258
AquaFUELsTaxonomy, Biology and Biotechnology Page 1 of 258 Proposal full title: Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2 nd 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 Dissemination level FINAL 20/05/2011 Natascia Biondi, Mario Tredici UNIFI UNIFI PU

Algae and Aquatic Biomass for a Sustainable Production of 2nd Generation Biofuels

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Explains how to use algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2nd generation biofuels

Citation preview

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 1 of 258 

     

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 

Dissemination level 

FINAL  20/05/2011  Natascia Biondi, Mario Tredici 

UNIFI  UNIFI  PU 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 2 of 258 

Table of contents  

1 INTRODUCTION................................................................................................................................................. 5 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

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 3 of 258 

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 Cladophora sp. ......................................................................................................................................... 178 9.1.4 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

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 4 of 258 

9.3.3 Ascophyllum nodosum .............................................................................................................................. 197 9.3.4 Fucus sp. ................................................................................................................................................... 199

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

9.3.5 Himanthalia elongata ............................................................................................................................... 202 9.3.6 Cystoseira sp............................................................................................................................................. 204

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

9.3.7 Halidrys siliquosa ..................................................................................................................................... 207 9.3.8 Sargassum muticum .................................................................................................................................. 208 9.3.9 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

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 5 of 258 

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/). 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 6 of 258 

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): 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 7 of 258 

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) 

Natural Productivity  (tons of carbon fixed per 

hectare and year) 

Crop and biofuel yield  (tons per ha / GJ 

per ha) 

% area of corresponding 

ecosystem required to cover 2030 

demand 

Tropical and subtropical evergreen forest 

10.5  10.7 Palmoil (5 / 189) 

110%!!! 

Tropical and subtropical dry forest 

4.7  7.67 Jatropha‐ oil (1.5 / 56.7 ) 

765%!! 

Tropical Savanna, Woodland  6.7  6.65 

Cane‐ethanol (4.34 / 116) 

270 % 

Mid lattitude forests, abandoned croplands 

14  5.30 

Miscanthus cellulosic ethanol* (4.4 / 120) 

95 % 

Warm Shrubland/grassland or desert 

33  1 – 3.50 Algae‐ oil (20 / 756) 

5.4 – 8.2 % 

 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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 8 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 9 of 258 

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). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 10 of 258 

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  Relevant for  Range pH  Reduce risk of infection 

CO2 transfer i.e. <4 and >10 

Oxygen concentration  Closed photobioreactors  >20% Temperature  Outdoor cultivation 

Open water cultivation Large  range  to  accommodate day/night  and  seasonal  fluctuation (e.g. 10 – 40 °C) 

Salinity  Cultivation  in  fresh  /  sea  / brackish water Reduce risk of infection 

e.g 0‐10% salinity 

Organic contaminants  Ability  to  grow  on wastewater / flue gas 

Concentration  of  organic 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), 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 11 of 258 

• %  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.   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 12 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 13 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 14 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 15 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 16 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 17 of 258 

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,  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 18 of 258 

• 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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 19 of 258 

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). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 20 of 258 

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). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 21 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 22 of 258 

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  (< 250 Ma)  (Sims et al., 2006;  Sorhannus, 2007),  they have diversified  into hundreds of genera and perhaps 200.000 extant species (Mann, 1999). They are extremely abundant in  all  aquatic  ecosystems,  occurring  in  the  plankton  and  benthos  of marine  and  fresh waters  (as freeliving organisms or as endosymbionts  in e.g. dinoflagellates and  foraminifers), and  in  terrestrial environments, such as damp soils and moist surfaces of rocks and plants, from the tropics to the polar 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 23 of 258 

regions  (Round  et  al.,  1990). Diatoms  have  global  ecological  significance  in  the  carbon  and  silicon cycles and probably provide 20‐25% of global photosynthetic fixation of carbon and contribute up to 40% of the total oceanic primary production (Field et al., 1998; Falkowski et al., 1998).  

Cell  structure  ‐ Diatoms  are  unicellular  (10‐200  µm),  although  they  can  also  exist  as  colonies.  The hallmark of the diatom cell is its intricately shaped and ornamented silica cell wall, called the frustule, which  consist  of  two  overlapping  thecae  (Greek  diatomos,  meaning  ‘cut  in  half  ’),  each  in  turn consisting of a valve and a number of hoop‐like or segmental girdle bands. The frustules show a wide diversity  in  shape,  form  and  ornamentation,  which  has  been  the  basis  of  the  traditional  diatom taxonomy. This cell wall is encased in an organic matrix that is rich in proteins and sugars. 

Major pigments of diatoms  are  chlorophylls a  and  c,  β‐carotene,  fucoxanthin, diatoxanthin  and diadinoxanthin.  Diatoms  are  primarily  photosynthetic.  A  few,  however,  are  obligate  heterotrophs, while others can live heterotrophically in the absence of light, provided an appropriate organic carbon source  is  available.  The main  storage  compounds  of  diatoms  are  lipids  (TAGs)  and  a  β‐1,3‐linked carbohydrate known as chrysolaminarin.  

Life cycle ‐ Diatoms have a diplontic life cycle with a prolonged vegetative phase during which the cells divide mitotically.  Their  unique  cell wall  structure  (two  overlapping  halves)  and  division  pattern  in which  new  cell wall  components  are  formed within  the  parental  cell,  cause  diatoms  to  gradually reduce their cell size in the course of the mitotic part of the life cycle (MacDonald‐Pfitzer rule) (Round et  al.,  1990).  Cell  size  is  restored  through  the  development  of  a  special  expanding  cell  called  the auxospore, which normally  results  from sexual  reproduction  (Chepurnov et al., 2004). Sexual events are vital to re‐establish the initial cell size and to avoid becoming too small for survival (Chepurnov et al.,  2004).  As  genetic  recombination  is  also  achieved  through  sexual  reproduction,  the  obligatory nature of sex in their life cycle may be linked with the evolutionary and ecological success of diatoms. 

Classification ‐ Diatoms are recognized as a single well‐defined group at the class or divisional (called Bacillariophyta) level (Mann and Evans, 2007; Kooistra et al., 2007). 

Diatoms  have  historically  been  divided  into  two  classes or  orders,  the  centric  and  the  pennate diatoms.  Most  centric  diatoms  have  valves  with  a  radial  symmetry  (circular  or  shortly  elliptical, triangular, or polygonal) while pennate diatoms are mostly elongate and have a bilateral symmetry. Sexual reproduction in centrics is usually oogamous, with motile uniflagellate sperm. Pennate diatoms are  usually  isogamous  with  amoeboid  gametes  which  may  be  differentiated  biochemically  and behaviourally  (Chepurnov et al., 2004). The pennate diatoms  include araphid and  raphid  forms. The raphe, a slit opening in the cell wall, allow for active gliding along surfaces (Round et al., 1990).  A recent re‐evaluation of diatom phylogeny (Medlin and Kaczmarska, 2004) has divided diatoms  into three  classes:  the  Coscinodiscophyceae  includes  radial  centric  diatoms,  the Mediophyceae  includes multipolar  centrics  plus  some  radial  centric  diatoms,  and  the  Bacillariophyceae  includes  pennate diatoms. Members of these classes differ with regards to cell shape, presence/absence of a raphe (in pennate diatoms),  structure  and  arrangement of  the Golgi  apparatus  and  chloroplast pyrenoid  and mode of sexual reproduction (Medlin and Kaczmarska, 2004). 

Traditionally,  classification  at  the  order  level  and  below  was  almost  exclusively  based  on morphological features of the siliceous cell wall (Round et al., 1990). Species boundaries have  largely been  based  on  discontinuities  in morphological  and  ultrastructural  characters  of  the  frustule.  The advent of molecular  genetic  studies have  shown  that many morphologically‐defined  species  are,  in 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 24 of 258 

fact, assemblages of cryptic species; that is, assemblages of genetically and biologically distinct, albeit often  closely  related  species. Cryptic diversity has been discovered  throughout  the diatom diversity (reviewed in e.g. Mann and Evans, 2007; Kooistra et al., 2007). 

The  prevalence  of  cryptic  species  has  important  consequences  for  understanding  patterns  in diatom diversity and biogeography, their evolutionary history and their relationship to environmental conditions. Good knowledge of species  limits  is also a prerequisite  for  further studies at  the species level and below,  including within‐species genetic, physiological and biochemical variation, which can have important consequences in commercial uses of diatoms. 

Genome sequencing  ‐ The entire genomes of the centric diatom, Thalassiosira pseudonana (34 Mb), (Armbrust et al., 2004) and the pennate diatom, Phaeodactylum tricornutum (27 Mb), (Bowler et al., 2008) have  been  sequenced. A draft  sequence  is now  available  for  the polar  species  Fragilariopsis cylindrus  (80 Mb)  and  the  toxic  coastal  species  Pseudo‐nitzschia multiseries  (300 Mb)  (Armbrust, 2009). 

One of the outcomes of the sequencing projects thus far is recognition of the unique combination of genes and metabolic pathways  that distinguish diatoms  from  the evolutionarily distinct plant and animal  lineages.  Enormous  amounts  of  diversity  are  encapsulated within  diatoms.  For  example,  T. pseudonana and P. tricornutum probably diverged from one another only about 90 million years (Ma) ago, yet their genomes are about as different as those of mammals and fish, which diverged about 550 Ma ago (Bowler et al., 2008). 

3.7 Haptophyta  The Haptophyta, also named Prymnesiophyta, are sometimes classified as Haptophyceae (Satoh et al., 2009). However, although the phylogenetics of this group has become much more well understood in recent years, there remains some dispute over which taxon level is most appropriate. 

Cell structure ‐ The chloroplasts are pigmented similarly to those of the heterokonts (Anderson, 2004), but the structure of the rest of the cell is different, so they may be separate lines, whose chloroplasts are derived from similar endosymbionts. The cells typically have two slightly unequal flagella, both of which are smooth, and a unique organelle called  haptonema,  which  is  superficially  similar  to  a  flagellum  but  differs  in  the  arrangement  of microtubules and  in  its use. The name comes  from  the Greek hapsis,  touch, and nema,  thread. The mitochondria have tubular cristae. 

Examples  and  classification  ‐  The  best‐known  haptophytes  are  coccolithophores,  which  have  an exoskeleton of calcareous plates called coccoliths. Coccolithophores are some of the most abundant marine phytoplankton, especially in the open ocean and are extremely abundant as microfossils. Other planktonic  haptophytes  include  Chrysochromulina  and  Prymnesium,  which  periodically  form  toxic marine algal blooms, and Phaeocystis, the blooms of which can produce unpleasant foam which often accumulates on beaches. Both molecular and morphological evidence supports their division into five orders. 

3.8 Dinophyta (Dinoflagellates) Dinophyta or dinoflagellates are common organisms in all types of aquatic ecosystems. Roughly half of the species in the group are photosynthetic (Gaines and Elbrächter, 1987), the other half is exclusively 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 25 of 258 

heterotrophic  and  feeds  via  osmotrophy  and  phagotrophy. As  a  consequence,  they  are  prominent members of both the phytoplankton and the zooplankton of marine and freshwater ecosystems. They are  also  common  in  benthic  environments  and  in  sea  ice. Approximately  4500  species  assigned  to more than 550 genera have been described, nearly three quarters of the genera and more than half of the species being fossil. Of the ca. 2000 living species, more than 1700 are marine and about 220 are from  freshwater  (Taylor  et  al.,  2008).  Between  the  years  2000  and  2007  three  new  dinoflagellate families,  22  new  genera,  and  87  new  species were  described  (Centre  of  Excellence  for  Dinophyte Taxonomy CEDiT). Recent molecular analyses have shown that there are large numbers of undescribed dinoflagellate species in environments like marine picoplankton (e.g. Moreira and López García, 2002; Worden, 2006) or as symbionts (‘zooxanthellae’) in many types of protists and invertebrates like corals (Coffroth and Santos, 2005). 

