: 766‐776.  Burlew J.S. (ed.) (1953) Algal Culture from Laboratory to Pilot Plant. Carnegie Institute of Washington, DC.  Chader S., Hacene H., Agathos S.N. (2009) Study of hydrogen production by three strains of Chlorella isolated from the soil in the  Algerian Sahara. International Journal of Hydrogen Energy 34: 4941‐4946.  Chen G.Q., Chen F. (2006) Growing phototrophic cells without light. Biotechnology Letters 28: 607‐616.  Chochois V., Dauvillée D., Beyly A., Tolleter D., Cuiné S., Timpano H., Ball S., Cournac L., Peltier G. (2009) Hydrogen production in  Chlamydomonas: photosystem II‐dependent and independent pathways differ in their requirement for starch metabolism.  Plant Physiology 151: 631‐640  Del  Campo  J.A.,  Rodriguez  H.,  Moreno  J.,  Vargas  M.A.,  Rivas  J.,  Guerrero  M.G.  (2004)  Accumulation  of  astaxanthin  and  lutein in  Chlorella zofingiensis (Chlorophyta). Applied Microbiology and Biotechnology 64: 848‐854.  Demirbas A. (2009) Production of biodiesel from algae oils. Energy Sources, Part A: Recovery, utilization, and environmental effects  31: 163‐168.  Doucha J., Lívanský K. (2001) Method of controlled cultivation of algae in heterotrophic mode of nutrition. Czech Patent 288638.  Doucha J., Lívanský K. (2006) Productivity, CO2/O2 exchange and hydraulics in outdoor open high density microalgal (Chlorella sp.)  photobioreactors operated in a Middle and Southern European climate. Journal of Applied Phycology 18: 811‐826.  Doucha  J.,  Lívanský  K.  (2009)  Outdoor  open  thin‐layer  microalgal  photobioreactor:  potential  productivity.  Journal  of  Applied  Phycology 21: 111‐117.  Doucha  J.,  Lívanský  K.  (2008)  Influence  of  processing  parameters  on  disintegration  of  Chlorella  cells  in  various  types  of  homogenizers. Applied Microbiology and Biotechnology 81: 131‐440.  Doucha  J,  Lívanský  K.  (2011)  Production  of  high‐density  Chlorella  culture  grown  in  fermenters.  Journal  of  Applied  Phycology  DOI  10.1007/s10811‐010‐9643‐2.  Doucha J., Straka F., Livansky K. (2005) Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin‐ layer photobioreactor. Journal of Applied Phycology 17: 403‐412.  Doucha J., Lívanský K., Kotrbáček V., Zachleder V. (2009) Production of Chlorella biomass enriched by selenium and its use in animal  nutrition: a review. Applied Microbiology and Biotechnology 83: 1001‐1008.   Doušková  I.,  Doucha  J.,  Livansky  K.,  Machat  J.,  Novak  P.,  Umysova  D.,  Zachleder  V.,  Vitova  M.  (2009)  Simultaneous  flue  gas  bioremediation and reduction of microalgal biomass production costs. Applied Microbiology and Biotechnology 82: 179‐185.  Doušková  I.,  Kaštánek  F.,  Maléterová  Y.,  Kaštánek  P.,  Doucha  J.,  Zachleder  V.  (2010)  Utilization  of  distillery  stillage  for  energy  generation  and  concurrent  production  of  valuable  microalgal  biomass  in  the  sequence:  Biogas‐cogeneration‐microalgae‐ products. Energy Conversion and Management 51: 606‐611.  Endo  H.,  Shirota  M.  (1972)  Studies  on  the  heterotrophic  growth  of  Chlorella  in  a  mass  culture. Proceedings  IV  IFS:  Fermentation  Technology Today, pp. 533‐541.  Francisco  É.C.,  Neves  D.B.,  Jacob‐Lopes  E.,  Franco  T.T.  (2010)  Microalgae  as  feedstock  for  biodiesel  production:  Carbon  dioxide  sequestration, lipid production and biofuel quality. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 85: 395‐403.  Guckert J.B., Cooksey K.E. (1990) Triglyceride accumulation and fatty acid profile changes in Chlorella (Chlorophyta) during high pH‐ induced cell cycle inhibition. Journal of Phycology 26: 72‐79.  Gudin  C.,  Thepenier  C.  (1986)  Bioconversion  of  solar  energy  into  organic  chemicals  by  microalgae.  Advances  in  Biotechnology  Processes 6: 73‐110.  Hsieh C.H., Wu W.T. (2009) Cultivation of microalgae for oil production with a cultivation strategy of urea limitation. Bioresource  Technology 100: 3921‐3926.  Huss V.A.R., Frank C., Hartmann E.C., Hirmer M., Kloboucek A., Seidel B.M., Wenzeler P., Kessler E. (1999) Biochemical taxonomy  and molecular phylogeny of the genus Chlorella sensu lato (Chlorophyta). Journal of Phycology 35: 587‐598.  Kaštánek F., Šabata S., Šolcová O., Maléterová .Y, Kaštánek .P, Brányiková I., Kuthan K., Zachleder V. (2010) In‐field experimental  verificatiom  of  cultuvation  of  microalgae  Chlorella  sp.  using  the  flue  gas  from  a  cogeneration  unit  as  a  source  of  carbon  dioxide. Waste Management and Research 28: 961‐966.  Kessler E., Huss V.A.R. (1992) Comparative physiology and biochemistry and taxonomic assignment of the Chlorella (Chlorophyceae)  strains of the Culture Collection of the University of Texas at Austin. Journal of Phycology 28: 550‐553.  Krauss R.W. (1958) Physiology of the fresh‐water algae. Annual Review of Plant Physiology 9: 207‐244.  Krienitz  L..,  Hegewald  E.H.,  Hepperle  D.,  Huss  V.A.R.,  Rohr  T.,  Wolf  M.  (2004)  Phylogenetic  relationship  of  Chlorella  and  Parachlorella gen. nov. (Chlorophyta, Trebouxiophyceae). Phycologia 43: 529‐542.  Krusteva  N.G.,  Tomova  N.G.,  Georgieva  M.A.  (1984)  Allosteric  regulation  of  NAD(NADP)‐dependent  glyceraldehyde‐3‐phosphate  dehydrogenase from Chlorella by α‐amino acids, dithiothreitol and ATP. FEBS Letters 171: 137‐140.  Lee Y.K. (1997) Commercial production of microalgae in the Asia‐Pacific rim. Journal of Applied Phycology 9: 403‐411.  Lee Y.K. (2001) Microalgal mass culture systems and methods: Their limitation and potential. Journal of Applied Phycology 13: 307‐ 315.  Li  X.,  Xu  H.,  Wu  Q.  (2007)  Large‐scale  biodiesel  production  from  microalga  Chlorella  protothecoides  through  heterotrophic  cultivation in bioreactors. Biotechnology and Bioengineering 98: 764‐771.  Liang  Y.,  Sarkany  N.,  Cui  Y.  (2009)  Biomass  and  lipid  productivities  of  Chlorella  vulgaris  under  autotrophic,  heterotrophic  and  mixotrophic growth conditions. Biotechnology Letters 31: 1043‐1049.  Liu J., Huang J., Fan K.W., Jiang Y., Zhong Y., Sun Z., Chen F. (2010a) Production potential of Chlorella zofingienesis as a feedstock for  biodiesel. Bioresource Technology 101: 8658‐8663. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 107 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Liu  J.,  Zhong  Y.,  Sun  Z.,  Huang  J.,  Sandmann  G.,  Chen  F.  (2010b)  One  amino  acid  substitution  in  phytoene  desaturase  makes  Chlorella zofingiensis resistant to norflurazon and enhances the biosynthesis of astaxanthin. Planta 232: 61‐67.  Mann G., Schlegel M., Schumann R., Sakalauskas A. (2009) Biogas‐conditioning with microalgae. Agronomy Research 7: 33‐38.  Melis A., Seibert M., Happe T. (2004) Genomics of green algal hydrogen research. Photosynthesis Research 82: 277‐288.  Melis  A.,  Zhang  L.,  Forestier  M.,  Ghirardi  M.L.,  Seibert  M.  (2000)  Sustained  photobiological  hydrogen  gas  production  upon  reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiology 122: 127‐135.  Middelberg A.P.J. (1995) Process‐scale disrruption of microorganisms. Biotechnology Advances 13: 491‐555.  Miura Y., Yagi K., Shoga M., Miyamoto K. (1982) Hydrogen production by a green alga, Chlamydomonas reinhardtii, in an alternating  light/dark cycle. Biotechnology and Bioengineering 24: 1555‐1563.  Molina  Grima  E.,  Fernández  F.G.A.,  Medina  A.R. (2004)  Downstream  processing of  cell‐mass  and  products.  In:  Richmond  A.  (ed.)  Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. Blackwell Science, pp 215‐251.  O´Kelly J.C. (1968) Mineral nutrition of algae. Annual Review of Plant Physiology 19: 89‐112.  Oh‐hama  T.,  Miyachi  S.  (1988)  Chlorella.  In:  Borowitzka  M.A.,  Borowitzka  L.J.  (eds.),  Micro‐algal  Biotechnology.  Cambridge  University Press, Cambridge, pp. 3‐26.  Pulz O. (2001) Photobioreactors: Production systems for phototrophic microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology 57:  287‐293.  Pulz O., Scheibenbogen K. (1998) Photobioreactors: Design and performance with respect to light energy input. In: Scheper T. (ed.)  Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Springer‐Verlag, Berlin, pp. 123‐152.  Richmond A. (ed.) (1986) CRC Handbook of Microalgal Mass Culture. CRC Prsss, Boca Raton, Florida.  Richmond  A.,  Becker  E.W.  (1986)  Technological  aspects  of  mass  cultivation  –  a  general  outlook.  In:  Richmond  A.  (ed.)  CRC  Handbook of Microalgal Mass Culture. CRC Press, Boca Raton, Florida, pp 245‐263.  Rodolfi  L.,  Chini  Zitteli  G.,  Bassi  N.,  Padovani  G.,  Biondi  N.,  Bonini  G.,  Tredici  M.R.  (2009)  Microalgae  for  oil:  Strain  selection,  induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low‐cost photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering  102: 100‐112.  Sauer N., Tanner W. (1989) The hexose carrier from Chlorella. cDNA cloning of a eukaryotic H+‐cotransporter. FEBS Letters 259: 43.  Skřivan M., Šimáně J., Dlouhá G., Doucha J. (2006) Effect of dietary sodium selenite, Se‐enriched yeast and Se‐enriched Chlorella on  egg Se concentration, physical parameters of eggs and laying hen production. Czech Journal of Animal Science 51: 163‐167.  Spolaore  P.,  Joannis‐Cassan  C.,  Duran  E.,  Isambert  A.  (2006)  Commercial  application  of  microalgae.  Journal  of  Bioscience  and  Bioengineering 101: 87‐96.  Stengel  E.  (1970)  Anlagentype  und  Verfahren  der  technischen  Algenmassenproduktion.  Berichte  der  Deutschen  Botanische  Gesellschaft 83: 589‐606.  Syrett P.J., Thomas E.M. (1973) The assay of nitrate reductase in whole cells of Chlorella: Strain differences and the effect of cell  walls. New Phytologist 72: 1307‐1310.  Torzillo  G.  (1997)  Tubular  bioreactors.  In:  Vonshak  A  (ed.)  Spirulina  platensis  (Arthrospira):  Physiology,  Cell  Biology  and  Biotechnology. Taylor & Francis, London, pp 101‐115.  Trávníček J., Racek J., Trefil L., Rodinová H., Kroupová V., Illek J., Doucha J., Písek L. (2008) Activity of glutathione peroxidase (GSH‐ Px) in the blood of ewes and their lambs receiving the selenium‐enriched unicellular alga Chlorella. Czech Journal of Animal  Science 53: 292–298.  Tredici  M.R.  (2004)  Mass  Production  of  Microalgae:  Photobioreactors.  In:  Richmond  A.  (ed.)  Handbook  of  Microalgal  Culture.  Blackwell Science Ltd, Oxford, pp 178‐214.  Tsygankov  A.,  Kosourov  S.,  Seibert  M.,  Ghirardi  M.L.  (2002)  Hydrogen  photoproduction  under  continuous  illumination  by  sulfur‐ deprived, synchronous Chlamydomonas reinhardtii cultures. International Journal of Hydrogen Energy 27: 1239‐1244.  Xiong W., Li X., Xiang F., Wu Q. (2008) High density fermentation of micro alga Chlorella protothecoides in bioreactor for microbio‐ diesel production. Applied Microbiology and Biotechnology 78: 29‐36.  Xu H., Miao X., Wu Q. (2006) High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth  in fermenters. Journal of Biotechnology 126: 499‐507.  Yp J.M., Cheng L.H., Xu X.H., Zhang L., Chen H.L. (2010) Enhanced lipid production of Chlorella vulgaris by adjustment of cultivation  conditions. Bioresource Technology 101: 6797‐6804.  Yp P.F., Wong K.H., Chen F. (2004) Enhanced production of astaxanthin by the green microalga Chlorella zofingiensis in mixotrophic  culture. Process Biochemistry 39: 1761‐1766.  Zhang  L.,  Happe  T.,  Melis  A.  (2002)  Biochemical  and  morphological  characterization  of  sulfur‐deprived  and  H2‐producing  Chlamydomonas reinhardtii (green alga). Planta 214: 552‐561. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 108 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.1.12 Parietochloris incisa  



