Mikrovetikad

Mikrovetikad on evolutsiooniliselt väga mitmekesine elustikurühm, kuhu kuuluvad enamasti ainuraksed päris ja eeltuumsed organismid. Inimsilmale on nad tavaliselt nähtamatud. 

Märku annavad nad endast kolooniatesse koondudes või siis massilise arengu käigus, mil veekogu värvus ja läbipaistvus nende ohtruse tõttu muutub. Suurusvahemik, milles mikrovetikaid leida võib, on päris lai – mõnest kuni mõnesaja mikromeetrini. 

Eeltuumsete mikrovetikate hulka kuuluvad näiteks terviseohtlike mürkainete tootmise ja massilise vohamise tõttu kurikuulsad sinivetikad, kes on tegelikult hoopis bakterid. Seega ei ühenda seda laia organismirühma mitte põlvnemislugu, vaid roll ökosüsteemis – valgusenergia abil süsihappegaasist ja veest orgaanilise aine ja hapniku tootmine.

Teke 
Mikrovetikad ehk mikrofüüdid on ühed vanemad organismid Maal. Ehkki fossiilseid leide mikrovetikatest on suhteliselt vähe, hinnatakse olemasolevate fossiilide vanust ligikaudu 3,5–3,8 miljardile aastale. 

See on mitmekesine organismide rühm, kuhu kuulub nii baktereid (tsüanobakterid ehk sinivetikad), taimede eellasteks peetavaid organisme, keda seetõttu nimetatakse mõnikord alamateks taimedeks kui ka rida ainurakseid päristuumseid rakke protistide riigist. Mikrovetikad ei moodusta monofüleetilist rühma ehk teisisõnu ei pärine nad ühisest eellasest, ent neid ühendab sarnane ainurakne morfoloogia ja teatud pigmentide – klorofüllide – olemasolu.

Mikrofüüdide leidumine looduses 
Mikrofüüte võib kohata pea kõikjal, kus on valgust ja niiskust – lisaks veekogudele, muldadele ja niisketele puutüvedele ka näiteks Antarktika lumeväljadel ja kõrbekivide pragudes. Mikrovetikaid iseloomustab efektiivne fotosünteesivõime ja kiire kasv. Soodsates tingimustes (eelkõige toitainete külluses) saavad nad lühikese aja jooksul oma biomassi mitmekordistada. Taolist nähtust tuntakse veeõitsengu all. Ulatuslikud veeõitsengud põhjustavad vee kvaliteedi langust ning võivad kaasa tuua kalade suremise, toksiliste vetikate puhul aga eraldub vette kahjulikke mürkaineid, millega kokkupuutel võib tekkida haiguslikke seisundeid. Kuna veeõitsengut seostatakse tavaliselt negatiivsete nähtustega, siis võib jääda mulje, et vetikad on kahjutoovad organismid.

Kasvatamine 
Mikrovetikaid kultiveeritakse enamasti madalates avatud basseinides või kinnistes fotobioreaktorites. Esimeste eeliseks on nende suhteliselt lihtne konstruktsioon ning väikesed ehitus- ja töötamiskulud, kuid biomassi produktsioon on väiksem ning ka saastumine võõrorganismidega sagedasem võrreldes fotobioreaktoritega. Lisaks hõlmavad basseinid enda alla suure maa-ala. Kinnised bioreaktorid on ruumikasutuse mõttes kompaktsemad, neid on võimalik asetada üksteise kohale ning produktsioon on parema keskkonnatingimuste kontrolli tõttu suurem. 

Peamiselt kasvatatakse vetikaid avatud basseinides. Sellistes madalates ringjates kanalites liigutatakse vett spetsiaalsete labade abil, et kõik vetikad saaksid piisavalt valgust, CO2 ja muud eluks vajalikku. Avatud süsteemide puuduseks peetakse teoreetilisest võimalikust väiksemat toodangut, suuremat saasteohtu ja vajadust hoida basseinis pidevalt kasvatatavale liigile sobivaid keskkonnatingimusi. Seepärast on mõistlik kasutada välitingimustes olevates süsteemides äärmuslikke kasvutingimusi taluvaid vetikaliike – näiteks Spirulina kasvab jõudsalt väga aluselises keskkonnas, Dunaliella salina aga äärmiselt soolases vees. 

Suurema kasutusvõimalusega on suletud fotobioreaktorid, mis on küll tunduvalt kallimad, aga see-eest on vetikate kasvukeskkond kaitstud nii sademete kui ka soovimatute liikide eest. Kontrollitud kasvutingimused (pH, temperatuur, soolsus, toitumissüsteem) võimaldavad kasvatada eri vetikaliike maksimaalse tootlikkusega. Fotobioreaktorid võivad olla väga eriilmelised ning enamasti ka pilkupüüdva disainiga. Nende valmistamiseks kasutatakse valgust läbilaskvat materjali – klaasi või plasti –, millest moodustatakse vetikatele meelepärase vedelikuseguga täidetud plaatidest või torudest süsteeme. Selliste bioreaktorite disaini puhul tuleb väga täpselt arvestada plaatjate või siis torujate „mahutite” pindala ja ruumala suhte, valgusallika paigutuse ja valguse kaldenurga, vetikakultuuri segamise, gaasivahetusseadmete, puhastus ning temperatuuri reguleerimissüsteemidega.