The photosynthetic and mixotrophic  (utilising both  inorganic carbon and organic carbon sources) species  are  very  important  players  in  oceanic  carbon  cycles,  and  some  cause  harmful  (toxic)  algal blooms  when  cell  densities  reach  exceedingly  high  levels  (Taylor,  1987).  Many  photosynthetic dinoflagellates are also consumers of bacteria and other microeukaryotes (Stoecker, 1999).  

Cell  structure  – Dinoflagellates  have  two  flagella with  independent  beating  pattern  that  confers  a peculiar rotattory swimming whirling motion. Flagella are  inserted apically  (desmokont type) or they emerge  from  a  region  close  to  the midpoint  ventral  side  of  the  cell  (dinokont  type)  (Barsanti  and Gaultieri, 2006). Around the cell they present a layer of flat vescicels surrounding the cells: these can be empty or filled with cellulose (armored dinoflagellates). They possess chlorophylls a, b, c1 and c2 and  fucoxanthin, peridinin, dinoxanthin. Dinoflagellates have novel cytoskeletal and nuclear  features (e.g.  permanently  condensed  chromosomes)  that  make  them  very  distinctive  among  eukaryotes (Fensome et al., 1999). Dinoflagellates morphological features include: 

• A  system  of  abutting  membranous  sacs,  called  “alveoli”,  positioned  beneath  the  plasma membrane (synapomorphy); the alveoli are filled with cellulosic material.  

• Distinct micropores through the cell surface that function in pinocytosis (synapomorphy).  

• Extrusive organelles.  

• Closed mitosis.  

• Tubular mitochondrial cristae. Complex organelles found  in the group  include structures reminiscent of a full‐fledged vertebrate 

eye (but in a unicellular organism that lacks a brain), nematocysts comparable to those of cnidarians, and a bewildering array of plastid types in the photosynthetic forms. Dinoflagellates exist as plasmodia (i.e. multinucleate organisms), biflagellated cells, coccoid stages and even,  in one small group, as cell arrays that approach multicellularity. 

Genetically, dinoflagellates are also unique. The nucleus of a large majority of dinoflagellates (the so‐called  dinokaryotes)  is  so  different  from  other  eukaryotic  nuclei  that  it  has  been  given  its  own name,  the dinokaryon. Dinokarya  lack nucleosomes, and DNA content  is orders of magnitude  larger than that of other eukaryotic cells, for example those of humans. These dinokarya divide via a unique form of mitosis. Recent  research  is  starting  to  show  just how unique dinoflagellate genetic  systems are. For example, gene products of all dinoflagellate nuclei  (not only dinokarya) are processed  in a unique way:  a  spliced  leader  is  trans‐spliced  to  all mRNA molecules.  The  genomes  of  plastids  and mitochondria of the group are also unique: they are atomized (i.e. the genome is split into very small 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 26 of 258 

fragments),  and  gene  content  is much, much  lower  than  that  of  comparable  organelles  in  other organisms. 

Ecological  significance  ‐ Dinoflagellates are perhaps best known as causers of harmful algal blooms (webpages  about  this  topic:  ISSHA, WHOI,  IOC).  About  75‐80%  of  toxic  phytoplankton  species  are dinoflagellates (Cembella, 2003), and they cause “red tides” that often kill fish and/or shellfish either directly, because of toxin production, or because of effects caused by large numbers of cells that clog animal  gills, deplete oxygen, etc.  (Smayda, 1997). Dinoflagellate  toxins  are  among  the most potent biotoxins known. They often accumulate in shellfish or fish, and when these are eaten by humans they cause diseases  like paralytic  shellfish poisoning  (PSP), neurotoxic  shellfish poisoning  (NSP), diarrheic shellfish poisoning (DSP) and ciguatera (Lehane and Lewis, 2000). They also have been linked to major human health  concerns,  especially  in  estuarine environments  (Pfiesteria).  Some  syndinians, notably Hematodinium, are parasites of economically‐significant crustacean species. 

The main ecological significance of dinoflagellates lies elsewhere, though. They are second only to diatoms as marine primary producers. As phagotrophic organisms they are also important components of the microbial loop in the oceans and help to channel significant amounts of energy into planktonic food webs. As zooxanthellae, dinoflagellates have a pivotal role in the biology of reef‐building corals. 

3.9 Other algal groups Euglenophyta  (or  euglenoids)  are one of  the best‐known  groups of  flagellates,  commonly  found  in freshwater  especially  when  it  is  rich  in  organic materials,  with  a  few marine  and  endosymbiotic members. Many euglenids have chloroplasts and produce energy through photosynthesis, but others feed by phagocytosis or strictly by diffusion. Euglenoids are distinguished mainly by the presence of a pellicle, which  is  composed  of  proteinaceous  strips  underneath  the  cell membrane,  supported  by dorsal and ventral microtubules. This varies  from  rigid  to  flexible, and gives  the cell  its shape, often giving  it distinctive  striations.  In many euglenoids  the  strips  can  slide past one another,  causing an inching motion called metaboly. Otherwise they move using the flagella. 

Cryptophyta  are  aquatic  unicellular  photosynthetic  eukaryotes  that  inhabit  both  marine  and freshwater  environments. Plastids  are  very diverse  in pigmentation.  In  addition  to being  important from  an  ecological  perspective,  the  cryptophytes  are  of  pivotal  significance  in  terms  of  our understanding of endosymbiosis and  the evolution of plastids. This  is because cryptophyta acquired photosynthesis  by  the  process  of  secondary  (i.e.,  eukaryote‐eukaryote)  endosymbiosis,  having engulfed  and  assimilated  a  red  algal  endosymbiont  at  some  time  during  their  evolutionary  past (Archibald and Keeling, 2002; Bhattacharya et al., 2003; Gould et al., 2008). As a result, cryptophyta are extremely  complex  from a genetic and  cell perspective, having a  four‐membrane‐bound plastid and four distinct DNA‐containing cellular compartments, the plastid, mitochondrion, host nucleus and endosymbiont  nucleus,  the  latter  being  referred  to  as  the  nucleomorph.  The  cryptophyte nucleomorph  genome  is highly  reduced  in  structure  and  coding  capacity,  and  the  focus of ongoing research  aims  at  understanding  the  pattern  and  process  of  secondary  endosymbiosis  (Gilson  and McFadden, 2002; Archibald, 2007).  

Glaucophyta,  also  known  as  glaucocystophytes  or  glaucocystids,  are  a  small  group  of  freshwater microscopic  algae  (Keeling,  2004).  The  glaucophytes  are  of  interest  to  biologists  studying  the development of chloroplasts, because some studies suggest  that  they may be similar  to  the original 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 27 of 258 

alga  type  which  led  to  green  plants  and  red  algae  (Keeling,  2004,  Kim  and  Graham,  2008).  The chloroplasts  of  glaucophytes  are  known  as  cyanelles. Unlike  other  eukaryotic  plastids  they  have  a peptidoglycan  layer  which  is  believed  to  be  a  relic  of  the  endosymbiotic  origin  of  plastids  from cyanobacteria  (Keeling,  2004).  Glaucophytes  contain  the  photosynthetic  pigment  chlorophyll  a (Keeling,  2004).  Along  with  red  algae  and  cyanobacteria  they  harvest  light  via  phycobilisomes, structures  consisting  largely of phycobiliproteins. Glaucophytes have mitochondria with  flat  cristae, and undergo open mitosis without centrioles. Motile forms have two unequal flagella, which may have fine hairs and are anchored by a multilayered  system of microtubules, both of which are  similar  to forms found in some green algae. There are only 13 species of glaucophytes known, none of which are particularly common in nature.  

Chlorarachniophyta  are  green  amoebas  living  in  sea water  sample.  The  green  color  is  caused  by chloroplasts, which  are permanently housed  in  the  amoeba  cell. Although  the  chloroplasts  contain chlorophylls  a  and  b,  chlorarachniophyta  are  phylogenetically  distinct  from  other  chlorophyll  b‐containing eukaryotes (Chlorophyta and Euglenophyta), and constitute an independent phylum, which was established only two decades ago (Hibberd and Norris, 1984). The group consists of four genera and five species, and there are also several species waiting to be named (Ishida et al., 1999; 2000). 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 28 of 258 

4 Biotechnology of algae 

4.1 Introduction 

Edible blue‐green microalgae, including the cyanobacteria Nostoc and Arthrospira (formerly Spirulina), have been part of the human diet since many centuries. However, the modern era of microalgal biotechnology begins in the early 1950s, when the first algae mass cultures in photobioreactors (PBR) were attempted. Today,  between  8,000  and  10,000  tons  of  algae  biomass  are  produced  annually  (Pulz  and Gross,  2004; Becker, 2007), mainly  for use  as human  food  supplements  and  animal  feed.  Table 3  shows  the present status of commercial production and the main application areas of microalgae (Tredici et al. , 2009). Table 4 shows the comparison of several algae production systems. 

Microalgae  biomass  is  either  harvested  from  natural  habitats  or  obtained  through  more  or  less controlled cultivation processes carried out mainly in large open ponds or lagoons. Commercial production in photobioreactors (PBR) is limited to a few hundreds of tons (see below). 

Table 3 ‐ Commercial production of microalgae (from Tredici al., 2009). 

  

The  commercial  production  of  microalgae  is  mainly  limited  to  species  belonging  to  the  genera Arthrospira, Chlorella and Dunaliella  that, due to their high growth rate or of a selective growth medium that  limits  contamination,  can be grown  in  large open ponds. These  systems are easier  to operate,  less expensive,  and  more  durable  than  large  closed  reactors  (Tredici,  2004).  However,  the  majority  of microalgae does not require a specific growth environment or a selective medium and can not be cultivated for  prolonged  periods  in  outdoor  open  systems  because  of  contamination.  Photobioreactors  provide  a closed environment for the culture (limiting direct fall‐out and invasion by unwanted species) and a better control  of  culture  parameters  (pH,  temperature,  pO2,  etc.) which  ensure  the  dominance  of  the  desired species (Tredici, 2004).  

To  exploit  the  large  biodiversity  of microalgae  and  cyanobacteria,  low‐cost  and  scalable  PBR  are  a necessity, either  to be used alone or  in combination with open ponds,  in  this  latter case  to produce  the inocula required to maintain the selected species in the ponds. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 29 of 258 

 

Table 4 ‐ Comparison of several algae production systems (from Tredici et al., 2009). 

  

4.2 Cultivation systems As  all  microorganisms,  microalgae  can  be  cultivated  in  three  modes,  in  batch,  semicontinuous  or continuous cultivation.  

Batch  cultivation  relates  to  inoculation of  the bioreactor, provided with  fresh  cultivation medium, with sufficient  biomass  to  induce  immediate,  rapid  and  vigorous  growth  until  some  component  required  for growth becomes limiting. For photoautotrophically growing algae this is often the amount of incoming light energy. While often called  light  limitation, this effect seems rather to be based on cellular respioration of very dense cultures during the night equaling the photosynthetic carbon fixation rate and thus  loss of net biomass accumulation. 