 



  Figure 30 – Parietochloris incisa in balanced growth (left) and nitrogen starved (right)  I. Khozin, BGU 



                    SYMBOLS:                        D, PIV      



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta  Trebouxiophyceae  Chlorellales  Chlorellaceae  Parietochloris  Parietochloris incisa 



Related Species   Numbers of names and species: There are 6 species (and infraspecific) names in the database at present.  P. alveolaris, P. bilobata, P. cohaerens, P. incisa, P. ovoidea, P. pseudoalveolaris.   



BIOLOGY  Parietochloris incisa is a unicellular, oleaginous, freshwater alga. The alga was isolated from the slopes of a  snow mountain in Japan (Watanabe et al., 1996), an alpine environment which is characterized by a broad  temperature  range,  UV  radiation  and  light  levels  that  can  be  extremely  high.  Such  environments  were  found to be a natural habitat for phototrophic microorganisms that accumulate high polyunsaturated fatty  acids  (PUFA)  concentrations,  including  sea  ice  diatoms,  dinoflagellates,  and  green  algae.  Indeed  P.  incisa  was found to accumulate unusually high content of the long chain PUFA, arachidonic acid (AA) (Bigogno et  al., 2002a).  



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 109 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Biochemical composition  Under nitrogen starvation, the fatty acid content in P. incisa is over 35% of dry weight; AA constitutes about  60% of total fatty acids, and over 90% of cell AA is deposited in TAG (Khozin‐Goldberg et al., 2002). In the  lipid‐linked pathway of its biosynthesis, AA is mainly exported to TAG and accumulated in cytoplasmic lipid  bodies  (Bigogno  et  al.,  2002b).  The  pathway  of  AA  biosynthesis  involves  stepwise  desaturation  and  elongation of oleic acid via the so‐called ω6 pathway. The genes encoding for ∆12, ∆6, ∆5 desaturases and  ∆6 PUFA elongase were cloned and their functions were validated in heterologous system (Iskandarov et  al., 2009, 2010).   Furthermore, under optimal growth temperature (25 °C), AA is partially converted to the valuable PUFA  eicosapentaenoic  acid  (EPA,  20:5ω3).  This  conversion  is  more  pronounced  when  alga  is  exposed  to  low  temperature  (10‐15oC).  The  conversion  of  ω6  precursors  into  ω3  fatty  acids  is  catalyzed  by  a  group  of  enzymes called ω3 fatty acid desaturases (FAD) that differ by fatty acid substrate preference and cellular  localization.  A  Δ5‐desaturase‐deficient  mutant  isolated  at  BGU  (Cohen  et  al.,  2009)  is  able  to  accumulate  the high value PUFA DGLA (20:3ω6).    



BIOTECHNOLOGY  Growth medium  mBG11  Growth rate  Growth rate in panel reactors and continuous illumination under nitrogen starvation:  160 mg/l per day accumulating 6% DGLA and 18% TAG.   Pilot scale scale production  The DGLA production process using the P. incisa mutant has been tested at BGU at the pilot scale using 50 –  200 l flatpanel reactors in greenhouse or climate controlled growth rooms. DGLA content 10% of total dry  biomass  was  achieved  after  cultivation  in  N‐deficient  medium  demonstrating  a  commercial  production  capability.    HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  P. incisa and its mutant are unique among algae in being able to accumulate high concentrations of PUFA  in  TAG  in  cytoplasmic  oil  globules.  Identification  of  several  desaturase  and  elongase  genes  may  allow  breakthroughs in engineering more efficient PUFA producing algae.    References   Bigogno C., Khozin‐Goldberg I., Boussiba S., Vonshak A., Cohen Z. (2002a) Lipid and fatty acid composition of the green oleaginous  alga Parietochloris incisa, the richest plant source of arachidonic acid. Phytochemistry 60: 497‐503.  Bigogno  C.,  Khozin‐Goldberg  I.,  Adlerstein  D.,  Cohen  Z.  (2002b)  Biosynthesis  of  arachidonic  acid  in  the  oleaginous  microalga  Parietochloris incisa (Chlorophyceae): radiolabeling studies. Lipids 37: 209‐216.  Cohen Z., Khozin‐Goldberg I., Boussiba S., Vonshak A.; Ben‐Gurion University of the Negev Research and Development Authority,  assignee. 2009 19.02.2009. Over‐Production of dihomo gamma linolenic acid by a Mutant Strain of Parietochloris incisa. IL.  Iskandarov  U.,  Khozin‐Goldberg  I.,  Ofir  R.,  Cohen  Z.  (2009)  Cloning  and  characterization  of  the  ω6  polyunsaturated  fatty  acid  elongase from the greenm Parietochloris incisa. Lipids 44: 545‐554.  Watanabe  S.,  Hirabayashi  S.,  Boussiba  S.,  Cohen  Z.,  Vonshak  A.,  Richmond  A.  (1996)  Parietochloris  incisa  comb.nov.  (Trebouxiophyceae, Chlorophyta). Phycological Research 44: 107‐108. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 110 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  8.1.13 Prototheca sp.   



  Figure 31 ‐ Light microscopic view showing Prototheca moriformis  Lactophenol cotton blue mount fixation.  Picture from http://content9.eol.org/content/2009/11/25/02/75871_small.jpg 



                      SYMBOLS:                     D 



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Chlorophyta   Trebouxiophyceae  Chlorellales  Chlorellaceae  Prototheca    



Related species   There are 21 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 13 have been flagged as  currently accepted taxonomically.  P.  blaschkeae,  P.  chlorelloides,  P.  ciferrii,  P.  crieana,  P.  filamenta,  P.  hydrocarbonea,  P.  kruegeri,  P.  moriformis,  P.  moriformis  var.  betulina,  P.  portoricensis,  P.  portoricensis  var.  trisporus,  P.  salmonis,  P.  segbwema,  P.  stagnorum,  P.  trispora,  P.  ulmea,  P.  viscosa,  P.  wickerhamii,  P.  zopfii  var.  portoricensis,  P.  zopfii var. hydrocarbonea, P. zopfii. 