Kasutusvaldkonnad 
Teaduslik uurimistöö mikrovetikate kasvatamise alal algas 19. sajandi lõpus, kui vetikaid hakati kultuuridena kasvatama laboris. Tänaseks on vetikate masskultiveerimine muutunud väga kiiresti arenevaks valdkonnaks. Sellel on küllaltki lihtsad tagamaad. 

Üks peamisi põhjusi on mikrovetikate fotosünteesi 2–10-protsendine tõhusus, mis ületab märkimisväärselt maismaataimede vastavat näitajat (vaid kuni 1%). Mikrovetikate erakordselt hea tootmisvõimsus ilmneb asjaolus, et ligi pool meid atmosfääris ümbritsevast hapnikust on tekkinud just nende pisikeste organismide elutegevuse tulemusena. 

Lisaks räägib mikrovetikate kasvatamise kasuks, et tootmiseks saab kasutada nii soolast kui ka reovett ning põllumajanduslike kultuuride jaoks sobimatut maad. Seega pole mikrovetikate kasvatamisel vaja muretseda nappide mageveevarude kulutamise ning söögi- ja söödataimede kasvatamiseks sobiliku maa kasutamise pärast. Seejuures on vetikate kultiveerimisel võimalik ära kasutada ka tööstuses tekkivates heitgaasides sisalduvat süsihappegaasi, mis vormitakse vetikates edukalt orgaaniliseks aineks, ja sedaviisi vähendada kasvuhoonegaaside paiskumist atmosfääri.

Kütused 
20. sajandil lahvatanud ülemaailmne 1970. aastate energiakriis, mil nafta näiline otsasaamine ja kõrge hind tõukas teadlasi otsima alternatiivseid kütuseallikaid, tiivustas muuhulgas ka 1950. aastatel alanud vetikate uurimist potentsiaalse kütuseallikana. Ehkki kriisi möödumisel nimetatud uurimissuund soikus, on see nüüdse nafta hinna kasvu prognoosi, globaalse soojenemise ja nn roheliste tehnoloogiate kasutuselevõtu kontekstis taas aktuaalne. 

Enamiku taastuvast vedelkütusest moodustab hetkel nn esimese põlvkonna biokütus, biodiislikütus ja bioetanool, mida toodetakse loomsetest rasvadest ja õli-, tärklise- ja suhkrurikastest kultuurtaimedest. Paraku on energiakultuuride viljelemiseks tarvis põllumaad, mis kergitab toiduks kasvatavate kultuuride hinda ning tõstatab eetilisi küsimusi. Konkurentsi toidulauaga väldib teise põlvkonna biokütus, mille tooraineks on mittesöödav lignotselluloosne biomass (põllumajandusjäätmed, haljastusjäägid, jääkpuit jms), ent selle tootmine on hetkel kallis. 

Võrreldes mistahes kiirekasvuliste maismaataimedega on mikrovetikate kasv mitmekordne. Lisaks sisaldavad mikrovetikad sõltuvalt liigist kuni 70% (kuivkaalust) õlisid, mistõttu on need organismid teadlaste suure tähelepanu all kui potentsiaalne biodiislikütuse tooraine. Kuigi mitte kõikidel mikrovetika liikidel ei ole õlisisaldus nii suur, on ka kõige tavalisemate kiirekasvuliste mikrovetika liikide õlisisaldus 15–20%. 

Kütuse saamiseks mikrovetikamassist on tarvis viimane vesikeskkonnast eraldada, kuivatada ja eraldada õlid. Kuna enamik mikrovetikaõlidest on triglütseriidid, mis ei ole kohe mootorikütusena kasutatavad, tuleb need muundada biodiislikütuseks transesterifitseerimise reaktsiooni abil. Järelejäävast biomassist on võimalik toota etanooli ja biogaasi.

Mikrovetikad toidulisandites 
Tänapäeval on vetikate suurtootmiseks välja töötatud palju süsteeme, mida arendatakse aina edasi. Esimesed spetsiaalselt kaubanduslikuks otstarbeks tehtud mikrovetikatööstused tekkisid Jaapanis, kus mereannid on toidulaual tänaseni au sees. Seal hakati ringikujulistes ja ligikaudu 0,1 hektari suurustes tiikides suurtes kogustes kasvatama pulbri või tablettidena toidulisandina kasutamiseks mõeldud rohevetikat Chlorella. 