More  sophisticated  batch  cultivation may  rely  on  addition  of  limiting  amounts  of  nutrients  such  as nitrogen,  so  that  the  cells  enter  a  stress phase  and will  accumulate high  concentrations of oil or other metabolites before the growth process comes to a complete arrest. 

Semi‐continuous cultivation relates to harvesting of a certain proportion of biomass every few days while resupplying  the  reactor with water and essential nutrients  for  inducing a new growth  cycle. This avoids complete  restarting  of  the  reactor  with  fresh  algae  and medium,  which  can  be  a  work  intensive  and expensive  process.  Boussiba  et  al.  (1987,  1988)  have  applied  this  process  for  studying  growth  and  oil production  by  Nannochloropsis  and  Isochrysis.  Limiting  nitrogen  supply  allowed  creating  biomass  with average 30% oil content over a two months period. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 30 of 258 

Similarly the bioreactor facility at Qetura (Israel) relies on semi continuous cultivation for production of green  Haematococcus  biomass,  while  the  second  growth  stage,  the  stress  phase  inducing  astaxanthin biosynthesis, is handled as batch culture. 

Continuous  cultivation:  continuous  cultivation  is widely used  for  cultivation  of heterotrophic organisms whereby all  reactor parameters as well as cell density are  tightly supervised and controlled and growing biomass  is  continuously harvested  to maintain optimal  growth  conditions  for extended periods of  time. While  this mode  can  yield  the best possible biomass  yields, production of high  concentrations of oil or carotenoids requiring stress conditions is not possible. 

4.2.1 Open ponds 

Open shallow ponds (Fig. 2) mixed and aerated by any given method have been the method of choice so far for producing biotechnologically  relevant amounts of algal biomass. CO2  is  inserted as  required. Cultures are mixed  in circular ponds using circulation ponds, or  in  the oval so called  raceway ponds using paddle wheels to move the medium around. Major producers of Arthrospira (Spirulina) and Dunaliella in California, Hawaii, Australia and Israel have been relying on this method for over 30 years, taking advantage of the fact that  the growth media of  those  two algal  species  (basic or highly  saline  respectively) are unsuitable  for competing  algal  species.  Currently,  commercial  cultivation  of microalgae  is  limited  to  a  few microalgal species  that  are  cultivatedin  open  ponds. A  raceway  pond  is  an  economic  open  system  for microalgae cultivation.  It  consists  of  acircuit  of  parallel  tunnels  placed  at  ground  level,  in  which  the  microalgae suspension flows gently and is moved by a paddle wheel. The system is built in concrete or ditch dug into the ground and may be  lined with white plastic sheets. Evaporation  is significant as well as  temperature fluctuations, and rainfalls can dilute theavailable nutrients. 

High  level  of  contamination  by  predators  and  other  fast  growing  heterotrophs  have  restricted thecommercial production of algae  in open culture systems to only those organisms that can grow under extreme conditions. Examples are Dunaliella salina (high salinity) and Arthrospira platensis (Spirulina) (high alkalinity). However, BGU is maintaining an open Nannochloropsis culture outdoors without any significant contamination problems, and Seambiotic has similarly been able to successfully maintain Nannochloropsis cultures even in close vicinity of the ocean.  

The Algal Biofuels Program of  the DOE  (Sheehan et al., 1998) has also concluded  that open  raceway ponds would be  the method of  choice  for algal biomass production, whereby  spontaneously developing local algal populations might be the biomass of choice for simplifying the production process. 

Figure 2 ‐ Examples of microalgae open cultivation systems: a) Board mixed ponds, UNIFI, Italy (1980); b) Pilot raceway pond, Necton, Portugal (1996); c) Raceway ponds, Hainan DIC, China (1996); d) Cyanotech, Hawaii, USA (2008); e) Flue gas fixation 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 31 of 258 

project of Seambiotic Ltd, Israel; f) Raceway pond,s Earthrise farms, California, USA (1982); g) Raceways of 2000 m2, designed by 

BGU and in operation at Eilat; Israel; h) Ponds in operation at Parry Agro Industries, India (total ponds area 53 ha) (2006). 

4.2.2 Photobioreactors  Photobioreactors  (PBRs)  (some  examples  are  reported  in  Fig.  3)  can  be  defined  as  culture  systems  for phototrophs in which a great proportion of the light does non impinge directly on the culture surface, but has to pass through the transparent reactor’s walls to reach the cultivated cells. Consequently, PBRs do not allow, or strong limit, direct exchange of gases and contaminants with the environment (Tredici, 2004).  

Reactors used for the cultivation of microalgae are either naturally or artificially  illuminated, and may be open or closed systems. Open systems with naturally illuminated large surface areas include essentially raceways  ponds.  PBRs  are  closed  cultivation  systems  to  grow  microalgae  under  photo‐autotrophic conditions. Several types of photobioreactors (PBRs) have been designed and experimented with since the late  1940s, when  algal  cultures were  first  considered  the  ideal  solar  technology  to  produce  in  a  cost‐effective manner biomass and protein on a large scale and save the hungry part of humanity (Tredici et al., 2010). They can be classified on the basis of both design and mode of operation. In design terms, the main categories of reactors are (1) flat or tubular; (2) horizontal,  inclined, vertical or spiral; and (3) manifold or serpentine.  The most  used  designs  are  flat‐plates  (vertical  or  inclined),  tubular  reactors  (serpentine  or manifold with horizontal, vertical or  inclined arrangement), air‐bubbled plastic bags and annular columns. Some of them, especially in small‐scale, are artificially illuminated with fluorescent or other types of lamps. The two major categories of PBRs recently proposed for biofuels at relatively large scale are flat and tubular reactors (Tredici et al., 2010). 

As PBR are more expensive  to  install and operate,  intensive  study  is being performed  in an effort  to reduce their cost and thus facilitate their use especially for low value products like algal oils. All parameters (e.g. nutrients,  light  regime, gas exchange) are maintained  to  realize optimal culture conditions. Costs of PBRs are much higher, but contamination  is much  lower compared  to open systems  (Tredici, 2004). PBR design  and  engineering  is  still  a  very  active  field  of  research  today,  since  closed  culture  systems  are necessary  to  grow  photosynthetic microbes  and  exploit  them  as  a  source  of  aquaculture  feeds,  food additives,  specialty  chemicals,  cosmetics  and  are  preferred  by  industry  as  research  tools  for  biofuel production. 

In air‐bubbled plastic bags and annular columns the cost of operation may be very high due to the need of  mixing  to  provide  the  necessary  mass  transfer.  This  operation  requires  more  than  100  W.m‐3 (approximately  2000  MJ  ha‐1  day‐1)  or  up  to  50%  of  the  energy  stored  in  the  biomass  [Bassi  et  al., Unpublished Data]. 

Within all the photobioreactor types described, tubular PBRs are the most popular design (Chisti, 2007; Tredici et al., 2010). Their operation costs are normally significantly higher than those of ponds. Mixing  in tubular  reactors  to  achieve  sufficient  fluid  velocities  and  Reynold’s  numbers may  require  even  higher energy inputs. Besides, there is the need for cooling, which is generally provided by water (even seawater) spraying or by insertion of a cooling serpentine in the culture. 

Flat Panel Reactors consist of a rectangular transparent box with a depth of only 1 to 5 cm. Accordingly, this reactor type allows growth of high cell densities. Vertical reactors intercept sun rays at large angles and dilute  light  compared  with  horizontal  ponds.  Besides,  their  rear  surface  receives  mostly  diffuse  and reflected radiation of low intensity. For this reason, vertical PBRs are more efficient than horizontal ponds in terms of solar‐energy utilization (Tredici et al., 2010).  

One of the main problems associated with PBRs culture is that the formation of biofilms of bacteria, or the  cultivated  algae  themselves,  at  the  transparent  walls  of  the  tubes  considerably  reduce  light 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 32 of 258 

penetration. Biofilms are minimized by maintaining highly turbulent flow, using small particles and regularly cleaning with hydrogen peroxide. 

PBRs have many advantages over open ponds, some of them were referred in the most recent article of Tredici (Tredici et al., 2010), and are described below: 

• they are closed, making it easier to maintain an unialgal culture and reducing evaporation; 

• due  to  a  higher  surface‐to‐volume  ratio,  PBRs  may  attain  higher  volumetric  productivities thanponds  and  adopt  higher  cell  concentrations,  which  reduce  the  costs  for  medium preparationand handling and that for harvesting; 

• PBRs provide a more accurate control of culture parameters; 

• the ultimate and most important advantage of PBRs, however, is that they permit to cultivatealgal species that cannot be grown in open ponds. 

Photobioreactors pay heavily for their advantages. In general, PBRs are much more expensive to build than ponds, but simple low‐cost systems can also be designed. Most constrains require further investigation,  specially  low‐cost  materials  for  construction  and  lower  energy  requirements,  but  also overheating, bio‐fouling, oxygen accumulation, difficulty in scaling up and cell damage by shear stress.  

 

Figure 3 ‐ Examples of microalgae close cultivation systems: a‐b) Green Wall Panels and tubular photobioreactors from UNIFI ‐ Università degli Studi di Firenze and F&M ‐ Fotosintetica & Microbiologica s.r.l., Italy; c) Flat Panel 

photobioreactor from Necton, S.A., Portugal; d‐e) Tubular photobioreactor with flue gas fluxuation from AlgaFuel, S.A., Portugal; f‐g) Tubular photobioreactors from Alga Technologies, Israel; h) Flat Panel at Ben Gurion University – 

BGU‐, Israel. 

Main photobioreactors designs 

Polyethylene bags and vertical columns  

Polyethylene bags (sleeves) suspended from a framework or supported within a mesh frame and mixed by air  bubbling  are  the most  common  cultivation  devices  used  in  hatcheries  for  the  production  of  algal biomass  (Fig.  4).  From  50  to  500  L  in  volume,  such  reactors  are  mostly  used  indoors  with  artificial illumination. They are currently used by different companies (e.g. Ketura Kibbutz, Israel; GreenSea, France; NOVAgreen  GmbH,  Germany)  for  the  cultivation  of  selected  species  for  the  cosmetic,  food  or pharmaceutical markets. Although sleeve reactors are inexpensive, their low surface‐to‐volume ratio (S/V), bio‐fouling and the need of a very large number of units for large‐scale production limit their applications.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 33 of 258 

The  company  Proviron  developed  inflatable  bags  with  multiple  vertical  panes  (ProviAPT) (http://www.proviron.com/algae/GB/algae_solution_working.php) (Fig. 4). The big, translucent, plastic bag is filled with water containing the multiple vertical panes. The algae grow in these panes while CO2 rich air is bubbled through. Due to the water the reactor is self supporting and the water buffers the temperature efficiently between day and night. It is a continous sytem with continous harvesting.   

Vertical columns are made of  rigid  transparent cylinders  (typically 2‐2.5 m  in height and 30‐50 cm  in diameter), with mixing achieved by air bubbling or by an airlift. They are extensively used in hatcheries and suffer  from  the  same  limitations  of  sleeves.  After  the  first  design  by Helm,  vertical  cylinders  internally illuminated have been developed at the University of Florence. The reactor, named annular column (Fig. 4), is made of two concentric transparent cylinders of different diameter sealed at the base to form a culture chamber with much higher S/V compared to completely filled columns. Lamps or fluorescent tubes can be placed  inside the  inner cylinder. Annular columns of 30‐230 L  in volume are currently commercialized by Fotosintetica & Microbiologica S.r.l. (Italy), a spin‐off company of the University of Florence. The small size and relatively high cost of this reactor limit its use for large scale production. 