BIOLOGY  The genus Prototheca is composed of microscopic achlorophyllous organisms with a life cycle similar to that  of  the  genus  Chlorella.  The  species  typically  produce  thick‐walled  cells  (sporangia)  which,  at  ma‐turity,  divide by irregular cleavage forming 2‐15 aplanospores (endo‐spores). Following rupture of the sporangial  wall, freed aplanospores enlarge and repeat the cycle. One to three percent of the sporangia cleave to form  2‐3 thick‐walled resting cells (hypnospores). No sexual cycle has been observed.  Prototheca can use dextrose, levulose, galactose, ethanol, n‐butanol, iso‐butanol, iso‐pentanol, hexanol  and  glycerol  and  some  species  assimilate  sucrose,  trehalose,  n‐propanol  and  n‐pentanol.  In  general,  alcohols  are  assimilated  similarly  in  both  liquid  and  vapor  phases;  n‐pentanol  is  assimilated  only  in  the  vapor phase. Species of Prototheca require thiamine.  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 111 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Numerous studies have reported a pathogenic potential for P. wickerhamii and P. zopfii. The cases of  human  protothecosis  are  predominantly  caused  by  P.  wickerhamii  and  occur  as  local  (predominantly  cutaneous)  and  systemic  infections  mainly  in  immune‐compromised  patients,  e.g.  patients  infected  with  HIV or treated with glucocorticoids. P. blaschkeae were isolated from some cases of onychomycosis. Canine  protothecosis is caused by P. wickerhamii and P. zopfii, and is characterized by similar clinical symptoms as  in  humans.  Worldwide,  P.  zopfii  has  been  identified  to  induce  a  therapy‐resistant  inflammation  of  the  mammary gland in dairy cows. 



BIOTECHNOLOGY  P. zopfii and  P. moriformis have been proposed, together with Chlorella protothecoides, as organisms for  production of ascorbic acid (Running et al., 2002). In a laboratory scale experiment (1‐14 L fermentors) P.  zopfii  at  35  °C  at  pH  7  produced  37.8  mg  L‐1  of  ascorbic  acid,  mainly  intracellular,  with  a  biomass  preodcution of 27 g L‐1, while at pH 4/5 it produced 73 mg L‐1 of extracellular ascorbic acid and 55 g L‐1 of  biomass in 29 h; similarly P. moriformis produced in 30 h at pH 4 162 mg L‐1 of extrcellular ascorbic acid and  42 g L‐1 of biomass (Huss et al., 1995; Running, 1999).  P. zopfii is able to utilise crude oil hydrocarbons (aromatics, cyclic and branched alkanes) as well as pure  n‐alkanes (Ueno et al., 2002, 2008).   Solazyme  Inc.  (San  Francisco,  USA)  has  recently  patented  several  processes  to  obtain  oil  from  microrganisms  including  Prototheca,  that  contains  lipids  with  a  higher  degree  of  saturation  compared  to  other  algae  and  has  the  advantage  of  lacking  pigments,  also  through  genetic  engineering  to  increase  production (Dillon et al., 2010; Franklin et al., 2010, 2011).  References  Arnold P., Ahearn D.G. (1972) The systematics of the genus Prototheca with a description of a new species P. filamenta.  Mycologia  64: 265‐275. [BIOLOGY section]  Dillon H.F., Elefant D., Day A.G., Franklin S., Wittenberg J. (2010) Fractionation of oil‐bearing microbial biomass. WO2010/138620.  Franklin S., Somanchi A., Espina K., Rudenko G., Chua P. (2011) Renewable chemical production from novel fatty acids feedstocks.  US Patent No. 7,883,882 B2.  Franklin  S.,  Somanchi  A.,  Espina  K.,  Rudenko  G.,  Chua  P.  (2010)  Manufactoring  of  tailored  oils  in  recombinant  heterotrophic  microorganisms. WO2010/063031 A2.  Huss J.R., Running J.A., Skatrud T.J. (1995) L‐ascorbic acid production in microorganisms. WO95/21933.  Running J.A. (1999) Process for the production of ascorbic acid with Prototheca. US Patent No. 5,900,370.  Running J.A., Severson D.K., Schneider K.J. (2002) Extracellular production of L‐ascorbic acid by Chlorella protothecoides, Prototheca  species,  and  mutants  of  P.  moriformis  during  aerobic  culturing  at  low  pH.  Journal  of  Industrial  Microbiology  and  Biotechnology 29: 93‐98.  Sudman  M.S.,  Kaplan  W.  (1973)  Identification  of  the  Prototheca  Species  by  immunofluorescence.  Applied  and  Environmental  Microbiology 25: 981‐990. [BIOLOGY section]  Ueno  R.,  Urano  N.,  Wada  S.,  Kimura  S.  (2002)  Optimization  of  heterotrophic  culture  conditions  for  n‐alkane  utilization  and  phylogenetic position based on the 18S rDNA sequence of a thermotolerant Prototheca zopfii strain. Journal of Bioscience  and Bioengineering 94: 160‐165.  Ueno R., Wada S., Urano N. (2008) Repeated batch cultivation of the hydrocarbon –degrading, micro‐algal strain Prototheca zopfii  RND16 immobilised in polyurethane foam. Canadian Journal of Microbiology 54: 66‐70.  von Bergen M., Eidner A., Schmidt F., Murugaiyan J., Wirth H., Binder H., Maier T., Roesler U. (2009) Identification of harmless and  pathogenic algae of the genus Prototheca by MALDI‐MS. Proteomics Clinical Applications 3: 774‐784. [BIOLOGY section]  Wolff  G.,  Plante  I.,  Lang  B.  F.,  Kück  U.,  Burger  G.  (1994)  Complete  sequenceof  the  mitochondrial  DNA  of  the  chlorophyte  alga  Prototheca  wickerhamii:  Gene  content  and  genome  organization.  Journal  of  Molecular  Biology  237:  75‐86.  [BIOLOGY  section] 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 112 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



   



8.2 Rhodophyta  8.2.1



Porphyridium cruentum 



Figure 32 ‐ Light microscopic view showing Porphyridium cruentum strain CCALA 415.  Picture from www.butbn.cas.cz/ccala/col_images/415.jpg 



                  SYMBOLS:                                      D    



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Rhodophyta  Porphyridiophyceae  Porphyridiales  Porphyridiaceae  Porphyridium  Porphyridium cruentum 



Related species  There are 7 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 3 have been flagged  as currently accepted taxonomically.  P. aerugineum, P. cruentum, P. griseum, P. marinum, P. purpureum, P. sordidum, P. violaceum. 



BIOLOGY  Porphyridium is composed of spherical to ovoid unicells with a stellate chloroplast and prominent central  pyrenoid. The cell diameter is 5‐10 μm in the exponential phase, 7‐16 μm in the stationary phase. Cells are  solitary,  but  often  grouped  into  irregular  colonies  with  an  ill‐defined  mucilaginous  matrix.  Species  are  distinguished  by  chloroplast  color.  The  chloroplasts  of  freshwater  species  contain  single  thylakoids  with  phycobilisomes (granules consisting of the accessory pigments) on both sides. The phycobilisomes of blue‐ colored species, such as Porphyridium aerugineum, tend to be hemidiscoidal in shape and predominated by  the blue pigment phycocyanin . In contrast, the phycobilisomes of the red‐colored Porphyridium purpureum  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 113 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



are larger and hemispherical and composed mostly of the red pigment phycoerythrin. Reproduction occurs  by cell division. Porphyridium forms gelatinous coatings on various surfaces; it is widespread in freshwaters,  brackish  environments.  Species  of  Porphyridium  can  form  gelatinous  crusts  on  moist  soils  and  decaying  wood . In these habitats, these species are reasonably desiccation resistant and shade tolerant. 



