שיפור ביות אצת חסנית הים (Ulva) כחומר גלם לייצור בר קיימא של דלקים ביולוגים

במאות השנים האחרונות חל גידול באוכלוסיית האדם בעולם ובד בבד עם פיתוחן ושיפורן של טכנולוגיות שונות חלה עלייה חדה בדרישה לאנרגיה זמינה וכתוצאה מכך לשימוש מוגבר בדלקים מאובנים. שריפת דלקים מאובנים גורמת לעלייה ב-CO2 האטמוספרי, אשר בתורה תורמת לשינויי אקלים, ונוסף על כך, להחמצת מי הים. לעומת זאת, שימוש בגידולים חקלאיים-צמחיים כמקור לאנרגיה, הינו בעל השפעה פחותה על כמות ה- CO2האטמוספרי. בתהליך הפקת האנרגיה מחומר צמחי משתחרר ה- CO2אשר קובע בזמן הגידול, ולכן כמות ה-CO2 האטמוספרי הכוללת כמעט ואינה משתנה. אף על פי שכמות ה- CO2האטמוספרי שנפלט עקב השימוש באנרגיה ממקור צמחי נמוכה מה- CO2שנפלט בשימוש בדלקים מאובנים, גידולים יבשתיים אינטנסיביים מלווים בפגיעות סביבתיות רבות, כמו שחיקת קרקע, דלדול במשאבי מים ואדמה, שימוש בחומרים כימיים מזיקים, פגיעה במגוון ובעושר המינים ועוד. לעומת זאת, שימוש באצות כמקור לאנרגיה זמינה מוביל להפחתה בעלייה של כמות ה- CO2האטמוספרי, בדומה לגידולים יבשתיים, אך ההשלכות הסביבתיות השליליות של גידול אצות, פחותות באופן ניכר מגידולים יבשתיים.

האצה חסנית-הים, (Ulva) הינה אצת מאקרו ירוקית, בעלת תפוצה כלל עולמית המאופיינת בקצב גידול מהיר ובעלת קצב פוטוסינתזה מהמהירים בעולם הצומח. החסנית מתחילה את חייה כנבג ((Spore בעל שוטונים ויכולת שחייה. לאחר היצמדות הנבג למצע קשה מתפתח נבט הגדל ליצע (Thallus, עלה אצה) בוגר. בחופי ים התיכון הישראלי נפוצים שבעה מיני חסנית-הים, מחקר זה עוסק בשלושת המינים: U. rigida U. fasciata ו- U. ohnoi ובזן של המין U. mutabilis המכונה .Slender מין זה גדל כיום במעבדה תחת תנאים מבוקרים החל משלב הנבג. בדומה לצמחים רבים, החסנית מייצרת סוכר ואוגרת עמילן ורב סוכרים נוספים לצורך אגירת אנרגיה. עמילן הינו חומר תשמורת אשר בנוי ממולקולות גלוקוז, ובתהליך התססתו בנוכחות שמרים וחיידקים מתקבל ביו-אתנול, המשמש כדלק ביולוגי בתהליכים שונים. כיום, המחקר של הפקת דלקים מחומר צמחי בכלל ומאצות בפרט מתפתח במהירות רבה ותהליך הפקת האנרגיה הולך ומתייעל. מנגד, הפער הקיים בביות החסנית מהווה מכשול עיקרי המונע את מימוש מלוא הפוטנציאל שטמון באצה זו. במחקר זה נבדקו השפעות תנאי סביבה על כמות העמילן בחסנית-הים, כיצד כמותו משתנה בשלבי הגידול השונים, ועד כמה תכונה זו מושפעת מתנאים סביבתיים לעומת הבדלים גנטיים.

מבין שלושת שלבי החיים השונים: נבט, יצע צעיר ויצע בוגר, ביצע הצעיר נמדדה כמות העמילן הגדולה ביותר במסגרת גידול של 23 ימים. יצע צעיר (שגילו שלושה עד ארבעה שבועות מתחילת הנביטה) ייצר כחמישה גרם עמילן על כל גרם אצה יבשה- פי 1.3 מנבט (שגילו עד שבועיים מתחילת הנביטה) ופי שניים מיצע בוגר (שגילו חמישה שבועות ומעלה מתחילת הנביטה). בנוסף, נמצא כי משטר הרעבה של נוטריינטים- חנקן וזרחן, גרם לעליה בריכוז העמילן. עליה זו תועדה בצילום מיקרוסקופי, ונובעת מעליה במספר גרעיני העמילן. עוד נמצא, שטמפרטורת המים משפיעה על ריכוז העמילן- לאחר תשעה ימי גידול בטמפרטורה של °C30 ריכוז העמילן ירד ב-75%, לעומת זאת גידול בטמפרטורה של °C18 גרם לעליה של כ-50% בריכוז העמילן. ניסויים אלו מצביעים על כך שבכדי לקבל את כמות העמילן הגבוהה ביותר בגידולי החסנית, יש להתחיל את הגידולים מיצע צעיר בן כשלושה שבועות. יתר על כן, לקראת הקציר, מומלץ לשמור על טמפרטורות נמוכות מ°C-20 ולהימנע מהוספת נוטריינטים. תוצאות אלו מחוזקות מנתונים של גידול אצת Slender. באצה זו, נמצא שכמות העמילן הגבוהה ביותר שניתן להפיק בתקופת גידול של שלושה שבועות, מתקבלת כשהגידול מתחיל מיצע בן כשלושה שבועות.