 

Figure 4 ‐ Polyethylene bags and Annular Columns. Top left: Polyethylene bags at Necton, SA – Algarve, Portugal; Top right: Annular Columns at Department of Agricultural Biotechnology of the University of Florence, Italy; 

Bottom: Inflatable bags with multiple vertical panes (Proviron, Belgium). 

Tubular PBR 

Most of the PBR adopted in commercial plants are of the tubular type. This category can be subdivided into three main sub‐groups: i) serpentine, ii) manifold and iii) helical PBR (Fig. 5, 6).  

Serpentine PBR, firstly designed by Tamiya in the 1950s, consist of straight tubes connected by U‐bends to form a flat loop (the photostage) that may be arranged either vertically or horizontally.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 34 of 258 

 

Figure 5 ‐ Horizontal tubular photobioreactors. Mera Pharmaceuticals, Inc – USA (left); Serpentine photobioreactor. AlgaeLink NV ‐ The Netherlands (right). 

Manifold PBR are made of parallel tubes connected at the ends by two manifolds. The main advantages of  these  systems  over  serpentine  reactors  are  the  reduction  of  head  losses  and  lower  oxygen concentrations, two factors that facilitate scale‐up to  industrial size. A horizontal manifold reactor  is used by Algatechnologies Ltd (Israel) for the commercial production of H. pluvialis. The Near‐Horizontal Tubular Reactor (NHTR), a manifold reactor with tubes inclined from 5 to 20° to the horizontal so that mixing could be achieved by air bubbling was developed by Tredici and co‐workers  (Tredici et al., 1999). A 20‐m  long NHTR was experimented with at the University of Hawaii (USA). Two small NHTR units are currently used by ENI SpA (Italy) to develop CO2 abatement strategies with microalgae (Pedroni et al., 2004). A similar design, the  triangular  airlift  reactor,  consisting  of  a  series  of  riser  tubes,  gas  separators  and  downcomer  tubes arranged in a triangular configuration was used by GreenFuel Technologies Co (USA) for the abatement of greenhouse  gases.  Rather  common,  both  at  pilot  scale  and  in  commercial  plants,  are  manifold photobioreactors arranged fence‐like.  

 

Figure 6 ‐ First on the left: Triangular Photobioreactor. Green Fuel Technologies Co ‐ USA. Middle and right figures: BioFence systems. Varicon Aqua Solutions Ltd ‐ UK 

The BioFence, developed by Applied Photosynthetics Ltd (UK) in the late 1990s, consists of an array of transparent tubes racked together in a fence‐like structure in which the culture suspension is circulated by a  centrifugal  pump  or  by  an  airlift.  BioFence  systems  are  currently  commercialized  by  Varicon  Aqua Solutions Ltd (UK). Biofence photobioreactors from 10 to 35 000 L are also distributed by B Braun Biotech International GmbH  (Germany).  Industrial scale plants based on  this design are operated by Bioprodukte Prof Steinberg GmbH (Germany) for the production of Chlorella and by Algatechnologies Ltd (Israel) for the growth of H. pluvialis.  

Helical  photobioreactors  (biocoils),  consisting  of  small‐diameter  flexible  tubes  wound  around  an upright structure have also been much experimented and commercialized in the past.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 35 of 258 

Flat photobioreactors (panels)  

Flat photobioreactors  (panels) have not been used  for mass  cultivation of  algae until  recently.  The  first version of the alveolar panel developed by Tredici et al. in 1988, in which mixing was achieved by a pump, was  brought  to  industrial  level  by  Pulz  and  co‐workers  (Pulz  and  Scheibenbogen,  1998).  This  reactor  is commercialized by B Braun Biotech International GmbH (Germany) in sizes varying from 10 to 2000 L. In the mid 1990s, Richmond and co‐workers developed glass panels (without alveoli) of various widths (Hu et al., 1996). Glass panels are highly  transparent, easy  to  clean and  resistant  to weathering. However, weight, fragility  and  cost  discourage  their  use  for  large  scale  plants.  In  the  early  2000s  the  concept  of  the ‘disposable panel’ was developed and patented by two groups working independently in Italy and Israel. A disposable panel  is a  flat  reactor consisting of a plastic culture chamber enclosed  in a  rectangular metal frame or cage.  

The main advantages of these systems are the low construction cost, the capacity to be scaled‐up (Fig. 7)  and  a  disposable  culture  chamber  for  the  cultivation  of  those  microalgae  which  suffer  from contamination. These  systems are  today  successfully used  in  some hatcheries  for microalgae production both  in  Israel  and  Italy.  The  ‘green wall’  panel  is  commercialized  by  Fotosintetica & Microbiologica  Srl (Italy). 

 

 

Figure 7 ‐ Comparison between open ponds and PBR – productivity and energy output (Source Prof Tredici). 

 

4.2.3 Sustainability of different cultivation systems 

The present attempts  to develop  large‐scale microalgae production  systems  for biofuel generation  stem from the perceived inadequacies of traditional feedstock used for biofuel production. 

Microalgae have advantages over traditional energy crops, such as the potential for high‐yield biomass production on marginal  land or  in  seawater. Thus with microalgae, biofuel production without  land‐use conflicts becomes feasible. 

Another advantage of microalgae is their ability to capture CO2 from power or industrial plants. Overall microalgal based biofuel is claimed to reduce environmental impact (Chisti, 2007). Thus worldwide there is great hope  that  the cultivation of microalgae  for energy generation can contribute  to sustainable energy supply of the future. 

However, so  far no overall sustainability assessment has been conducted on  the basis of data  from a microalgae demonstration plants with the size of 10 hectares and high productivities of 100 tons ha‐1 year‐1. Preliminary assessments are  indicating  that with present  technologies  the energetic  inputs of microalgae production  could  exceed  the  energetic  output.  In  closed  simple‐build  reactors more  than  3 W m‐2  of 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 36 of 258 

electrical energy are used for operating the cultivation. This comes close to the amount actually harvested at  the end. However,  it has  to be  taken  into account,  that  in nowadays  commercial algae  cultivation, a positive energy‐balance is not targeted due to the high‐prices achieved for the products.  

LCA and  sensitive analysis  can help  to  identify at which points of  the production  chain  technological progress is needed and how the demonstration plant could be designed in a more sustainable way. A long dispute concerning the optimal modes of cultivation for algal biofuels production may have been laid to rest during the  last two years thanks to a number of analyses determining the environmental  life cycle impact of different cultivation modes. 

Several  LCA  analyses  agree  in  one major  conclusion,  that  even  under  optimistic  yield  assumptions tubular  photobioreactors  require  far more  energy  to  run  than  the  algal  biomass being produced. More simple panel reactors fare somewhat better, but still are unable to return the amount of energy required to construct and run them. On the other hand open raceway ponds assuming yields of 20 g m‐2 or more can return significantly more energy in the form of biomass than has to be invested for building , running and maintaining the ponds (Joquera et al., 2010; Stephenson et al., 2010). 

This difference becomes even more pronounced when taking into account that above analyses have not incorporated energy expenses for cooling or heating which can be tremendous in photobioreactors, but are not required in open ponds. 

4.3 Harvesting methods 

Algae harvesting and dewatering processes may account for 20‐30% of the total production cost for algal biomass  (Uduman  et  al.,  2010;  Pienkos  et  al.,  2009).  In  order  to  remove  large  quantities  of water  and process  large algal biomass volumes, a harvesting method  involving several steps  is required (Mata et al., 2010). The concentration of algal biomass is typically 0.5‐1.0 g L‐1 in open ponds and can reach 5‐10 g L‐1 in closed systems. At 1g L‐1 algal biomass, 1000 kg of water must be processed to obtain 1kg of dry biomass. 

Most  common  harvesting  methods  include  sedimentation,  centrifugation,  filtration,  ultra‐filtration, sometimes with an additional flocculation step or with a combination of flocculation‐flotation. The choice of which harvesting technique to use depends on the species of microalgae and the final product desired. Microalgal  properties  that  simplify  harvesting  are  large  cell  size,  high  specific  gravity  compared  to  the medium and  reliable autoflocculation. Moreover  the optimum harvesting method  should have minimum energy  requirements  and  be  as  economical  as  possible.  The main  harvesting  techniques were  recently described by Uduman et al. (2010), and are summarized in Table 5. 

Centrifugation  is  seen  as  the  most  efficient  recovery  technique,  yet  the  energy  and  capital  costs associated are unappealing (Uduman et al., 2010). Filter presses operating under pressure or vacuum can be used to recover  large quantities of biomass, but for some applications filtration can be relatively slow which may be unsatisfactory. Alternatively, membrane microfiltration and ultra‐filtration are other possible alternatives to conventional filtration for recovering algal biomass, which are more suitable for fragile cells and small‐scale production processes. Flocculation is also a very efficient technique that is currently applied in industry. Microstrainers are an attractive harvesting method because of their mechanical simplicity and availability  in  large unit  sizes  (Mata  et al., 2010). Nevertheless,  a  significant  engineering  research  effort aimed at developing more cost‐effective algal harvesting techniques will be required. 

BGU  and  Algatech  (Israel)  have  designed  successful  harvesting  and  processing  procedures  for Haematococcus  biomass  that  are  based  on  sedimentation  in  large  funnels  and  works  without  energy requirements at over 90% efficiency, creating a concentrated cell slurry that can be further dewatered and dried. Flocculation of Nannochloropsis and  Isochrysis has also been  successfully applied  (Boussiba et al., 1987, 1988). Evodos  (The Netherlands),  leader of WP7, has established a 100% subsidiary, called  ‘Evodos 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 37 of 258 

Algae Technologies B.V.’  to market algae harvesting machines. Evodos  technology allows over 90% algae separation due  to a patented  innovation which  results  in  improved  fluid dynamics and produces a paste (30%  dry weight) with  a  positive  energy  balance.  The  high  speed  rotating  separation  device  (rotor)  is equipped with flexible curved vanes, allowing the smallest particles to settle quickly.   

Table 5. Harvesting techniques. 

4.4 Biotechnology of the major microalgal groups 

4.4.1 Cyanobacteria  

Some cyanobacteria are easily  transformed genetically and have been under  investigation  for enhancing photosynthetic productivity, hydrogen production etc. 

Algenol has taken advantage of the transformability of cyanobacteria to create a cyanobacterila strain transforming photosynthetically produced sugar  into ethanol, which  is excreted  into the growth medium. This  technology  has  attracted  significant  funding  for  establishing  of  a  large  pilot  plant  using  especially designed bioreactors.      

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 38 of 258 

  

Figure 8‐ http://www.algenolbiofuels.com/overview.htm. 

 An  interesting application of the transformability techniques was cloning and expression of BTi toxins 

into  Anaebaena  for  creating  a  biological mosquito  control  agent,  though  release  of  this  organism  into nature has not been licensed so far (Xiaoqiang et al., 1997). 

Cyanobacteria  can be  thermophilic  and occur  in  all watery environments  including  toxic hot‐springs. This  ability  has  been  exploited  to  establish  a  revolutionary  exhaust  gas  scrubbing  methodology  with thermophilic cyanobacteria isolated from Yellowstone hotsprings growing directly on panels lit by sun light concentrated  and  delivered  via  light  guides,  in  chambers  fed  by  exhaust  gas (http://www.greencarcongress.com/2005/12/greenshift_lice.html). 