BIOTECHNOLOGY  The marine microalga Porphyridium cruentum is of increasing interest as source of valuable compounds like  phycoerythrin,  sulfated  exopolysaccharides,  superoxide‐dismutase,  and  polyunsaturated  fatty  acids  with  applications in the food, pharmaceutical and cosmetic industries (Fábregas et al., 1998; Dillon et al., 2007).  Phycoerythrin  is  used  as  fluorescent  dye  in  immunoassays  (Bermejo  Román  et  al.,  2002),  sulfated  polysaccharides are known inhibit viruses (Huheihel et al., 2002) and show hypocholesterolemic activity in  rats (Dvir et al., 2000, 2009). P. cruentum is also considered to be one of the most important sources of the  polyunsaturated  fatty  acids  eicosapentaenoic  acid  (20:5  ω  3,  EPA)  and  arachidonic  acid  (20:4ω6,  ARA)  (Cohen and Cohen 1991; Guil‐Guerrero et al., 2001).  In a 220‐L ailift tubular photobioreactor P. cruentum reached average biomass productivities of 1.76 g L‐ 1   day‐1  with  2%  biomass  dry  weight  of  ARA  ,  1.7%  palmitic  acid  and  1.1%  EPA  (Rebelloso  Fuentes  et  al.,  1999), similar to those obtained by Camacho Rubio et al. (1999).  Porphyridium  have  been  tested  in  screening  for  algal  strains  suitable  for  biodiesel  production  or  considered  as  a  potential  interesting  alga  based  on  its  biochemical  composition  (Griffiths  and  Harrison,  2009; Rodolfi et al., 2009), however up to now no in depth studies on this topic have been carried out.  References  Bermejo  Román  R.,  Alvárez‐Pez  J.M.,  Acién  Fernández  F.G.,  Molina  Grima  E.  (2002)  Recovery  of  pure  B‐phycoerythrin  from  the  microalga Porphyridium cruentum. Journal of Biotechnology 93: 73–85.  Camacho  Rubio  F.,  Acién  Fernández  F.G.,  Sánchez  Pérez  J.A.,  García  Camacho  F.,  Molina  Grima  E.  (1999)  Prediction  of  dissolved  oxygen  and  carbon  dioxide  concentration  profiles  in  tubular  photobioreactors  for  microalgal  culture.  Biotechnology  and  Bioengineering 62: 71‐86.  Cohen  Z.,  Cohen  S.  (1991)  Preparation  of  eicosapentaenoic  acid  (EPA)  concentrate  from  Porphyridium  cruentum.  Journal  of  the  American Oil Chemists' Society 68: 16‐19.  Cohen  Z.,  Vonshak  A.,  Richmond  A.  (1988)  Effect  of  environmental  conditions  on  fatty  acid  composition  of  the  red  alga  Porphyridium cruentum: correlation to growth rate. Journal of Phycology 24: 328‐332. . [BIOLOGY section]  Dillon  H.F.,  Somanchi  A.,  Rao  K.,  Jones.  P.J.H.  (2007)  Nutraceutical  compositions  form  microalgae  and  related  methods  of  production and administration. WO2007/136428 A2.  Dvir I., Stark A.H., Chayoth R, Madar Z., Malis Arad S. (2009) Hypocholesterolemic effects of nutraceuticals produced from the red  microalga Porphyridium sp in rats. Nutrients 1: 156‐167.  Dvir I., Chayoth R., Sod‐Moriah U., Shany S., Nyska A., Stark A.H., Madar Z., Malis Arad S. (2000) Soluble polysaccharide and biomass  of  red  microalga  Porphyridium  sp.  alter  intestinal  morphology  and  reduce  serum  cholesterol  in  rats.  British  Journal  of  Nutrition 84: 469‐476.  Fabregas  J.,  Garcia  D.,  Morales  E.,  Domínguez  A.,  Otero  A.  (1998)  Renewal  rate  of  semicontinuous  cultures  of  the  microalga  Porphyridium cruen turn modifies phycoerythrin, exopolysaccharide and fatty acid productivity. Journal of Fermentation and  Bioengineering 86: 477‐481.  Griffiths  M.J.,  Harrison  S.T.L.  (2009)  Lipid  productivity  as  a  key  characteristic  for  choosing  algal  species  for  biodiesel  production.  Journal of Applied Phycology 21: 493‐507.  Guil‐Guerrero J.L., Belarbi E.H.,  Rebolloso‐Fuentes M.M. (2001)  Eicosapentaenoic and arachidonic acids purification from the red  microalga Porphyridium cruentum. Bioseparation 9: 299–306.   Huheihel  M.,  Ishanu  V.,  Tal  J.,  Malis  Arad  S.  (2002)  Activity  of  Porphyridium  sp.  polysaccharide  against  herpes  simplex  viruses  in  vitro and in vivo. Journal of Biochemical and Biophysical Methods 50: 189‐200.  Rebolloso  Fuentes  M.M.,  García  Sánchez  J.L.,  Fernández  Sevilla  J.M.,  Acién  Fernández  F.G.,  Sánchez  Pérez  J.A.,  Molina  Grima  E.  (1999) Outdoor continuous culture of Porphyridium cruentum in a tubular photobioreactor: quantitative analysis of the daily  cyclic variation of culture parameters. Journal of Biotechnology 70: 271‐288.  Rodolfi  L.,  Chini  Zittelli  G.,  Bassi  N.,  Padovani  G.,  Biondi  N.,  Bonini  G.,  Tredici  M.R.  (2009)  Microalgae  for  oil:  strain  selection,  induction of lipid synthesis, and outdoor mass cultivation in a low‐cost photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering  102: 100‐112.  Sheath  R.G.  (2003)  Red  algae.  In:  Wehr  J.D.,  Sheath  R.G.  (eds.)  Freshwater  Algae  of  North  America:  Ecology  and  Classification.  Elsevier Science, pp. 197‐224. [BIOLOGY section] 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 114 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    8.3 Bacillariophyta  8.3.1



Benthic diatoms (Amphora; Amphiprora; Cylindrotheca; Navicula; Nitzschia) 



  TAXONOMY Amphora sp. 



 



 



 



Figure 33 ‐ Amphora  coffeaeformis. 



Figure 34 ‐ Light microscopic  picture of Amphora sp. 



Figure 35 ‐ Light microscopic picture of  Amphora coffeaeformis. 



All rights reserved Seambiotic ©  008 



Copyright 1995‐2010 Protist  Information Server 



Copyright © 2010 Monash University;  arts.monash.edu.au 



                  SYMBOLS:                         D, PIV         Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Bacillariophyta  Bacillariophyceae   Thalassiophysales   Thalassiophysales   Amphora    



Related species   Amphora is a very large and heterogeneous genus. There are 1032 species names in the algae database at  present, of which 170 have been flagged as currently accepted taxonomically.  A.  coffeaeformis,  A.  coffeaeformis  punctata,  A.  coffeaeformis  linea,  A.  coffeaeformis  tenuis,  A.  coffeaeformis taylori, A. delicatissima, A. delicatissima capitata.   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 115 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  Amphiprora hyalina 



 



  Figure 36 ‐ Light microscopic picture of Amphiprora sp. 



Figure 37‐ Light microscopic picture of Amphiprora sp. 



Picture from www.plingfactory.de/ 



Picture from www.mikroskopie‐ph.de/ 



                    SYMBOLS:                       D, PIV            Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Bacillariophyta  Bacillariophyceae   Naviculales   Amphipleuraceae   Amphiprora   Amphiprora hyalina 



Related species   There are 230 species names in the algae database at present, of which 29 have been flagged as currently  accepted taxonomically.   Synonym: Amphiprora paludosa var. hyalina (Eulenstein ex Van Heurck) Cleve 1894.    Cylindrotheca sp.  



 



 



Figure 38 ‐ Light microscopic picture of Cylindrotheca  sp. 



Figure 39 ‐ Scanning electron microscopic picture of  Cylindrotheca sp. 



Picture courtesy of PAE (UGent) 



Picture from ocean.inha.ac.kr/l3.htm 



                 SYMBOLS:                            D, PIV      AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 116 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Bacillariophyta  Bacillariophyceae   Bacillariales   Bacillariaceae  Cylindrotheca    



Related species   There  are  6  species  names  in  the  algae  database  at  present,  of  which  2  have  been  flagged  as  currently  accepted taxonomically.  Potentially important for biofuel:   • Cylindrotheca fusiformis Reimann & Lewin 1964  • Cylindrotheca closterium (Brébisson ex Kützing) Grunow in van Heurck 1882    Navicula sp. 



 



 



Figure 40 ‐ Light microscopic picture of Navicula  gregaria 



Figure 41 ‐ Light microscopic picture of Navicula  lanceolata 



Picture courtesy of PAE (UGgent) 



Picture courtesy of Petr Znachor 



                  SYMBOLS:                        D, PIV        Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Bacillariophyta  Bacillariophyceae   Naviculales   Naviculaceae   Navicula    



Related species   Navicula is a very large and heterogeneous genus. There are 6714 species names in the algae database at  present, of which 890 have been flagged as currently accepted taxonomically.  Potentially important for biofuel  Navicula acceptata, Navicula saprophila, Navicula pelliculosa. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 117 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  Nitzschia dissipata 



  Figure 42 ‐ Light microscopic picture of Nitzschia dissipata    Picture from http://craticula.ncl.ac.uk/ 



  Figure 43 ‐ Raster electron microscopic picture of  Nitzschia sp.  Picture from http://ina.beyer‐privat.net/ 



                  SYMBOLS:                     D, PIV          Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Bacillariophyta  Bacillariophyceae   Bacillariales   Bacillariaceae   Nitzschia   Nitzschia dissipata  



Related species   There  are  1024  species  names  in  the  algae  database  at  present,  of  which  321  have  been  flagged  as  currently accepted taxonomically.   Potentially important for biofuel:  N. communis, N. frustulum, N. palea.     