Toidulisandite liidrikohta hoiab mikrovetikate hulgas sellegipoolest Spirulina, mille tootmist on viimastel aastatel suurendanud sinivetikate pigmendi fükotsüaniini kasutuselevõtt toiduvärvina. Fükotsüaniini sisaldus Spirulina's on ligi 10% ja pärast ülejäänud biomassist eraldamist kasutatakse seda looduslikku pigmenti näiteks siirupitele silmatorkava sinise või rohelise välimuse andmiseks. 

Toiduainetööstuses kasutatakse rohkelt ka rohevetikaid Dunaliella ja Haematococcus, vastavalt beetakaroteeni ja astaksantiini tootmiseks. Mõlemad saadused on samuti pigmendid, mis on väga hinnatud oma tugevate antioksüdatiivsete omaduste tõttu. Vetikarakus kuuluvad need kollakasoranži värvusega karotenoidide rühma pigmendid kloroplasti valgust püüdva osa koostisse, aidates kasutada fotosünteesiks erineva lainepikkusega valgust.

Bioremediatsioon 
Mikrovetikad omavad suurt potentsiaali heitvete puhastamiseks nitraatidest, fosfaatidest ning mõnedest raskemetallidest, sealhulgas rauast ja kroomist. Kuna nitraadid ja fosfaadid on peamisteks toitaineteks looduslikult esinevatele vetikatele, siis võib nende liigne hulk põhjustada veeõitsenguid ja veekogude kinnikasvamist. Selle vältimiseks tulebki heitvett enne looduslikesse veekogudesse laskmist nimetatud ühenditest korralikult puhastada. 

Tavapärase heitveepuhastuse bioloogilise käitluse etapis kasutatakse orgaanika ning nitraatide ja fosfaatide eemaldamiseks aeroobseid ja anaeroobseid baktereid ehk nn aktiivmuda. See etapp eeldab biotiikide pidevat hapnikuga varustamist, mis on aga energiakulukas protsess. Fotosünteesivad mikrovetikad seevastu hapnikku ei vaja. Vetikate kasutamine koos aktiivmudaga heitvee bioloogiliseks käitluseks soodustab nitraatide ja fosfaatide ärastamist ning võimaldab vähendada biotiikide aereerimiseks tehtavaid kulutusi, kuna bakterid kasutavad mikrovetikate fotosünteesi käigus vabanevat hapnikku. Veepuhastuse käigus akumuleeritud biomassi saab olenevalt selle koostisest kasutada biokütuse (näiteks biogaasi) tootmiseks, kompostimiseks või väetiseks.

Suitsugaaside puhastamine 
Mikrovetikaid on võimalik kasutada ka CO2 sidumiseks suitsu- ja korstnagaasidest. Antropogeensetest emissioonidest (transpordist, tööstusest, elektritootmisest jne) pärinevat CO2 peetakse üheks põhiliseks globaalse temperatuuri tõusu põhjustavaks teguriks, millega kaasneb hulk probleeme nagu kliima muutumine ja kataklüsmide sagenemine, ookeanitaseme tõus ning ookeanide hapestumine, ökosüsteemide häiringud jms. 

Mikrovetikad omavad taimedest suuremat fotosünteesi efektiivsust, mistõttu on nad võimelised siduma rohkem süsihappegaasi oma biomassi koosseisu. Paljud mikrovetikaliigid suudavad kasvada suure, 5–80-protsendilise süsihappegaasisisaldusega tingimustes. See omadus võimaldabki kasutada neid organisme suitsugaaside puhastamiseks süsinikdioksiidist ning vähendada potentsiaalselt atmosfääri paisatava süsihappegaasi kogust.

Uuringud Eestis 
Eestis tegeleb mikrovetikaviljeluse teadusliku uurimisega Eesti maaülikooli tehnikainstituudi biokütuste töörühm. Muuhulgas arendatakse seal mikrovetikate kasvatamiseks senistest efektiivsemaid fotobioreaktoreid. Eestis on registreeritud isegi üks ettevõte, mis plaanib hakata tegelema vetikate masskultiveerimisega. 

Tulevikus on arvatavasti oodata vetikaviljeluse muutumist majanduslikult tasuvamaks tegevuseks. Selleks otsitakse praegu pingsalt lahendusi, mis võimaldaksid vetikamassist kätte saada eriti väärtuslikke koostisosi. Vetikatest saadud biomass tuleb jagada eri osadeks, mida kasutatakse toidulisandites, kosmeetikatööstuses, loomasöödas või biokütustes. Sellise biorafineerimissüsteemi leidmine on tulevikusuund, mida toetavad ka geneetika vallas toimuvad arengud. Hetkel on kõnealuse tehnoloogia arendamisel pudelikaelaks parima ekstraheerimismeetodi leidmine, mis ei oleks liiga kallis ega ka liiga keerukas. Kuigi mõned katselised rafineerimistehased on juba tööd alustanud, pole nende kasutegur veel kuigi suur ning arenguruumi on palju.

Viited