בניסוי נוסף שעסק בהשפעת תנאי הגידול והמוצא הגנטי על תכולת העמילן, נמצא שהשונות בתכולת העמילן שנגרמת מתנאי הסביבה השונים, גדולה מהשונות שנגרמת מהשפעת המוצא הגנטי של האצה, אך לשני גורמים אלו יש השפעה מובהקת על תכולת העמילן. כמו כן, בגידול אצות ממקורות גנטים שונים במיכל משותף, נמצא כי השונות בתכולת העמילן גדולה פי 2.7 מאשר במיכל אשר בו גודלו אצות ממקור גנטי זהה. מתוצאות אלו עולה כי טיפוח גנטי של החסנית יוביל לריכוז עמילן גבוה יותר.

שלב גידול נוסף אשר קיבל תשומת לב רבה במחקר הנוכחי הוא השלב המיני- שלב הספורולציה (Sporulation). החסנית נכנסת לשלב המיני כאשר תנאי הסביבה מתאימים וריכוז מעכבי הספורולציה בסביבת התאים יורד. בחקלאות הימית, אירועים של ספורולציה ספונטנית גורמים לירידה בקצבי הגידול והיבול, ולכן נרצה לדעת כיצד למנוע אירועים אלו. מאידך, אם נדע איך להשרות הליך זה על החסנית ולהכניסה לשלב המיני, נוכל לבצע טיפוח גנטי לתכונות נבחרות כמו גם לריכוז עמילן גבוה יותר. בניגוד לחקלאות היבשתית המסורתית, כיום כמעט ואין הבדל בין חסנית הבר הגדלה בים לבין החסנית הגדלה בחקלאות הימית. במסגרת המחקר הנוכחי, פותחו ונלמדו שיטות להשריית התהליך ומדידת עוצמתו. במיני האצות המקומיות לחופי הים התיכון, נמצא שב-72 השעות שבין תהליך ההשריה לשחרור הנבגים, טמפרטורת מים נמוכה או גבוהה מ- 20°C וגם תאורה נמוכה (10 µmol photons m-2 s1-±,( יגבירו את עוצמת התהליך ובכך יגרמו ליצירת מספר גדול יותר של נבגים. מסקנות אלו יכולת לעזור בעתיד לחקלאי החושש כי גידול מסוים של אצות נכנס לשלב המיני. במידה והוא ישנה את הטמפרטורה ויחשוף את האצות לאור חזק יותר, הוא יצליח להפחית את עוצמת הספורולציה וע"י כך למנוע איבוד יבול. מצד שני, ניתן להגביר את תהליך הספורולוציה לאחר השרייתה באופן מכוון, ובכך לשלוט בצורה טובה יותר במעגל החיים של החסנית. כמו כן, מעבר ליכולת השליטה בשלב המיני של החסנית, נבדקה גם ההשערה כי במהלך הספורולציה מתרחשת עלייה בריכוז העמילן בתאי החסנית. השערה זו נתמכה על ידי תצפיות מיקרוסקופיות שנעשו בעבר והיא מתאימה לתהליכים אחרים בטבע בהם מתרחשת עלייה בריכוז העמילן בתאים הזקוקים לאנרגיה מיידית לצורך התפתחותם. במסגרת המחקר הנוכחי, נלמדו שיטות השריית ספורולציה באצה U. mutabilis ובפרט בזן Slender, מוטנט זו פותח במעבדה בגרמניה ומתאפיין ביכולתו להיכנס לשלב המיני בקלות יחסית. השריית הספורולציה נעשית על ידי חיתוך האצות ושטיפתן, וע"י כך למעשה, נשטפים מעכבי הספורולציה מסביבת התאים. לאחר 72 שעות נאספים הנבגים, ומספרם נמדד בעזרת ציטומטריית זרימה (Flow cytometry). באצה זו נבדק הקשר בין התהליך המיני לבין שינויים בריכוז העמילן. התוצאות מראות כי על אף שקיימת עלייה בריכוז העמילן בזמן הספורולציה, לא נמצא קשר בין שני תהליכים אלו. בנוסף לניסויים אלו, בוצעו גם ניסויים במינים המקומיים של חסנית. בניסויים אלו רמת הספורולציה הייתה נמוכה מאוד, אך שילוב של הניסויים השונים מגלה שהשריית הספורולציה אשר כוללת חיתוך, גורמת לעקה המובילה לייצור מוגבר של עמילן. בתהליך זה נצפתה עלייה של עד 2 אחוזים בריכוז העמילן ממשקלה היבש של האצה, בזמן קצר של שעה אחת ועד 12 שעות, תלוי במין האצה. הליך זה של חיתוך בלבד והשבתה למים לכמה שעות הראה עלייה של עד 265% וממוצע של 50% בריכוז העמילן טרם החיתוך. מחקר עתידי שיבדוק את שילובן של כלל השיטות והטכניקות שנמצאו במחקר זה, ישפוך אור על השאלה, האם שילוב תהליכים אלו יגרום לעלייה גדולה יותר בריכוז העמילן, מאשר העלייה שהתקבלה מכל תהליך בנפרד.

מסקנות והמלצות ממחקר זה מהווים צעד נוסף בדרך להשלמת הביות של החסנית ובכך להגשמת הפוטנציאל הגלום בה.