BIOLOGY  Structural and morphological features  Benthic diatoms are all raphid, pennate diatoms.  Amphora sp.   The  benthic  Amphora  species  appear  epiphytic,  epilithic  or  epipelic  (in  or  attached  to  sediments).  The  fouling A. coffeaeformis is a common marine species.   Cells of Amphora are solitary, sometimes sessile but usually motile, almost always lying in girdle view  and then appearing elliptical or lanceolate, with truncate ends (Round et al., 1990). Amphora species have  typical asymmetrical valve morphology. Its dorsiventral frustule resembles ‘‘a third of an orange’’ (Hendey,  1964) with both raphe systems on the same (ventral) side of the cell. Cells usually having 1 or 2, sometimes  many, plastids which are extremely diverse in position, shape and structure (Round et al., 1990). Cell length  and  width  varies  with  species,  roughly  ranging  from  14  –  55  µm and  2.5  –  9  µm  respectively  (Sala  et  al.,  1998).    AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 118 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Amphiprora hyalina   Amphiprora  (currently  placed  in  the  genus  Entomoneis)  is  a  benthic  genus,  epipelic  of  brackish  marine  sediments; occasionally in freshwater. A. hyalina is a marine species.   Amphiprora/Entomoneis  cells  are  solitary  and  twisted  about  the  apical  axis  (twisted  frustules)  usually  lying  in  girdle  view  and  then  appearing  bilobate.  This  torsion  of  the  cell  means  that  valves  or  whole  frustules can present a great variety of aspects depending on exactly how they lie relative to the observer.  Cells  contain  one  plate‐like  plastid  or  two  plastids,  one  on  each  side  of  the  median  transapical  plane.  A  variety of pore and raphe structures is found in Entomoneis. The raphe is median, sigmoid, on a raised keel  forming a wing (Round et al., 1990).   Cylindrotheca sp.  Cyclindrotheca is benthic and widely distributed in the epipelon (living on (or in) fine sediments) of marine  habitats; rarely occurring in freshwater. The genus is very abundant in coastal waters worldwide (Round et  al., 1990).  Cylindrotheca cells are solitary, long and narrow, needle‐like and only weakly silicified. The frustules are  twisted  about  the  apical  axis,  consequently  the  cells  rotate  as  they  move  through  the  sediment.  Cells  contain two or many chloroplasts that are plate‐like or discoid (Round et al., 1990).   Navicula sp.  All Navicula are benthic diatoms. Cells of Navicula sensu lato diatoms have naviculoid (boat‐shaped) cells  that  may  exist  singly  or  in  ribbons.  Navicula  is  Latin  for  "small  ship".  The  valves  are  symmetrical  both  apically  and  transapically,  and  may  have  rounded,  acute,  or  capitate  ends.  The  central  area  is  often  distinctly expanded. They contain two girdle‐appressed plastids, one on either side of the apical plane. The  raphid system is well developed with a raphe on each valve which makes cells highly motile.  Nitzschia dissipata  Nitzschia comprises both planktonic and benthic species. N. dissipata is a benthic species and was recorded  in freshwater (e.g. Aboal et al., 2003; Day et al., 1995; Krammer and Lange‐Bertalot, 1988; Roberts et al.;  2004) as well as in coastal waters (Tadros and Johansen, 1988). Nitzschia is one of the most difficult genera  for  species  identification  and  many  features  are  only  seen  by  electron  microscopy  (e.g.  Mann,  1986;  Trobajo  et  al.,  2004,  2006).  Nitzschia  cells  are  usually  linear  to  lanceolate  and  may  be  solitary  or  colony  forming. Most species have two chloroplasts, one in each end of the cell. Each valve possesses a raphe that  is  more  or  less  eccentric  and  supported  by  fibulae  (=bridges  of  silica  between  portions  of  the  valve  on  either  side  of  the  raphe,  giving  a  ladder‐like  appearance).  The  two  raphes  of  a  frustule  are  positioned  diagonally opposite (nitzschioid). Valve striae (= lines with small holes) are usually uniseriate.  Biofilm formation  Benthic  diatoms  are  the  most  common  benthic  microalgae,  which  are  abundant  in  many  soft‐sediment  aquatic habitats (estuaries, shallow subtidal seas, coral reef flats, lakes, and rivers) and can contribute up to  50%  of  the  total  autotrophic  production  in  some  ecosystems.  They  form  biofilms,  a  matrix  of  cells,  sediments and extracellular polymeric substances (EPS) (Underwood and Paterson, 2000). It is known that  diatom mucilages are rich in polysaccharides and proteoglycans and are secreted through the channels and  pores  in  the  diatom  frustule.  In  some  benthic  species,  these  compounds  produce  structures  (tubes,  pads  and stalks) that are used for attachment to surfaces and often contribute to biofouling problems. Epipelic  diatoms do not produce permanent structures but secrete large quantities of extracellular mucilages that  are  involved  in  motility  (Underwood  and  Paterson,  2000).  Motility  is  an  essential  adaptation  for  photosynthetic  organisms  in  these  environments,  allowing  cells  to  migrate  into  the  illuminated  (photic)  zone of sediment near the surface after periods of sediment mixing or deposition. In diatoms, this motility  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 119 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



is  generated  by  the  production  of  extracellular  polymeric  substances  (EPS),  primarily  polysaccharides  (Underwood et al., 2004). The mechanism of movement in diatoms is unique for microbial cells and relies  on the extrusion of mucilage through a slit in the surface of the silica frustule (cell wall). This slit, known as  the raphe, may be present on only a single valve of the frustule (monoraphid) or on both valves (biraphid)  (Underwoos  and  Paterson,  2000).The  production  of  EPS  in  the  aquatic  environment  is  ecologically  significant  because  EPS  and  other  carbohydrate‐rich  exudates  can  be  used  by  bacteria,  meiofauna,  and  macrofauna as a carbon source and EPS can increase the stability of sediments (Underwood et al., 2004).  The  production  of  extracellular  carbohydrates  shows  some  dependency  on  environmental  conditions,  for  example, irradiance and nutrient conditions. The production of some extracellular carbohydrates ceases in  darkness, but studies on axenic cultures of benthic diatoms and natural sediment assemblages have shown  production  of  EPS  in  dark  as  well  as  under  illuminated  conditions.  Continued  EPS  production  in  darkness  indicates  that  EPS  production  is  not  directly  coupled  to  the  photosynthetic  production  of  carbohydrates  (Underwood  et  al.,  2004).  Nutrient  limitation  can  also  increase  extracellular  carbohydrate  production  in  benthic  diatoms:  this  production  of  extracellular  carbohydrates  is  assumed  to  be  due  to  unbalanced  metabolism, with cells releasing fixed carbon in excess of their energetic requirements, because of growth  being prevented by nutrient (N, P) limitation (Underwood et al., 2004). Diatom EPS consists of a relatively  undefined  complex  mixture  of  proteins,  proteoglycans  and  carbohydrates  (Underwood  and  Paterson,  2000).There  is  evidence  that  benthic  diatoms  produce  a  number  of  different  types  of  EPS,  which  vary  in  structure  and  sugar  composition,  and  that  the  production  of  these  EPS  depends  on  environmental  conditions and the nutrient status of the cells (Underwood et al., 2004). The biosynthetic pathway for these  carbohydrates and the mechanisms causing changes in EPS composition are yet to be elucidated. Glucans  either  may be the  precursor of EPS or may act as the photoassimilate  carbon store, providing energy  for  EPS synthesis during periods of darkness.This latter  hypothesis is supported by the significant correlation  found  between  glucan  catabolism  and  EPS  production  in  the  dark  in  a  number  of  benthic  species.  This  provides  indirect  evidence  that  glucans  are  involved  in  the  production  of  EPS  (Underwood  et  al.,  2004).  Microphytobenthic  biofilms  can  have  high  rates  of  photosynthesis  and  a  significant  proportion  of  their  photo‐assimilated carbon is released into the environment as extracellular carbohydrates (Underwood and  Paterson, 2000).  Biochemical composition under optimal and stressed conditions  Amphora  sp.:  The  biochemical  composition  vary  among  Amphora  species  as  indicated  by  the  diverse  values reported by different studies (de la Peña, 2007; Gordon et al., 2006; Khatoon et al., 2009; Sheehan  et  al.,  1998).  In  addition,  different  culture  conditions  result  in  significant  variations  in  growth  and  the  biochemical composition of the cells of the same strain as shown by de la Peña (2007). He showed that the  proximate chemical composition (protein, carbohydrates, fatty acid content, chlorophyll a) of Amphora sp.  is  highly  dependent  on  light  intensity,  the  culture  location  (indoor‐outdoor)  and  the  type  of  enrichment  used (de la Peña, 2007). A higher protein and carbohydrate content of Amphora sp. was noted in cultures  located  inside  the  laboratory  compared  to  cultures  grown  outside  (probably  due  to  the  more  regulated  cultural  conditions  inside  like  constant  irradiance  and  temperature).  Lipid  content  ranged  from  26  –  81%  depending  on  culture  site  and  nutrients  used  (de  la  Peña,  2007).  Amphora  is  rich  in  total  lipids  and  fatty  acids  with  a  high  amount  of  polyunsaturated  fatty  acids  (PUFAs)  especially  EPA  and  a  high  amount  of  essential amino acids (Gordon et al., 2006; Khatoon et al., 2009). Griffiths and Harrison (2009) calculated  the average total lipid content for Amphora sp. from available literature data.   • 51% cdw (cell dry weight) under nutrient replete laboratory conditions   • 40% cdw in outdoor ponds 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 120 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



Amphiprora hyalina: A. paludosa var. hyalina contains a high amount of EPA (28%) (Correa‐Reyes et al.,  2009).  Proximate  composition  (dry  weight  percentage)  in  A.  paludosa  var.  hyalina  (Correa‐Reyes  et  al.,  2009):  • 11.33% ± 0.36 protein  • 20.96% ± 0.94 nitrogen free extracts  • 8.10% ± 0.49 lipids   • 59.61% ± 1.01 ash   The  average  total  lipid  content  for  Amphiprora  hyalina  calculated  from  available  literature  data  by  Griffiths and Harrison (2009) is:    • 22% cdw under nutrient replete laboratory conditions   • 28% cdw under N deficient laboratory conditions  • 37% cdw under Si deficient conditions  Cylindrotheca  sp.:  The  average  total  lipid  content  for  Cylindrotheca  sp.  calculated  from  literature  by  Griffiths and Harrison (2009) is:   • 27% cdw under nutrient replete conditions   • 27% cdw under N deficient conditions  Navicula  sp.:  The  average  total  lipid  content  for  N.  acceptata  calculated  from  literature  by  Griffiths  and  Harrison (2009) is:   • 33% cdw under nutrient replete conditions   • 35% cdw under N deficient conditions  • 46% cdw under Si deficient conditions  N.  saprophila  contains  large  quantities  of  EPA  and  is  considered  a  potential  source  of  this  important  fatty  acid  (Kitano  et  al.,  1997).  It  was  shown  that  EPA  production  was  enhanced  under  mixotrophic  conditions  in  CO2  enriched  (about  2%)  atmosphere  in  the  presence  of  acetate  as  compared  with  photoautotrophic conditions (Kitano et al., 1997; 1998). The biomass of a freshwater N. saprophila strain  has the following composition (Pilny, 2009):    • • • •



Protein  Lipid  Crude fiber  Ash 



grown in WC medium  46.03 %  28.57 %  34°C. Water hyacinth is reported to tolerate  grazing.  Native to Brazil, now growing in most tropical and subtropical countries. More than 50 countries in which  water  hyacinth  is  weed  have  been  listed.  It  grows  in  ponds,  ditches,  canals,  calm  waters  of  rivers  at  an  elevation of 0‐300 m and a depth range of 2 m. Engineers have estimated that the Panama Canal would be  impassable within three years without continuous aquatic weed control measures.   Fresh  plant  contains  95.5%  moisture.  On  a  dry  matter  basis,  it  is  75.8%  organic  matter,  1.5%  N,  and  24.2% ash. The ash contains 28.7% K2O, 1.8% Na2O, 12.8% CaO, 21.0% Cl, and 7.0% P2O5. Protein is bout 12‐ 18% of dry matter. Protein contains, per 100 g, 0.72 g methionine, 4.72 g phenylalanine, 4.32 g threonine,  5.34 g lysine, 4.32 g isoleucine, 0.27 g valine, and 7.2 g leucine. 23‐28% of dry weight is cellulose.  On a dry matter basis, standing crop is 12.8 t  ha‐1, maximum  productivity 14.6 g m‐2 day‐1, maximum  yield 54.7 g m‐2 day‐1. 