Recent Researches have also hinted at  cyanobacteria possible application  to  the generation of  clean and green energy via converting sunlight directly into electricity. 

A number of  important advances have occurred  in cyanobacterial biotechnology  in  the  recent years. World wide attention  is drawn towards cyanobacteria for their possible use  in mariculture, as food, feed, fuel,  fertilizers,  colourants,  and  for  the  production  of  various  secondary metabolites  including  vitamins, toxins, enzymes, pharmaceuticals and pharmacological probes, and for pollution abatement (Tredici et al., 2009). Only  a  few  cyanobacterial  strains have been well‐characterized or  exploited  commercially.  Some cyanobacteria are  sold as  food, notably Aphanizomenon  flos‐aquae and Arthrospira platensis  (Spirulina). Spirulina  is  being  grown  commercially  (and marketed  as  dietary  supplements) mostly  in  open  raceway ponds  in  Asia  and  USA,  while  short  pre‐commercial  cultivation  was  also  performed  by  Ben  Gurion University for Koor industries in Israel (Vonshak, personal communication). 

4.4.2 Chlorophyta (Green Algae) 

A  significant  number  of  green  algal  species  are  being  exploited  for  production  of  pigments  (Dunaliella, Haematococcus)  or  neutraceuticals  (Chlorella),  and  biological  remediation  (Chlorella,  Scenedesmus), whereby  the  vast metabolic  capacity  of  green  algae  holds  a  great  promise  for  identification  of  further  commercially viable production processes. Furthermore, Chlamydomonas reinhardtii is the most advanced tool for studying molecular, genetic and biochemical aspects of microalgae.  

Chlorella,  Dunaliella  and  Haematococcus  provide  the  vast  majority  of  algal  biomass  produced worldwide, exclusively as nutraceutical or health products. Chlorella  is being cultivated  in open ponds  in Asia (e. g. http://www.taiwanchlorella.com/) or in Europe's largest closed photobioreactor facility in Klotze, Germany  (http://www.algomed.de/index.php).  The  protein,  vitamin  and  mineral  rich  dry  biomass  is 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 39 of 258 

marketed as food additive. The capacity of Dunaliella to survive in Dead Sea water and to accumulate high concentrations of β‐carotene and glycerol has early on caught  the attention of scientists, and a  range of production facilities  in open  lagoons, e. g.  in Australia (http://www.nutrakol.com/pdf/Dunaliella.pdf), Asia or  in  raceway  ponds  in  Eilat,  Israel  (http://www.wondercare.co.in/nature.htm)  have  been  operating successfully. Haematococcus pluvialis is producing large amounts of the highly valued pigment astaxanthin that  is a potent antioxidant with  significant health benefits  reported. Astaxanthin accumulation  requires cultivation under nutrient stress, and major producers today are found in Asia, Australia and Hawaii (Fig. 2 d),  where  the  algae  are  cultivated  in  raceway  ponds  (http://www.cyanotech.com/),  or  Israel,  where astaxanthin is produced in a large photobioreactor facility in Qetura (Fig. 3 f/g; http://www.algatech.com/).  

Other  production  processes  for  various  pigments  from  species  such  as  Scenedesmus  (lutein) Chlorococcum (astaxanthin) or Chlorella zofingensis (both) (Del Campo et al., 2004) have been investigated but not achieved commercial deployment.  

In all  instances described, alternative products either  from  land plants or from chemical synthesis are significantly cheaper to produce than the algal product, so that to date the only market niche for such algal products is the health market. 

A significant number of species or genera are being considered as biofuel feedstock, due to the fact that numerous green algae species are very fast growing and are able to accumulate high concentrations of oil useful for biodiesel production. About half the strains tested by Hu et al. (2008) are green algae, as are 11 out of 30  tested by Rodolfi et al.  (2009) Their high  lipid productivity, accessability  to genetic engineering and capability  to grow  rapidly  in  the dark  fermenting organic  substrates has made Chlorella  the primary platform  for  custom  made  biofuels  production  via  heterotrophic  fermentation  by  biofuels  company Solazyme.  

4.4.3 Rhodophyta (Red Algae) 

Several  Red  Algae  species  have  significant  biotechnology  potential.  Some  of  them  are  economically important as source of agars and carrageenans. For this reason, extensive farming and natural harvest of red algae occurs in numerous areas of the world (see macroalgal biotechnology). 

The  unicellular  red  algae  Porphyridium  is  producing  significant  amounts  of  LC‐PUFA  and medicinally active polymers. Up to 44% of its total fatty acids consist of the high value long chain PUFA EPA (Cohen and Cohen,  1991).  Besides  red  microalgae  in  general,  Porphyridium  cruentum  produces  highly  sulfonated extracellular  polysaccharides  with  strong  and  specific  activity  against  animal  viruses  such  as  Herpes (Huheihel et al., 2002).  

4.4.4 Heterokontophyta 

This group  include a variety of algal divisions of highest significance to biotechnology, with significance to aquaculture, food and biofuels industries as well as the nutraceutical market. 

Among  the  microalgae  the  most  important  group  from  the  biotechnological  point  of  view  is represented  by  the  eustigamotphytes.  Nannochloropsis  is  considered  a  promising  alga  for  industrial applications  because  of  its  ability  to  accumulate  high  levels  of  polyunsaturated  fatty  acids (eicosapentaenoic acid). It is mainly used as feed for fish larvae and rotifers (see detailed form at the end of the document). Nannochloropsis  is also used as an  ingredient  in cosmetic products  (Tredici et al., 2009). Nannochloropsis has also been proposed as  feedstocks  for biodiesel production because of  its ability  to accumulate  up  to  60%  lipid  under  nitrogen  starvation  (Rodolfi  et  al.,  2009). Monodus  is  a  freshwater eustigamtophyte which  is also rich  in eicosapentaenoic acid  (EPA).  It has been cultivated to study  its EPA production under laboratory conditions and outdoors in different types of photobiorectors under different 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 40 of 258 

conditions. In Spain productivities of 0.16 and 0.54 g L‐1 d‐1 were obtained in a 57‐L‐bubble column and in a 75‐L‐  helical  photobioreactor,  respectively, with  a maximum  EPA  productivity  of  9 mg  L‐1  d‐1  (Lu  et  al., 2002).  In  Israel,  Hu  et  al.  (1997)  in  a  flat  inclined modular  photobioreactor made  of  four  14‐L  units, obtained a biomass productivity for Monodus of about 1.4 g L‐1 d‐1 and an EPA productivity of 59 mg L‐1 d‐1 at the optimal cell density of 4 g L‐1. For its EPA content Monodus subterraneus is used for the preparation of  nutraceutical  products  together  with  the  DHA‐rich  primnesiophyte  Isochrysis  galbana  by  Nikken Sohonsha Co. (Japan). Recently, a freshwater xantophyte alga, Trachydiscus minutus, has been proposed as a source of EPA due to  its  large content of this fatty acid (up to >35% of total fatty acids) (Řezanka et al., 2010). 

4.4.5 Labyrinthulea (phylum Heterokonta) 

Thraustochytrids are a  commercial  source of polyunsaturated  fatty acids,  in particular doicosahexaenoic acid  (DHA).  DHA‐rich  oils  are  produced  through  fermentation  from  the  marine  thraustochytrids Schizochytrium  and Ulkenia  by Martek  Co.  (USA)  and Nutrinova  (Germany),  respectively,  for  nutritional supplements and animal feeds (Lewis et al., 1999; Tredici et al., 2009). During commercial production there are  two  phases:  first,  biomass  production  and  then  lipid  induction.  Glucose  is  generally  the  preferred substrate to grow these organimsms, though there is a lot of variability among strains concerning the best carbon and nitrogen source. Dried Schizochytrium has GRAS status for use as feed to broiler chickens and laying hen  feed  in order to enhance DHA  in the meat and eggs  (Raghukumar, 2008). Schizochytrium cells are produced by Aquafauna, Inc (USA) to be included in feed for aquaculture, in particular to enrich in DHA rotifers and Artemia. Most thraustochytrids produce one or more of other PUFAs, namely arachidonic acid, docosapentaenoic  acid,  eicosapentaenoic  acid  and  docosatetraenoic  acid  and,  although  they  can  be considered  as  a  source  of  these molecules,  there  is  not  an  actual  exploitment. The  DHA  biosynthetic pathway  in  thraustochytrids has presently attracted attention because of efforts by many  researchers  to produce recombinant plants or yeasts capable of producing PUFAs. Thraustochytrids are also considered a potential  source of  carotenoids  such as  β‐carotene and  the  xanthophylls astaxanthin and  canthaxanthin (Raghukumar, 2008). 

4.4.6 Bacillariophyta (Diatoms) 

Diatoms  are  used  for  various  biotechnological  applications,  mainly  at  the  laboratory  scale,  and  in aquaculture at a higher scale  for commercial outlets. Examples of applications are:  (1) silicon production originating  from  frustules,  for  technological  applications  in nanotechnology, pollution  remediation or  as food in aquaculture thanks to the lipid‐ and amino‐acid‐rich algal content, (2) intracellular metabolites that accumulated in cells, e.g. lipids, particularly eicosapentaenoic acid (EPA) for pharmaceutical applications, or amino  acids  for  cosmetic  applications,  and  (3)  extracellular metabolites  released  into  the medium,  e.g. various pigments (for chicken and fish feeds) and antibiotics (Lebeau and Robert, 2003). 

In diatoms, the major fatty acids are C16:0 and C16:1 (Hu et al., 2008). The most nutritionally relevant biomolecules  produced  by  diatoms  are  very‐long‐chain  polyunsaturated  fatty  acids  (vlc‐PUFAs)  like arachidonic  acid  (AA)  (C20:4ω6),  eicosapentaenoic  acid  (EPA)  (C20:5ω3),  docosahexaenoic  acid  (DHA) (C22:6ω3) and other omega‐3 fatty acids (Bozarth et al., 2009). 

The average total lipid content of an oleaginous diatom is 22.7% DCW when maintained under normal growth conditions, whereas a total lipid content of 44.6% DCW is achievable under stress conditions (Hu et al.,  2008).  A  general  trend  towards  accumulation  of  lipids,  particularly  TAG,  in  response  to  nitrogen deficiency has been observed  in  various  algal  taxa  including diatoms. However,  in diatoms,  silicon  is  an equally  important  nutrient  that  affects  cellular  lipid metabolism  (Roessler,  1988).  Phosphorus  limitation 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 41 of 258 

also  results  in  increased  lipid  content, mainly  TAG  (Reitan  et  al.,  1994).  Typically,  high  light  intensity decreases total polar lipid content with a concomitant increase in the amount of neutral storage lipids. High light also alters  fatty acid  synthesis  to produce more of  the  saturated and mono‐unsaturated  fatty acids that mainly make up neutral lipids. In general, the total lipid content of cells increase with age. An increase in TAGs is often observed during stationary phase (Hu et al., 2008).  

