פיתוח שיטה אופטית מתקדמת לאיתור אצות ים רב-תאיות בעלות ריכוז סוכרים גבוהה לטובת השבחה פרטנית

הגידול המתמיד באוכלוסיית העולם בשנים האחרונות עם צפי להמשכו גם בשנים הבאות, גורם לעומסים הולכים וגדלים על מקורות הצריכה הטבעיים של בני האדם. העומסים מרוכזים בעיקר באזורים המיושבים יותר וגורמים לחסרים במקורות בסיסיים כגון: מים מתוקים, מזון חקלאי, דלקים -מקורות אנרגיה מתכלים וחומרים כימיים טבעיים הנדרשים לתעשיות השונות.

בשנים האחרונות נעשים מאמצים רבים הן ע"י המדינות והממשלות באופן פרטני או בצורה גלובלית, תוך שילוב גופי מחקר אקדמאיים ושילוב התעשייה, בחיפוש, פיתוח ומימוש פתרונות אלטרנטיביים שיביאו מצד אחד לצמצום השימוש באותם מקורות טבע מתכלים ומצד שני יאתרו מקורות טבעיים חלופיים לאותם צרכים. כאשר במקביל מתפתחת תעשייה שלמה של פתרונות חליפיים שאינם טבעיים.

מחקר זה מתייחס לפוטנציאל בשימוש אלטרנטיבי באצות מאקרו מקומיות כאשר המטרה היא למצות את הפוטנציאל האנרגטי הגלום בתוכן מתהליך הפוטוסינתזה (סוכרים, שומנים) כמו גם תרכובות כימיות ייחודיות שונות הקיימות בהן כגון חלבונים שונים. בתהליך משולב, המבוסס על התפיסה של הביוריפאיינרי, ניתן לממש את הפוטנציאל האופטימלי הגלום באצות לתעשיות השונות כגון : דלקים ביולוגיים, מזון לאדם ולחי, תוספי מזון, תרכובות לתעשיות כימיות (רפואה, קוסמטיקה ועוד).

היתרונות הגדולים באצות: קצב גידול גבוהה ביחס לצמחי יבשה, תכולה גבוהה של מולקולות אנרגיה וחומרים כימיים יעילים, אין תחרות בשטחי הגידול החקלאיים כאשר ניתן לגדלה בתוך הים או בחוף הצמוד לו, צורכת מי ים ולכן לא מתחרה על מקורות מים מתוקים, במקרים רבים אין צורך בהוספת מקורות מזון מעבר לקיים בים, בייחוד אם משלבים את הגידול בחקלאות ימית של דגים או באזור בהם יש הספקת חומרים אורגנים ובצורה זו האצות גם מהוות גורם מנקה בים.

אחת הבעיות הקיימות בבניית תהליך ביוריפאיינרי יעיל הינו שלב הגידול של האצות ובחירת הזנים והפרטים שייתנו את הפוטנציאל הגבוהה ביותר לתוצרים הכימיים בהתאם לצרכים. תהליך זה מכונה השבחה פרטנית (סלקטיבית) אשר הגדרתו הפשטנית הינה זיהוי ובחירת אותם פרטים באוכלוסיית הגידול אשר מכילים את האחוז הגבוהה ביותר של המולקולות הנדרשות (סוכרים, חלבונים...) על מנת לבצע רבייה סלקטיבית מתוכם לקבלת אוכלוסייה חדשה בעלת ריכוז חומרי גלם נדרשים גבוהה יותר. כיום פעולות כאלו מתבצעות בחוות לגידול אצות, בעיקר במזרח הרחוק, תוך שימוש בשיטות מסורתיות המתבססות על בחירה ידנית – איכותית בהסתמך על מראה, גודל, משקל וכו' . במידה ומעוניינים לבצע תהליך השבחה מדויק יותר יש לשלב שיטות אנליטיות כימיות, הבעיות העיקריות בשיטות אלו הן הזמן הארוך יחסית לביצוען (ע"י דגימות במעבדה) והעלות הגבוהה של אותן שיטות. בעקבות בעיות אלו הבחירה נעשית בצורה סטטיסטית על מספר פרטים מצומצם תוך הנחות להתנהגות דומה לגבי יתר האוכלוסייה, דבר המקטין את רמת הדיוק בבחירה הסופית.

במחקר הנוכחי המטרה למצוא פתרון יעיל וחסכוני לתהליך ההשבחה הסלקטיבי, שיאפשר בחירת פרטים בהתבסס על הרכבם הכימי תוך שמירה על קצב מיון מהיר ואמין. במידה והמחקר יוכיח את נכונות ההנחות ,אזי תהיה אפשרות לבצע השבחה מדויקת יותר של אצות, שתתבסס על בחירת פרטים מתוך כלל האוכלוסייה (ולא רק מספר סטטיסטי מצומצם של פרטים) בקבועי זמן קצרים מאוד ובעלות נמוכה יחסית כאשר כלל פעילות הבחירה יבוצע בשטח הגידול ללא צורך בלקיחת דגימות למעבדה.

בשיטת ההשבחה אותה המחקר בה לבחון נעשה שימוש בטכנולוגיה של ספקרוסקופיה באורכי גל בתחום הנראה וה- NIR, טכנולוגיה זו קיימת בשימוש נרחב כבר שנים רבות בתעשיות רבות כולל בחקלאות גד"ש לשימושים שונים כגון זיהוי תכולות ותכונות כימיות בצמחים היכולים להצביע על עקות שונות בצמח.

המחקר בא להוכיח שניתן לבנות מודל מבוסס רגרסיה, המסתמך על החזר קרינה בתחום הנראה וה- NIR, שיאפשר זיהוי ריכוזי סוכרים, לטובת ייצור דלקים ביולוגיים, כגון גלוקוז, בפרטים ספציפיים מתוך אוכלוסייה שגדלה בתנאים סביבתיים דומים.

המחקר חולק לשני שלבים כאשר בחלקו הראשון בוצע ניסוי באוכלוסייה קטנה של 16 פרטים ומטרתו הייתה לבחון את בחירת המשתנה התלוי האופטימלי לקבלת פרטים עם ריכוזי סוכרים שונים. ניסוי זה הוכיח שהזנת הפרטים בריכוזי נוטריינטים שונים לאורך תקופה של 3 שבועות, תוך שמירה על יתר הגורמים הסביבתיים דומים בכל בריכות הניסוי, מביא לשוני בכלל ריכוזי הסוכרים באצה כאשר העיקרי הוא סוכר הגלוקוז, הריכוזים שונים בצורה מהותית, ולכן ניתן לבחון בניית מודל המבוסס על ההחזרים של הקרינה לכימות אותם ריכוזי סוכר.

בשלב השני נעשה שימוש באוכלוסייה גדולה של 100 פרטים שחולקו ל 10 בריכות ב 5 טיפולי נוטריינטים שונים, בסוף ניסוי זה נבנה מודל המבוסס על נתוני ריכוזי הסוכר מתוך הבדיקה האנליטית ב- HPLC למול הספקטרומים שנלקחו מהאצות במצב רטוב ובמצב יבש.

תוצאות הניסוי הראו שבשני המקרים (הרטוב והיבש) התקבלו מודלים המאפשרים להעריך את ריכוזי הגלוקוז באצות השונות, כאשר בספקטרום שהתקבל מהאצות הרטובות התקבלה יכולת ניבוי לריכוז גלוקוז באצה של כ- 60% ובאצות היבשות התקבל מודל ניבוי המאפשר הערכת ריכוזי גלוקוז בהסתמך על ההחזר הספקטרלי בדיוק של כ- 80%.