BIOTECHNOLOGY  Water  hyacinth  would  be  ideally  suited  for  nutrient  removal  systems.  Aquatic  plants,  when  growing  in  water containing ample quantities of N, P and K, will exploit the situation by “luxury consumption” of these  elements, far in excess of what they need for healthy growth. As it floats on the surface and is not rooted,  harvesting  is  facilitated.  By  continuous  harvesting  the  population  could  be  kept  in  a  rapidly  expanding  phase  during  which  uptake  rates  of  nutrients  are  at  their  highest.  Waters  beneath  dense  stands  are  anaerobic so additional N would be lost by denitrification. There would be considerable microbial activity  beneath  the  hyacinths  and  nutrients  would  be  absorbed  by  these  organisms.  However,  considerable  organic  matter  would  reach  the  water  by  the  loss  of  root  fragments  that  probably  have  a  fairly  high  biological oxygen demand (BOD) and it might prove necessary to use conventional sewage holding ponds to  reduce the BOD prior to final release. Water hyacinth roots naturally absorb pollutants, including such toxic  chemicals as lead, mercury, and strontium 90, as well as some organic pollutant, in concentrations 10,000  times that in the surrounding water.   Water hyacinths have been used as human food in the Philippines in war time. The soft white bud of  the plant was eaten either raw, or as a salad, or as an ingredient in vegetable dishes. It was called ‘repollo’  (cauliflower).  Under  conditions  of  relative  food  abundance  it  is  considered  unlikely  that  it  would  still  be  used as food.  Dried  and  cleansed  plants,  can  be  used  as  fertilizer,  poultry  feed,  additives  to  cattle‐feed,  and  plant  mulch. Water hyacinth protein shows deficient levels in only two of the essential amino acids, valine and  methionine, as compared to the FAO reference pattern. A diet containing an adequate protein level will be  balanced  in  lysine  if  it  contains  4.2%  of  that  amino  acid  in  its  protein  content.  Corn  is  deficient  in  lysine,  containing only 0.8%. However water hyacinth contains 5.3% lysine, while milk contains 7.8%. It is evident  that water hyacinth could serve to improve the lysine content of a corn diet. Leaf protein which contains  6.3%  lysine  has  been  reported  to  be  an  effective  supplement  for  barley  in  pig  rations.  As  a  feed  for  ruminants, water hyacinth should be administered as a combination of the lamina , where the protein and  fibre  mainly  are,  and  the  petiole  where  the  carbohydrate  are  mainly  located.  Animals  eating  fresh  water  hyacinth  as  sole  ingredient  of  the  diet  could  not  ingest  sufficient  dry  matter,  quite  apart  from  the  imbalance  of  the  nutrients.  On  a  dry  matter  basis  water  hyacinth  is  better  than  straw  but  a  little  low  in  protein to compare with hay. The physical structure of the plant is not suitable for hay or silage making and  the product would not have much nutritional value. The nutritional value could be increased by mixing with  molasses.  The  hyacinth  is  rich  in  minerals,  but  it  would  be  simple  to  incorporate  any  necessary  food  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 224 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



additives  in  the  processing.  Pig  farming  using  water  hyacinth  grown  in  ponds  fertilized  with  human  and  animal waste is well established in Malaysia. The hyacinth can be fed fresh after removal of the roots. Some  people boil the plant. Pigs readily eat the hyacinth and thrive on it. Some farmers have machines for slicing  the  plants  into  small  pieces.  The  high  vitamin  content  (A,  B  and  C)  and  easy  availability  of  the  plant  are  important  advantages.  But  the  high  moisture  content  and  the  possibility  of  the  material  being  contaminated  with  pathogens  seem  to  deter  the  extensive  practice  of  fresh  plant  feeding.  Consequently  most farmers (70–80%) prefer to cook the sliced hyacinth with other feed ingredients for 5 to 6 hours and  feed the boiled material. Silage is also fed to the pigs. Good compost can be made from hyacinth.  Attempts  have  been  made  to  utilize  the  plant  as  a  raw  material  for  paper,  plastics  and  other  commercial  products,  but  so  far  no  industry  based  on  water  hyacinth  appears  to  have  been  established.  The fibrous stem, constituting about 40% of the whole plant, is suitable for paper making. The addition of  jute or cotton fibres to the extent of 8–10% on the weight of the pulp is considered necessary as the paper  prepared  from  the  stems  alone  is  translucent.  A  plastic  material  suitable  for  the  production  of  moulded  articles  and  boards  has  been  prepared  from  water  hyacinth.  In  Asia,  the  plants  are  collected  at  the  beginning of the cold weather, left to dry and the dry material used along with jute sticks as fuel. The ashes  are subsequently used as manure. The possibility of using the dried weed for the production of power gas  and power alcohol has been considered. Three methods have been suggested, viz. saccharification by acid  digestion  and  subsequent  fermentation,  gasification  by  air  and  steam  with  recovery  of  ammonia,  and  bacterial fermentation and utilization of the evolved gas for power production. Potassium chloride (0.1 ton  of KCl per ton of dry hyacinth) is recovered in all the processes. Starting from 1 ton of dried water hyacinth,  59 L of ethyl alcohol and 0.2 tons of residual fibre (8.1 MJ) are obtained by the first process. Gasification by  air and steam gives, per ton of dried material, 37‐ 53 kg of ammonium sulphate and 1133 m3 of gas (0.16  MJ)  containing  hydrogen,  16.6%;  methane,  4.8%;  carbon  monoxide,  21.7%;  carbon  dioxide,  4.1%;  and  nitrogen,  52.8%.  Bacterial  fermentation  gives  per  ton  of  material  750  m3  of  gas  (0.63  MJ)  containing:  methane, 51.6%; hydrogen, 25.4%; carbon dioxide, 22.1%; and oxygen, 1.2%. The commercial possibilities  of the processes have not been proved.  References  Anonymous (1976) Water hyacinths soak up pollution. BioScience 26: 234. [BIOTECHNOLOGY section]  Bailey L.H. (1949) Manual of Cultivated Plants. Macmillan, New York.  Duke  J.  Handbook  of  energy  crops.  http://www.hort.purdue.edu/newcrop/duke_energy/dukeindex.html  [BIOTECHNOLOGY  section]  Gohl B. (1981) Tropical feeds. Feed information summaries and nutritive values. FAO Animal Production and Health Series 12. FAO,  Rome. [BIOLOGY section]  Little  E.C.S.  (1979)  Handbook  of  utilization  of  aquatic  plants.  FAO  Fisheries  Technical  Paper  No.  187,  Rome.  [BIOTECHNOLOGY  section]  Hammer R.L. (1996) Eichhornia crassipes. In Randall J.M., Marinelli J. (eds.) Invasive Plants: Weeds of the Global Garden. Brooklyn  Botanic Garden Inc., New York, p. 99. [BIOLOGY section]  Holm  L.G.,  Plunknett  D.L.,  Pancho  J.V.,  Herberger  J.P.  (1977)  The  world's  worst  weeds.  University  Press  of  Hawaii,  Honolulu.  [BIOLOGY section]  Holm L.G., Pancho J.V., Herberger J.P., Plucknett, D.L. (1979) A geographical atlas of world weeds. John Wiley & Sons, New York.  [BIOLOGY section]  Integrated  Taxonomic  Information  System  (ITIS)  catalogue  of  life  2010  http://www.catalogueoflife.org/annual‐ checklist/2010/search/all/key/eichhornia/match/1 (accessed on the 10th of June 2010) [BIOLOGY section]  Matai S., Bagchi D.K. (1980) Water hyacinth: a plant with prolific bioproductivity and photosynthesis. In: Gnanam A., Krishnaswamy  S., Kahn J.S. (eds.) Proceedings of the International Symposium on Biological Applications of Solar Energy. MacMillan Co. of  India, Madras, pp. 144‐148. [BIOLOGY section]  Penfound W.T., Earle T.T. (1948) The biology of the water hyacinth. Ecological Monographs 18: 449‐472. [BIOLOGY section]  Reed C.F. (1970) Selected weeds of the United States. Agriculture  Handbook 366. USDA, Washington, DC. [BIOLOGY section]  USDA, NRCS( 2001) The PLANTS Database, Version 3.1. (http://plants.usda.gov).  National Plant Data Center, Baton Rouge, LA  70874‐4490 USA.    



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 225 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  10.3 Elodea canadensis   



  Figure 93 ‐ Elodea canadensis Michaux (1803).  Illustration by C. A. M. Lindman 



                  SYMBOLS:                      B   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Magnoliophyta  Liliopsida  Hydrocharitales  Hydrocharitaceae  Elodea  Elodea canadensis 



Related species  E. bifoliata, E. callitrichoides, E. granatensis, E. nuttallii, E. potamogeton, E. spinosa.   