4.4.7 Haptophyta  

Economically important haptophytes include Pavlova lutheri and Isochrysis sp., which are widely used in the aquaculture  industries  due  to  their  high  docosahexaenoic  acid  (DHA)  content.  They  are  commercially produced by several companies to be sold as feed for bivalve shellfish larvae and post‐larvae, shrimp larvae and rotifer enrichemnt as concentrates (e.g. 64 to 90 g L‐1), alone or mixed with other algal species (Tredici et al., 2009). Due to the high DHA content, Isochrysis galbana is used, mixed with Monodus subterraneus, for  the production of nutraceuticals by Nikken Sohonsha Co.  (Japan). Recently, exctracts of  Isochrysis sp. have been patented for application in cosmetics, as ingredients for skin and hair health products (Herrmann et al., 2009). 

The suitability of Isochrysis for producing oil for biodiesel production has been confirmed in pilot sized raceway ponds in Israel (Boussiba et al., 1988).  

4.4.8 Dinophyta (Dinoflagellates) 

A  few  photoautotroph  Dinoflagellate  species  have  been  evaluated  for  lipid  productivity.  The  most prominent applications for Dinoflagellates involves heterotrophic species that are grown in fermentors for production  of  PUFA‐rich  oil  or  biofuels.  Commercial  cultivation  of  the  heterotrophic  dinoflagellate Cryptechodinium  cohnii  to  obtain  a  docosahexaenoic  acid  (DHA)‐rich  oil  to  be  used  as  an  ingredient  in nutraceutical products is carried out in fermentors by Martek Co. in the US.  

Dinoflagellates are among the major toxin producers known. Besides the huge negative impact of these toxins on the ecosystems when they are produced in large amounts from algae blooms, an application can be  foreseen. Dinoflagellate,  as well  as  cyanobacteria,  toxins  are  used  in medical  studies  in  attempts  to understand their modes of action and assess their therapeutic potential or that of their analogs. Saxitoxins, are considered safe, effective,  long‐acting topical anesthetics (Garcia Camacho et al., 2007). The saxitoxin related  tetrodotoxin,  a  non‐peptide  neurotoxin,  is  being  developed  by  WEX  Pharmaceuticals  Inc. (www.wexpharma.com)  for  treatment of cancer‐related pain as an alternative  to opioids. Okadaic acid  is considered a model potent neurotoxin for analyzing the therapeutic effects of atypical antipsychotic drugs in  treatment  of  cognitive  impairment  and  neuropathological  changes  of  schizophrenia  and  other neurodegenerative diseases (Garcia Camacho et al., 2007). 

Dinoflagelltes produces many bioactive molecules with interesting anticancer properties, that presently have been evidenced only at lab screening phase. 

4.5 Biotechnology and uses for macroalgae 

Current uses  and biotechnology of Macroalgae  far exceeds  those of Microalgae, with Macroalgae being harvested  for  food,  feed or biocompounds  (agar) all across  the world, with major concentrations  in East Asia.  Three  distinct  algal  classes,  Chlorophyta,  Rhodophyta,  and  Phaeophyta,  have  macroalgae representatives, and all classes are being exploited economically. 

Macroalgae based fuels hold great promise, directly related to the potential to produce more biomass per unit area  in a year than any other form of biomass. The main Chlorophyta species relevant to biofuel uses are belonging to the genus of Ulva and Caulerpa. The red algae species relevant to biofuel uses mainly 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 42 of 258 

belong to the order of Gigartinales, Halymeniales and Palmariales. The brown algae relevant to biofuel uses are mainly belonging to the order of Fucales (including representant of the following families: Alariaceae, Fucaceae, Himanthaliaceae, Sargasseae), Laminariales and Tilopteridales. 

Sewage can be treated with algae, reducing the need for greater amounts of toxic chemicals than are already used. Algae can be used to capture fertilizers in runoff from farms. When subsequently harvested, the enriched algae itself can be used as fertilizer. Agricultural Research Service scientists found that 60‐90% of nitrogen runoff and 70‐100% of phosphorus runoff can be captured from manure effluents using an algal turf scrubber  (ATS). Scientists developed  the ATS, which are shallow, 100‐foot  raceways of nylon netting where algae colonies can form, and studied its efficacy for three years. They found that algae can readily be used  to  reduce  the nutrient  runoff  from agricultural  fields and  increase  the quality of water  flowing  into rivers, streams, and oceans. The enriched algae itself also can be used as a fertilizer. Researchers collected and dried the nutrient‐rich algae from the ATS and studied its potential as an organic fertilizer. They found that cucumber and corn seedlings grew just as well using ATS organic fertilizer as they did with commercial fertilizers. Air‐dried algae from an algal turf scrubber (ATS) captured most of the nitrogen and phosphorus in  manure  runoff  (United  States  Department  of  Agriculture,  Agricultural  Research  Service, www.ars.usda.gov/is/AR/archive/may10/algae0510.htm). 

Several red macroalgae species are used as food, such as Dulse (Palmaria palmata) and Porphyra in the British  Isles, or nori  in Asia. Cultivation  is  relatively simple and began  in  Japan more  than 300 years ago. Major products from macroalgae today are: Agar, a gelatinous substance derived from red algae, has a number of commercial uses. Alginates: Between 100,000 and 170,000 wet tons of Macrocystis are harvested annually  in California for alginate extraction and abalone feed. Fertilizer: For centuries seaweed has been used as a fertilizer. This kind of ore they often gather and lay on great heapes, where  it heteth  and  rotteth,  and will have  a  strong  and  loathsome  smell; when being  so rotten  they  cast on  the  land, as  they do  their muck, and  thereof  springeth good  corn, especially barley. After spring‐tydes or great rigs of the sea, they fetch it in sacks on horse backes, and carie the same three, four, or five miles, and cast it on the land, which doth very much better the ground for corn and grass. Nutrition: Naturally growing  seaweeds are an  important  source of  food, especially  in Asia. They provide many vitamins including: A, B1, B2, B6, niacin and C, and are rich in iodine, potassium, iron, magnesium and calcium.  

Algae are national foods of many nations: China consumes more than 70 species, including fat choy,  a  cyanobacterium  considered  a  vegetable;  Japan,  over  20  species;  Ireland,  dulse;  Chile, cochayuyo. Laver is used to make "laver bread" in Wales where it is known as bara lawr; in Korea, gim; in Japan, nori and aonori. It is also used along the west coast of North America from California to British Columbia, in Hawaii and by the Māori of New Zealand. Sea lettuce and badderlocks are a salad  ingredient  in Scotland,  Ireland, Greenland and  Iceland. Dulse  is a good source of minerals and 

vitamins, contains all  trace elements and has a high protein content. Dulse  is commonly used  in  Ireland, Iceland,  Atlantic  Canada  and  the  Northeast  United  States.  Dulse  can  be  used  both  fresh  or  sun‐dried (ground  to  flakes  or  powder).  Finely  diced,  it  can  also  be  used  as  a  flavour  enhancer  in  place  of monosodium glutamate. 

Stabilizing  substances:  Carrageenan,  from  the  red  alga  Chondrus  crispus,  is  used  as  a  stabiliser  in milk products.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 43 of 258 

4.6 Biotechnology of Other Aquatic Biomass 

Aquatic vascular plants can represent attractive biomass production alternatives especially when integrated into  treatment  of  eutrophicated water  bodies.  A  large  number  of  often  invasive water  plants,  such  as Water Hyacinth, Lemna, various reeds, Elodea, Egeria etc become a pest in nutrient rich waters clogging up waterways and suffocating native flora and fauna. On the other hand such plants provide high productivity under  significant  nutrient  removal  capacity.  Lacking  success  with microalgae  has  caused  former  algae pioneer PetroAlgae  to  switch  technology  to cultivation of "microcrops"  (Lemna) on nutrient  rich  lagoons (http://www.petroalgae.com/index.php), offering certain advantages such as a mature technology, easier harvesting (Fig. 9) and process control at the expense of somewhat reduced productivity.  

 

Figure 9 ‐ Removal of algae blooms and water hyacinth at Hertebeesport dam, South Africa  (http://www.dwa.gov.za/harties/). 

 Remediation efforts of polluted water bodies  in general can provide significant amounts of free waste 

biomass  from  such water  plant material  (see Hartebeesport  dam  http://www.dwa.gov.za/harties/)  that may be utilized for fuels production. Alternatively, biological water treatment using constructed wetlands can also provide significant amounts of waste biomass that may be utilized for biofuels production.   

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 44 of 258 

5 Symbology  

Symbology might be used to allow quick understanding of the following sections.  

SYMBOLOGY of the level of use of the alga 

    

This symbol indicates that the alga has a potential application and is currently used at pilot experimental level for biofuels  

    

This symbol indicates that the alga has a potential application for biofuels, though there is no pilot production 

    

This symbol indicates that the alga is commercially produced and available in large quantities 

D  Potentially interesting for biodiesel production 

E  Potentially interesting for bioethanol production 

H  Potentially interesting for biohydrogen production 

B  Interesting for biomass production 

PIV  Pivotal taxon for biotechnology description 

  

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 45 of 258 

6 References 

Adams D.G., Duggan P.S. (1999) Heterocyst and akinete differentiation in cyanobacteria. Tansley Review No. 107. New Phytologist 144: 3‐33. 

Adl S.M., Simpson A.G.B., Farmer M.A., et al. (2005) The new higher  level classification of eukaryotes with emphasis on the taxonomy of protists. Journal of Eukaryotic Microbiology 52: 399–451.  

Anagnostidis  K.,  Komárek  J.  (1988)  Modern  approach  to  the  classification  system  of  cyanophytes.  Teil  3‐ Oscillatoriales. Archiv für Hydrobiologie/Algological Studies 50‐53: 327–472. 

Anagnostidis  K.,  Komárek  J.  (1990)  Modern  approach  to  the  classification  system  of  cyanophytes.  Teil  5‐ Stigonematales. Archiv für Hydrobiologie/Algological Studies 59: 1–73. 

Andersen R.A., Brett R.W., et al. (1998) Phylogeny of the Eustigmatophyceae based upon 18s rDNA, with emphasis on Nannochloropsis. Protist 149: 61‐74.  

Anderson R.A.  (2004) Biology and systematics of heterokont and haptophyte algae. American  Journal of Botany 91: 1508‐1522.  

Archibald J.M. (2007) Nucleomorph genomes: structure, function, origin and evolution. BioEssays 29: 392‐402. Archibald J.M., Keeling P.J. (2002) Recycled plastids: a green movement in eukaryotic evolution. Trends in Genetics 18: 

577‐584. Armbrust E.V. (2009) The life of diatoms in the world's oceans. Nature 459: 185‐192 Armbrust E.V., Berges  J.A., Bowler C,.  et  al.  (2004)  The  genome of  the diatom  Thalassiosira pseudonana: Ecology, 

evolution, and metabolism. Science 306: 79‐86. Barsanti L., Gualtieri P.  (2006) Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology. CRC Press Taylor & Francis Group, 

Boca Raton. 

Bergman B., Gallon J.R., Rai A.N., Stal L.J. (1997) N2 fixation by non‐hetrocystous cyanobacteria. FEMS Microbiol. Rev., 19: 139‐185 

Bhattacharya D., Yoon H.S., Hackett  J.D.  (2003) Photosynthetic eukaryotes unite: Endosymbiosis connects  the dots. BioEssays 26: 50‐60. 

Boussiba S., Vonshak A., Cohen Z., Avissar Y., Richmond A.  (1987) Lipid and biomass production by the halotolerant microalga Nannochloropsis salina. Biomass 12: 37‐47 

Boussiba  S,  Sandbank  E.,  Shelef  G.,  Cohen  Z.,  Vonshak  A.,  Ben‐Amotz  A.,  Arad  S.,  Richmond  A.  (1988)  Outdoor cultivation of the marine microalga Isochrysis galbana in open reactors. Aquaculture 72: 247‐253. 