BIOLOGY  Elodea canadensis is a submerged aquatic perennial freshwater herb, usually firmly rooted to the bottom  mud  and  producing  a  thick  green  mat  below  the  water  surface.  Short  thread  like  stolons  giving  rise  to  slender  vertical  stems  to  3  m  long.  Leaves  are  dark  green  oblong‐linear,  formed  at  intervals  of  3‐25  mm  along  the  stem,  in  groups  of  three,  each  6‐12  mm  long  and  about  1‐5  mm  wide,  usually  with  forward  pointing teeth on the margins. Roots are filamentous, rising from the nodes along the stolons. Flowers are  white or pale purple with three sepals and petals. They are solitary, forming in the axils of the leaves and  growing towards the surface on threadlike stalks about 30 cm long.. Fruits are capsules less than 1 cm in  length. It is dispersed by seeds and fragments via water currents. It is a dioecious plant flowering from June  to August. Pollination occurs near the water surface and pollen is distributed by wind and water currents.  Vegetative  reproduction  by  fragments  is  very  common.  Mass  development  has  been  reported  multiple 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 226 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



times  in  the  last  century.  It  is  preyed  upon  by  a  high  number  of  freshwater  organisms  including  fish  and  birds.  It  is  diffuse  in  surface  standing  waters,  and  surface  running  waters,  like  shallow  lakes,  ponds,  pools,  ditches and streams with slow moving water. It grows up to 3 m water depth and, in exceptional cases, up  to 16 m in depth. It tolerates pH values from 6.0 to 7.5 and temperatures from 1 to 25 °C.  It originates from North American inland waters. The first European record was reported from Ireland  in  1836.  It  subsequently  became  widespread  in  north  and  central  European  countries.  After  a  rapid  colonization of northern Europe the populations declined due to the introduction of Elodea nuttallii. Today  the population is stable. As it can be very dominant, it competes for nutrients and space with other plants.  It can bioaccumulate nutrients and modify the habitat by reducing water movement. The species is known  to  outcompete  other  plants.  During  dense  blooms,  impairs  boating,  fishing,  swimming,  and  water  skiing.  Clogging of water intake pipes of power plants and other industries were reported.  Elodea  is  anchored  to  the  bottom  deposits  of  a  lake  or  river  by  adventitious  roots,  but  nutrients  are  probably absorbed mainly by leaves and stems in contact with the free water. Although the concentration  of dissolved salts in the surrounding water will largely control the density and composition of the plant, the  evidence indicated a difference in composition between species, even in the same lake, as well as seasonal  changes. It follows that if this water weed is to be exploited commercially, preliminary plant analyses are  needed to determine the best species and season for harvesting.  Crude protein is about 12%, ash 28% and fiber 16%. 



BIOTECHNOLOGY  To obtain 1 ton of dry Elodea canadensis 14 tons of wet material would have to be processed. E. canadensis  is  an  excellent  food  for  cattle  and  pigs,  when  fed  to  sheep  it  was  found  to  be  unpalatable  but  it  was  accepted when mixed with pasture (1:5 dry matter basis). It appears to contain all the vitamins in at least as  high an amount as alfalfa. Of more interest is the fact that the biological value of the protein in Elodea is  about 70% that of alfalfa and the digestibility is apparently better. Cystine seems to be the limiting amino  acid in Elodea as well as in alfalfa. E. canadensis can be used as a non‐expensive supplemental food in order  to increase growth and survival in summerling noble crayfish, A. astacus, that has the potential to consume  this macrophyte in nature.  It shows the typical productivity of submerged macrophytes in temperate zones as 2–7 tons dry weight  ha‐1 year‐1 and 17–59 tons fresh weight ha‐1 year‐1.  References  Bowmer  H.,  Kathleen  S.W.,  Jacobs  L.,  Sainty  G.R.  (1995)  Identification,  biology  and  management  of  Elodea  canadensis,  Hydrocharitaceae. Journal of Aquatic Plant Management 33: 13‐19. [BIOLOGY section]  Champion  P.D.,  Hofstra  D.E.,  Clayton  J.S.  (2007)  Border  control  for  potential  aquatic  weeds.  Stage  3.  Weed  risk  management.  Science & Technical Publishing New Zealand Department of Conservation. [BIOLOGY section]  D’Agaro E., Renai B., Gherardi F.(2004) Evaluation of the American waterweed (Elodea canadensis Michx.) as supplemental food for  the noble crayfish, Astacus astacus. Bulletin Français de la Pêche et de la Pisciculture 372‐373: 439‐445. [BIOTECHNOLOGY  section]  Department  of  Agriculture  and  Food,  Australia:  http://agspsrv95.agric.wa.gov.au/dps/version02/01_plantview.asp?  [BIOLOGY  section]  Gollasch  S.  (2006)  Elodea  canadensis.  DAISIE‐Delivering  Alien  Invasive  Species  Inventories  for  Europe.  http://www.europe‐ th aliens.org/pdf/Elodea_canadensis.pdf (accessed on the 10  of June 2010) [BIOLOGY section]  Integrated  Taxonomic  Information  System  (ITIS)  catalogue  of  life  2010  http://www.catalogueoflife.org/annual‐ checklist/2010/search/all/key/elodea/match/1 (accessed on the 10th of June 2010) [BIOLOGY section]  th Kews World Checklist of Selected Plant Families  http://apps.kew.org/ (accessed on the 10  of June 2010) [BIOLOGY section]  Little  E.C.S.  (1979)  Handbook  of  utilization  of  aquatic  plants.  FAO  Fisheries  Technical  Paper  No.  187,  Rome.  [BIOTECHNOLOGY  section]   



 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 227 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



   



10.4 Lagarosiphon major 



  Figure 93 ‐ Lagarosiphon major (Ridley) Moss  © Control of aquatic invasive species in Ireland (CAISIE Life+ project)   



                 SYMBOLS:                        B    



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Magnoliophyta  Liliopsida  Alismatales  Hydrocharitaceae  Lagarosiphon  Lagarosiphon major 



Related species  L.  cordofanus,  L.  hydrilloides,  L.  ilicifolius,  L.  madagascariensis,  L.  muscoides,  L.  rubellus,  L.  steudneri,  L.  verticillifolius.   



BIOLOGY  L.  major  is  a  rhizomatous,  perennial,  submerged  aquatic  plant.  It  reaches  its  maximum  growth  in  clear  water up to a depth of 6.5 m, but may only grow to 1 m in murky water. It has numerous threadlike roots,  which  are  adventitious  and,  along  with  rhizomes,  anchor  it  to  the  bottom.  Stems,  which  can  reach  the  surface, are brittle and sparsely branched, 3‐5 mm in diameter and curved towards the base (J‐shaped). The  leaves are 5‐20 mm long and 2‐3 mm wide, and occur in alternate spirals along the stem. They generally  have  tapered  tips  curving  downwards  towards  the  stem,  except  in  low  alkalinity  water  where  they  are  straight.  The  three‐petalled  female  flowers  are  very  small,  clear‐white  on  the  surface,  and  grow  on  very  thin  white  to  almost  translucent  filament‐like  stalks.  Neither  the  male  flower,  which  floats  freely  to  the  AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 228 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



surface,  nor  fruit  or  seeds  have  been  recorded  outside  of  its  native  range.  Since  the  species  is  dioecious  (sexes  on  different  plants)  both  must  be  present  for  sexual  reproduction.  Only  female  plants  are  known  outside  of  the  native  range  of  this  species.  All  reproduction  in  introduced  regions  is  therefore  asexual  primarily by fragmentation or local growth by rhizomatous spread.  L. major grows best in clear, still or slow‐moving fresh water with silty or sandy bottoms. It prefers the  cooler  waters  of  the  temperate  zone,  with  optimum  temperatures  of  20‐23  °C  and  a  maximum  temperature of around 25 °C. It can live in high and low nutrient levels and grows best under conditions of  high  light  intensity.  It  also  tolerates  relatively  high  pH  (i.e.  alkaline  conditions).  Growth  of  L.  major  is  greatest in sheltered areas protected from wind, waves and currents.  It is native of southern Africa, is found in high mountain streams and ponds. It has spread throughout  the  world  as  an  aquarium  plant  and  is  also  known  as  an  'oxygen  plant'.  However,  dense  infestations  can  actually consume more oxygen than they produce, and reduce water quality and available oxygen.  



BIOTECHNOLOGY  L.  major  and  other  aquatic  species  grown  in  small  outdoor  tanks  can  be  used  successfully  to  assess  the  effects  of  crop‐protection  products  on  non‐target  aquatic  flora.  The  possible  utilization  by  harvesting  for  stock feed in New Zealand lakes was evaluated; however, the use of the plants as fodder was thought to be  unsuitable because of the content of arsenic accumulated by the plants from the thermal waters that enter  the lakes.  References  Airo S., Sconfietti R. (1995) In situ experiments on productivity  of aquatic macrophytes in a pond. Rivista‐di‐Idrobiologia 34: 147‐ 156.  CAISIE life+project (2010) control of aquatic invasive species in Ireland. www.caisie.ie. Accessed on the 06th of October 2010.  Champion  P.D.,  Tanner  C.C.  (2000)  Seasonality  of  macrophytes  and  interaction  with  flow  in  a  New  Zealand  lowland  stream.  Hydrobiologia 441: 1‐12.  Coffey  B.T.,  Clayton  J.S.  (1987)  Submerged  macrophytes  of  Lake  Pupuke  Takapuna  New  Zealand.  New‐Zealand  Journal  of  Marine  and Freshwater Research 21: 193‐198.  CONABIO (2008) Sistema de información sobre especies invasoras en México. Especies invasoras ‐ Plantas. Comisión Nacional para  el  Conocimiento  y  Uso  de  la  Biodiversidad.  Fecha  de  acceso.  www.conabio.gob.mx/invasoras/index.php/Especies_invasoras_‐_Plantas   Conservatoire Botanique National De Mascarin (BOULLET V. coord.) (2007) Lagarosiphon major. Index de la flore vasculaire de la  Réunion (Trachéophytes) : statuts, menaces et protections. ‐ Version 2007.1 (mise à jour 12 juin 2007).  Cook C.D.K. (2004) Aquatic and Wetland Plants of Southern Africa. Backhuys Publishers, The Netherlands.  de Carvalho R.F., Bromilow R.H., Greenwood R. (2007) Uptake of pesticides from water by curly waterweed Lagarosiphon major and  lesser duckweed Lemna minor. Pest Management Science 63:789–797. [BIOTECHNOLOGY section]  Egloff F. (1975) New and noteworthy species of Swiss flora. Bulletin de la Societe Botanique Suisse 84: 333‐342.  Global Invasive Species Database: http://www.issg.org/database/species/ecology.asp?si=403&fr=1&sts=sss [BIOLOGY section] and  [BIOTECHNOLOGY section]  ITIS  (Integrated  Taxonomic  Information  System)  (2005)  Online  Database  Lagarosiphon  major.  http://www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt?search_topic=TSN&search_value=565981  James C.S., Eaton J.W., Hardwick K. (1999) Competition between three submerged macrophytes, Elodea canadensis Michx, Elodea  nuttallii (Planch.) St John and Lagarosiphon major (Ridl.) Moss. Hydrobiologia 415: 35‐40.  Little  E.C.S.  (1979)  Handbook  of  utilization  of  aquatic  plants.  FAO  Fisheries  Technical  Paper  No.  187,  Rome.  [BIOTECHNOLOGY  section]  Rattray M.R. (1995) The relationship between P, Fe and Mn uptakes by submersed rooted angiosperms. Hydrobiologia 308: 117‐ 120.  Rattray M.R., Howard‐Williams C., Brown J.M. (1994) Rates of early growth of propagules of Lagarosiphon major and Myriophyllum  triphyllum in lakes of differing trophic status. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research 28: 235‐241.  Riis T., Biggs B.J., Flanagan M. (2003) Seasonal changes in macrophyte biomass in South Island lowland streams, New Zealand. New  Zealand Journal of Marine and Freshwater Research 37: 381‐388.  Roy  B.,  Popay  I.,  Champion  P.  James  T.,  Rahman  A.  (2004)  An  Illustrated  Guide  to  Common  Weeds  of  New  Zealand  2nd  Edition.  Lagarosiphon major oxygen weed. New Zealand Plant Protection Society.  State  of  Queensland  (2004)  Lagarosiphon  major  description.  The  State  of  Queensland  (Department  of  Natural  Resources  and  Mines).  Strickland R., Harding J., Shearer L. (2000) The Biology of Lake Dunstan. Cawthron Report No. 563; Contact Energy Limited. 



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 229 of 258 



 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



Symoens L., Triest S. (1983) Monograph of the African genus Lagarosiphon. Bullettin du Jardin Botanique National de la Belgique 53:  441‐488.  University of Florida (2001) Lagarosiphon major (Ridley) Moss. Non‐Native Invasive Aquatic Plants in the United States, Center for  Aquatic and Invasive Plants, University of Florida and Sea Grant.  Wells  R.D.,  De‐Winton  M.D.,  Clayton  J.S.  (1997)  Successive  macrophyte  invasions  within  the  submerged  flora  of  Lake  Tarawera,  central North Island, New Zealand. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research 31: 449‐459. 



   



AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 230 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



  10.5 Lemna minor   



  Figure 95 ‐ Lemna minor Linnaeus  Robert H. Mohlenbrock @ USDA‐NRCS PLANTS Database / USDA NRCS. 1995. Northeast wetland flora: Field office  guide to plant species. Northeast National Technical Center, Chester 



                    SYMBOLS:                                             B, E, PIV   



TAXONOMY   



 



Phylum  Class  Order  Family  Genus  Species 



Magnoliophyta  Liliopsida  Arales  Lemnaceae  Lemna  Lemna minor 



Related species  L. aequinoctialis, L. disperma, L. gibba, L. japonica, L. minuta, L. obscura, L. perpusilla, L. tenera, L. trisulca,  L. turioni fera, L.mna valdiviana, L. yungensis.    



BIOLOGY  General Description of Major divisions and classes:   The Lemnaceae is a monocotyledonous family of 4 genera: Spirodela, Lemna, Wolffia and Wolfiella, and 37  species. All Lemnaceae species are small aquatic plants, commonly called duckweeds (Lemna and Spirodela  species) and water meals (Wolffia species). The majority of research involving these plants has been done  with only a few species; primarily L. gibba and L. minor, Spirodela polyrrhiza and Spirodela punctata, and to  a lesser extent, Wolffia globosa. For the majority of species, little is known of their biology and the ability to  extrapolate any of the technological applications developed for the better studied species (Stomp, 2005).     AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology  



 



Page 231 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



    Physiological characteristics 



The plants are perennials, growing anywhere there is water and sun. These plants require little mechanical  support or vascular tissue (the smallest members of the family completely lack xylem and phloem) so most  cells resemble maturing leaves expending very little photosynthetic energy on plant structures. As a result,  vegetative propagation of these plants has high biomass yield potential.  Structural and morphological features  Members of the family Lemnaceae are tiny aquatic monocots that range in size from 1.5 cm long (Spirodela  polyrhiza) to less than a millimeter (Wolffia globosa).  All  members  of  the  Lemnaceae  are  small,  free‐floating,  fresh‐water  plants  whose  geographical  range  spans the entire globe (Landolt, 1986). Members of the Lemnaceae are the most morphologically reduced  plants known. Plants of Spirodela and Lemna species consist of a frond, a root or roots (the number of roots  are  species  specific)  and,  when  present,  a  flower.  The  morphology  of  Wolffia  species  is  further  reduced,  with  plants  consisting  of  tiny  fronds  devoid  of  roots  and  producing  single  flowers.  Wolfiella  species  are  more varied in morphology.   Biochemical composition  Table  21  ‐  Biochemical  composition  of  Duckweed.  Composition  expressed as % dry weight except for Water and ash. From Landolt  and Kandeler (1987a), except for starch (Cheng and Stomp, 2009).    Water (%FW)  Ash  Total Carbohydrate  Crude fiber  Starch  Protein  Lipid  K  Na  Ca  Mg  Cu  Si  S  P 



Duckweed (Lemnaceae)  86‐97  12.0‐27.6  14.1‐43.6  5.7‐16.2  6‐75 (some strains in lab condition)  6.8‐ 45.0  1.8 ‐9.2  0.03‐7.0  0.03‐1.3  0.18‐4.5  0.04‐2.8  0.2‐10‐3 ‐ 3.2  0.41‐5.35  0.33‐7.0  0.03‐2.8 



The protein content of duckweeds is one of the highest in the plant kingdom, but it is dependent on growth  conditions.  Typically  duckweeds  are  rich  in  leucine,  threonine,  valine,  isoleucine  and  phenylalanine.  They  tend to be low in cysteine, methionine, and tyrosine.  Duckweed  growth  can  be  optimized  to  produce  high  levels  of  protein  or  high  levels  of  starch.  The  plant's dry weight accumulation varies by species and growth conditions and ranges from 6 to 20% of fresh  weight  (Landolt  and  Kandeler,  1987b;  Tillberg,  1979).  Protein  content  of  a  number  of  duckweed  species  grown  under  varying  conditions  has  been  reported  to  range  from  15  to  45%  dry  weight  (Chang,  1977;  Porath, 1979; Appenroth, 1982). These values place the protein content of dry duckweed biomass between  alfalfa meal (20%) and soybean meal (41.7%) (Hillman, 1961). We routinely grow duckweed on dilute swine  wastewater and get 30 to 35% protein of dry duckweed. Duckweed starch content is dependent on growth  conditions,  e.g.,  pH,  phosphate  concentration  (Tasseron‐De‐Jong,  1971;  McLaren  and  Smith,  1976)  and 



AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology   



Page 232 of 258 



AQUAFUEL FP7 – 241301‐2  Coordination Action  FP7‐ENERGY‐2009‐1 



 



developmental  states  con‐  trolled  by  the  plant  hormones,  cytokinin  (Tasseron‐De‐Jong,  1971;  McCombs  and  Ralph,  1972)  and  abscissic  acid  (Landolt  and  Kandeler,  1987b;  McLaren  and  Smith,  1976).  Starch  contents ranging from 3 to 75% have been reported (Landolt and Kandeler, 1987b; Reid and Bieleski, 1970).  A duckweed starch content of 75% is comparable to corn, whose starch content ranges from 65 to 75% (Lin  and Tanaka, 2006).  Growth kinetics and productivity  Doubling times vary by species and environmental conditions and are as short as 20 to 24 hours and many  species  have  doubling  times  of  2  to  3  days  (Chang  et  al,  2003;  Venkararaman  et  al,  1970).  Intensive  laboratory culture of duckweed has achieved high rates of biomass accumulation per unit time at culture  densities of 1–2 kg m‐2 (Landolt and Kandeler, 1987b). In wastewater treatment research, a growth rate of  0.2 kg dry weight m‐2 week‐1 has been achieved (Cheng et al., 2002a). To achieve these growth rates, only  low concentrations of nutrients are required. Oron and co‐workers (1988) achieved optimal growth rates at  20 ppm nitrogen utilizing municipal waste‐ water. Our research with wastewater indicates that high growth  rates can be achieved at nitrogen levels less than 10 ppm (Cheng et al., 2002a, b). 



BIOTECHNOLOGY  Culture media  Stomp (2005) and others have demonstrated duckweed growth on a variety of nutrient solutions listed in  Table  22.  Although  differences  in  growth  rates  have  been  observed,  generally,  duckweed  will  grow  on  almost  any  dilute,  inorganic  salt  solution  that  supplies  essential  macro‐  and  micro‐nutrients.  The  plants  tolerate a range of pH, for most species ranging between pH 4.5 and 7.2. A number of organic buffers, e.g.  EDTA,  citrate,  tartaric  acid,  MES,  MOPS,  and  compounds  which  stabilize  proteins,  such  as  PVP,  can  be  added  to  the  growth  medium  without  significantly  affecting  growth  rates.  This  is  an  important  consideration if recombinant proteins are secreted and are to be recovered from plant growth medium. If  the plants are grown under light levels insufficient to support robust photosynthetic growth (