Boussiba S., Wu X.Q., Ben‐Dov E., Zarka A., Zaritsky A. (2000) Nitrogen‐fixing cyanobacteria as gene delivery system for expressing mosquiticidal  toxins of Bacillus  thuringensis ssp.  israelensis.  Journal of Applied Phycoogy. 12: 461‐467. 

Bowler C., Allen A.E., Badger J.H., et al. (2008) The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes. Nature 456: 239‐244. 

Bozarth  A.,  Maier  U.G.,  Zauner  S.  (2009)  Diatoms  in  biotechnology:  modern  tools  and  applications.  Applied Microbiology and Biotechnology 82: 195‐201. 

Brennan  L., Owende  P.  (2010)  Biofuels  from microalgae‐A  review  of  technologies  for  production,  processing,  and extractions of biofuels and co‐products. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 557‐577. 

Castenholz R.W., Waterbury J.B. (1989) Group I. Cyanobacteria. In: Staley J.T., Bryant M.P., Pfennig N., Holt J.G. (eds.) Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, Vol. 3. Williams & Wilkins, Baltimore, pp. 1710–1727. 

Castenholz  R.W.  (2001)  Phylum  BX.  Cyanobacteria.  In:  Boone  D.R.,  Castenholz  R.W.  (eds.)  Bergey's  Manual  of Systematic Bacteriology, 2nd Edition, vol. 1. Springer, New York, pp. 473–487. 

Cavalier‐Smith T. (1981) Eukaryote kingdoms: seven or nine? Biosystems 14: 461–481. 

Cavalier‐Smith  T.,  Chao  E.E.  (1997)  Sarcomonad  ribosomal  RNA  sequences,  rhizopod  phylogeny,  and  the  origin  of euglyphid amoebae. Archiv für Protistenkunde. 147: 227‐236. 

Cavalier‐Smith T., Allsopp M.T.E.P., Chao E. E. (1994) Thraustochytrids are Chromists, not Fungi: 18s rRNA Signatures of Heterokonta. Philosophical Transactions: Biological Sciences, 346: 387‐397. 

Cembella A.D. (2003) Chemical ecology of eukaryotic microalgae in marine ecosystems. Phycologia 42: 420‐447. Chepurnov V.A., Mann D.G., Sabbe K., Vyverman W. (2004) Experimental studies on sexual reproduction  in diatoms. 

International Review of Cytology 237: 91–154. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 46 of 258 

Chisholm  S.W., Olson  R.J.,  Zettler  E.R.,  Goericke  R., Waterbury  J.B., Welschmeyer N.A.  (1988)  A  novel  free‐living prochlorophyte abundant in the oceanic euphotic zone. Nature 334: 340‐343. 

Chorus I., Bartram J. (1999) Toxic cyanobacteria in water: A guide to their public health consequences, monitoring and management. World Health Organization. 

Chisti Y (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25: 294‐306. Cohen  Z.,  Cohen  S.  (1991)  Preparation  of  eicosapentaenoic  acid  (EPA)  concentrate  from  Porphyridium  cruentum. 

Journal of American Oil Chemists’ Society 68: 16 ‐19. Cohen  Y.,  Padan  E.,  Shilo  M.  (1975)  Facultative  anoxygenic  photosynthesis  in  the  cyanobacterium  Oscillatoria 

limnetica. Journal of Bacteriology 123: 855‐861. Coffroth M.A., Santos S.R. (2005) Genetic diversity of symbiotic dinoflagellates in the genus Symbiodinium. Protist 156: 

19‐34. Courties C., Vaquer A., Troussellier M., Lautier  J., Chrétiennot‐Dinet M.J., Neveux  J., Machado C., Claustre H.  (1994) 

Smallest eukaryotic organism. Nature 370: 255.  

Coyer  J.A., Smith G.J., Anderson R.A.  (2001) Evolution of Macrocystis spp.  (Phaeophyta) as determined by  ITS1 and ITS2 sequences. Journal of Phycology 37: 574–585.  

Del Campo J.A,. Rodríguez H., Moreno J., Vargas M.A., Rivas J., Guerrero M.G. (2004) Accumulation of astaxanthin and lutein in Chlorella zofingiensis (Chlorophyta). Appied Microbiology and  Biotechnology 64: 848‐54.  

Falkowski  P.G.,  Barber  R.T.,  Smetacek  V.V.  (1998)  Biogeochemical  controls  and  feedbacks  on  ocean  primary production. Science 281: 200–207. 

Fargione J., Hill J., Tilman D., Polasky S., Hawthorne P. (2008) Land clearing and the biofuel carbon debt. Science 319: 1235‐1238. 

Fast N.M., Xue L., Bingham S., Keeling P.J. (2002) Re‐examining alveolate evolution using multiple protein molecular phylogenies. Journal of Eukaryotic Microbiology 49: 30‐37. 

Fawley K.P.  (2007) Observations on  the diversity and ecology of  freshwater Nannochloropsis  (Eustigmatophyceae), with descriptions of new taxa. Protist 158: 325‐336.  

Fensome R.A., Taylor F.J.R., Norris G., Sarjeant W.A.S., Wharton D.I., Williams G.L. (1993) A classification of living and fossil dinoflagellates. Micropaleontology Special Publication 7, Sheridan Press, Hanover, Pennsylvania, USA. 

Field C.B., Behrenfeld M.J., Randerson  J.T.,  Falkowski P.G.  (1998) Primary production of  the biosphere:  integrating terrestrial and oceanic components. Science 281: 237–240. 

Fletcher  B.J.,  Beerling  D.J.,  Chaloner W.G.  (2004)  Stable  carbon  isotopes  and  the  metabolism  of  the  terrestrial Devonian organism Spongiophyton. Geobiology 2: 107. 

Garbary D.J., Gabrielson P.W.  (1990) Taxonomy and evolution.  In: Cole K.M., Sheath R.G.  (eds.) Biology of  the  red algae. Cambridge University Press, Cambridge, 477‐498. 

Garcia Camacho F., Gallardo Rodríguez J., Sánchez Mirón A., Cerón García M.C., Belarbi E.H., Chisti Y., Molina Grima E. (2007) Biotechnological significance of toxic marine dinoflagellates. Biotechnology Advances 25: 176–194. 

Garlick S., Oren A., Padan E. (1977) Occurrence of facultative anoxygenic photosynthesis among unicellular and filamentous cyanobacteria. Journal of Bacteriology 129: 623‐629. 

Gilson  P.R.,  McFadden  G.I.  (2002)  Jam  packed  genomes‐a  preliminary,  comparative  analysis  of  nucleomorphs. Genetica 115: 13‐28. 

Gould S.B., Waller R.F., McFadden G.I. (2008) Plastid evolution. Annual Reviews in Plant Biology 59: 491‐517. 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 Guillou  L., Eikrem W., Chrétiennot‐Dinnet M.J.,  Le Gall  F., Massana R., Romari K., Pedros‐Alio C., Vaulot D.  (2004) 

Diversity of picoplanktonic Prasinophyceae assessed by direct SSU rDNA sequencing of environmental samples and novel isolates retrieved from oceanic and coastal marine ecosystems. Protist 155: 193–214.  

Guiry M.D., Guiry G.M. (2007) AlgaeBase version 4.2, World‐wide electronic publication, National University of Ireland, Galway AND SUCCESSIVE MODIFICATIONS.  

Herdman M., Rippka R.  (1988a) Cellular differentiation: akinetes.  In: Packer  L., Glazer A.N.  (eds) Cyanobacteria.  In: Colowock S.P., Kaplan N.O. (eds) Methods in Enzimology, 167: 222‐232. 

Herdman M., Rippka R.  (1988b) Cellular differentiation: hormogonia and baeocytes.  In: Packer L., Glazer A.N.  (eds) Cyanobacteria. In: Colowock S.P., Kaplan N.O. (eds) Methods in Enzimology, 167: 232‐242. 

Herrero A.,  Flores  E.  (eds)  (2008)  The  cyanobacteria: Molecular  biology,  genetics  and  evolution. Caister Academic Press, Norfolk. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 47 of 258 

Herrmann M., Joppe H., Pertile P., Zanella L. (2010) Extracts of Isochrysis sp. Patent Application No. US2010/0080761 A1. 

Hibberd  D.J.  (1981)  Notes  on  the  taxonomy  and  nomenclature  of  the  algal  classes  Eustigmatophyceae  and Tribophyceae (Synonym Xanthophyceae). Botanical Journal of the Linnean Society 82: 93‐119.  

Hibberd D.J., Norris  R.E.  (1984)  Cytology  and  ultrastructure  of  Chlorarachnion  reptans  (Chlorarachniophyta  divisio nova, Chlorarachniophyceae classis nova). Journal of Phycology 20: 310‐330. 

Hoek  C.  van den, Mann D.G.,  Jahns H.M.  (1995) Algae An  introduction  to  phycology.  Cambridge University  Press, Cambridge.  

Hu Q., Guterman H., Richmond A. (1996) Physiological characteristics of Spirulina platensis (Cyanobacteria) cultured at ultrahigh cell densities. Journal of Phycology 32: 1066–1073. 

Hu Q., Zhengyu H., Cohen Z., Richmond A.  (1997) Enhancement of eicosapentaenoic acid  (EPA) and y‐linolenic acid (GLA)  production  by  manipulating  algal  density  of  outdoor  cultures  of  Monodus  subterraneus (Eustigmatophyta) and Spirulina platensis (Cyanobacteria). European Journal of Phycoogy. 32: 81‐86. 

Hu  Q.,  Sommerfeld  M.,  Jarvis  E.,  et  al.  (2008)  Microalgal  triacylglycerols  as  feedstocks  for  biofuel  production: perspectives and advances. Plant Journal 54: 621‐639. 

Huheihel M., Ishanu V., Tal . Arad (Malis) 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. 

Ishida K., Green B.R., Cavalier‐Smith T.  (1999) Diversification of a Chimaeric Algal Group,  the Chlorarachniophytes: Phylogeny of Nuclear and Nucleomorph Small Subunit rRNA Genes. Molecular Biology and Evolution 16: 321‐331. 

Ishida  K.,  Ishida N., Hara  Y.  (2000)  Lotharella  amoeboformis  sp.  nov.:  a New  Species of Chlorarachniophytes  from Japan. Phycological Research 48: 221‐230. 

Ito A., Oikawa T.(2004) Global mapping of terrestrial primary productivity and light‐use efficiency with a process‐based model. In: Shiyomi M., Kawahata H., Koizumi H., Tsuda A., Awaya Y. (eds) Global environmental change in the ocean and on land, TerraPub, Tokyo, pp. 343–358. 

Jones W.E. (1962) A key to the genera of the British seaweeds. Field Studies 1: 1 ‐32.  Johnston M., Foley J.A., Holloway T., Kucharik C., Monfreda C. (2009) Resetting global expectations from agricultural 

biofuels. Environmental Research Letters 4: 019801 doi: 10.1088/1748‐9326/4/1/019801. 

Jorquera O.,  Kiperstok A.,  Sales  E.A.,  Embiruçu M., Ghirardi M.L.  (2010)  Comparative  energy  life‐cycle  analyses  of microalgal biomass production in open ponds and photobioreactors. Bioresource Technology 101: 1406‐1413. 

Kaneko  T.,  Sato  S.,  Kotani  H.,  et  al.  (1996)  Sequence  analysis  of  the  genome  of  the  unicellular  cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC6803. II. Sequence determination of the entire genome and assignment of potential protein‐coding regions. DNA Research 3: 109‐136.  

Kapraun D.F. (2007) Nuclear DNA content estimates in green algal lineages: chlorophyta and streptophyta. Annals of Botany 99: 677‐701.  

Keeling P.J. (2004) Diversity and evolutionary history of plastids and their hosts. American Journal of Botany 91: 1481‐1493. 

Kim E, Graham L. (2008) EEF2 analysis challenges the monophyly of Archaeplastida and Chromalveolata. PLoS ONE 3: e2621. 

Komárek  J.,  Anagnostidis  K.  (1986)  Modern  approach  to  the  classification  systém  of  cyanophytes.  Teil  2‐ Chroococcales. Archiv für Hydrobiologie/Algological Studies 43: 157‐226. 

Komárek J., Anagnostidis K. (1989) Modern approach to the classification system of cyanophytes. Teil 4‐ Nostocales. Archiv für Hydrobiologie/Algological Studies 56: 247‐345. 

Kooistra  W.H.C.F.,  Gersonde  R.,  Medlin  L.K.,  Mann  D.G.  (2007)  The  origin  and  evolution  of  the  diatoms:  their adaptation to a planktonic existence, In: Falkowski P.G., Knoll A.H. (eds) Evolution of Primary Producers in the Sea, Elsevier, pp. 207–249. 

Leander C.A., Porter D. (2001) The Labyrinthulomycota is comprised of three distinct lineages. Mycologia 93: 459‐464. Lebeau T., Robert J.M. (2003) Diatom cultivation and biotechnologically relevant products. Part I: Cultivation at various 

scales. Applied Microbiology and Biotechnology 60: 612‐623 Lee R.E. (2008) Phycology, 4th edition, Cambridge University Press.  Lehane  L.,  Lewis  R.J.  (2000)  Ciguatera:  recent  advances,  but  the  risk  remains.  International  Journal  of  Food 

Microbiology 61: 91‐125. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 48 of 258 

Leipe D.D., Wainright P.O., Gunderson  J.H., Porter D., Patterson D.J., Valois F., Himmerich S., Sogin M.L.  (1994) The stramenopiles  from  a  molecular  perspective:  16S‐like  rRNA  sequences  from  Labyrinthuloides  minuta  and Cafeteria roenbergensis. Phycologia 33: 369‐377. 

Lewis  T.  E.,  Nichols  P.D.,  McMeekin  T.A.  (1999)  The  biotechnological  potential  of  thraustochytrids.  Marine Biotechnology 1: 580‐587. 

Loeblich A.R. (1974) Protistan phylogeny as indicated by the fossil record. Taxon 23: 277‐290.  Lu C., Acién Fernández F.G., Cañizares Guerrero E., Hall D.O., Molina Grima E. (2002) Overall assessment of Monodus 

subterraneus cultivation and EPA production in outdoor helical and bubble column reactors. Journal of Applied Phycology 14: 331‐342. 

Lüning K. (1990) Seaweeds: Their environment, biogeography, and ecophysiology. Wiley, New York. 

Mann D.G. (1999) The species concept in diatoms (Phycological Reviews 18). Phycologia 38: 437‐495. Mann D.G., Evans K.M.  (2007) Molecular genetics and the neglected art of diatomics,  In: Brodie  J., Lewis  J.M.  (eds) 

Unravelling the algae – the past, present and future of algal molecular systematics, CRC Press, London, pp. 231–265. 

Mata T.M., Martins A.A., Caetano N.S.  (2010) Microalgae  for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 217‐232. 

Medlin L.K., Kooistra W.H.F., Potter D., Saunders G.W., Andersen R.A. (1997) Phylogenetic relationships of the 'golden algae' (haptophytes, heterokont chromophytes) and their plastids, In: Bhattacharya D. (ed) Origins of algae and their plastids, Special edition of Plant Systematics and Evolution, Suppl.11, pp. 187–219. 

Medlin L.K., Kaczmarska  I.  (2004) Evolution of  the diatoms: V. Morphological and cytological support  for  the major clades and a taxonomic revision. Phycologia 43: 245‐270. 

Miyashita  H.,  Ikemoto  H.,  Kurano  N.,  Miyachi  S.,  Chihara  M.  (2003)  Acaryochloris  marina  gen.  et  sp.  nov. (cyanobacteria),  an  oxygenic  photosynthetic  prokaryote  containing  chl  d  as  a  major  pigment.  Journal  of Phycology 39: 1247‐1253. 

Moreira D., López‐García P. (2002) The molecular ecology of microbial eukaryotes unveils a hidden world. Trends  in Microbiology 10: 31‐38. 

Oren, A. (2004). A proposal for further integration of the cyanobacteria under the Bacteriological Code. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 54: 1895‐1902.  

Oren  A.,  Shilo M.  (1979)  Anaerobic  heterotrophic  dark metabolism  in  the  cyanobacterium  Oscillatoria  limnetica: sulphur respiration and lactate fermentation. Archives of Microbiology 122: 77‐84. 

Patterson D.J.  (1989) Stramenopiles:  chromophytes  from a protistan perspective,  In: Green  J.C.,  Leadbeater B.S.C., Diver W.L. (eds), The chromophyte algae problems and perspectives, Clarendon Press, Oxford, pp. 357‐379. 

Pedroni P.M., Lamenti G., Prosperi G., Ritorto L., Scolla G., Capuano F., Valdiserri M. (2004) Enitecnologie R & D project on microalgae biofixation of CO2: Outdoor comparative tests of biomass productivity using flue gas CO2 from a NGCC power plant. Proceedings of Seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT‐7), 5–9 September 2004, Vancouver, Canada. 

Pulz  O  (2001)  Photobioreactors:  Production  systems  for  phototrophic microorganisms.  Applied Microbiology  and Biotechnology 57: 287‐293. 

Pulz O, Gross W (2004) Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology 65, 635‐648. 

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. 

Ragan M.A., Bird C.J., Rice E.L., Gutell R.R., Murphy C.A., Singh R.K. (1994) A molecular phylogeny of the marine red algae  (Rhodophyta) based on  the nuclear  small‐subunit  rRNA gene. Proceedings of  the National Academy of Sciences of the USA 91: 7276‐7280. 

Raghukumar  S.  (1996)  Morphology,  taxonomy  and  ecology  of  tharustochytrids  and  labyrinthulids,  the  marine counterparts of zoosporic fungi.  In: Dayal R. (ed.) Advances  in zoosporic fungi. M D Publications Pvt Ltd, New Delhi, 35‐58. 

Raghukumar S. (2002) Ecology of the marine protists, the Labyrinthulomycetes (Thraustochytrids and Labyrinthulids), European Journal of Protistology 38: 127–145. 

Rai A.N., Bergman B., Rasmussen U. (eds.) (2002) Cyanobacteria in symbiosis. Kluwer Academic Publishers, Dodrecht. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 49 of 258 

Ramachandra  T.V.,  Mahapatra  D.M.,  Karthick  B.,  Gordon  R.  (2009)  Milking  diatoms  for  sustainable  energy: Biochemical engineering  versus  gasoline‐secreting diatom  solar panels.  Industrial and Engineering Chemistry Research 48: 8769‐8788. 

Raven P.H., Evert R.F., Eichhorn S.E. (2005) The Biology of Plants 7th edition, W. H. Freeman and Company, New York.  

Reitan  K.I.,  Rainuzzo  J.R.,  Olsen  Y.  (1994)  Effect  of  nutrient  limitation  on  fatty‐acid  and  lipid‐content  of marine microalgae. Journal of Phycology 30: 972‐979. 

Rodolfi L., Chini Zittelli G., Bassi N., et al.  (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. 

Řezanka  T.,  Petránková  M.,  Cepák  V.,  Přibyl  P.,  Sigler  K.,  Cajthaml  T.  (2010)  Trachydiscus  minutus,  a  new biotechnological source of eicosapentaenoic acid. Folia Microbiologica 55: 265–269.  

Roessler P.G.  (1988) Changes  in  the activities of various  lipid and carbohydrate biosynthetic enzymes  in  the diatom Cyclotella cryptica in response to silicon deficiency. Archives of Biochemistry and Biophysics 267: 521–528. 

Round  F.E.,  Crawford  R.M., Mann D.G.  (1990)  The Diatoms  –  Biology  and Morphology  of  the Genera.  Cambridge University Press, Cambridge, UK. 

Satoh  M.,  Iwamoto  K.,  Suzuki  I.,  Shiraiwa  Y.  (2009)  Cold  stress  stimulates  intracellular  calcification  by  the coccolithophore,  Emiliania  huxleyi  (Haptophyceae)  under  phosphate‐deficient  conditions.  Marine Biotechnology 11: 327‐333. 

Scott  E.L.,  Kootstra  A.M.J.,  Sanders  J.P.M.  (2010)  Perspectives  on  bioenergy  and  biofuels.  In:  Singh, O.V  and  S.P. Harvey (eds.) Sustainable Biotechnology. Elsevier, The Netherlands, pp: 179‐194. 

Searchinger T., Heimlich R., Houghton R.A., Dong F., Elobeid A., Fabiosa J., Tokgoz S. , Hayes D. Yu T.‐H. (2008) Use of U.S. croplands  for biofuels  increases greenhouse gases through emissions  from  landuse change. Science 319: 1238‐1240. 

Senn T.L. (1987) Seaweed and Plant Growth. Clemson University, Clemson. Sheehan  J., Dunahay T., Benemann  J., Roessler P.  (1998) A  Look Back  at  the U.S. Department of Energy’s Aquatic 

Species Program—Biodiesel from Algae. Close‐out Report. NREL/TP‐580‐24190, 295 pp.  Sims P.A., Mann D.G., Medlin L.K. (2006) Evolution of the diatoms: Insights from fossil, biological and molecular data. 

Phycologia 45: 361‐402. Smayda T.J. (1997) What is a bloom? A commentary. Limnology and Oceanography 42: 1132‐1136. Sorhannus  U.  (2007)  A  nuclear‐encoded  small‐subunit  ribosomal  RNA  timescale  for  diatom  evolution.  Marine 

Micropaleontology 65: 1‐12. Stace C. A. (1991) Plant Taxonomy and Biosystematics. Cambridge University Press.  Stanier R.Y., Cohen‐Bazire G. (1977) Phototrophic prokaryotes: the cyanobacteria. Annual Reviews of Microbiology 31: 

225‐234. Stephenson A.L., Kazamia E., Dennis  J.S., Howe C.J., Scott S.A., Smith A.G.  (2010) Life‐cycle assessment of potential 

algal biodiesel production  in the United Kingdom: A comparison of raceways and Aair‐lift tubular bioreactors. Energy Fuels 24: 4062‐4077. 

Sym S.D., Pienaar R.N. (1993) The class Prasinophyceae. Progress in Phycological Research 9: 281‐376. Taylor F.J.R., Hoppenrath M., Saldarriaga J.F. (2008) Dinoflagellate diversity and distribution. Biodiversity Conservation 

17: 407‐418. Thomas D. (2002) Seaweeds. The Natural History Museum, London. 

Tredici M.R.  (2004) Mass Production of Microalgae: Photobioreactors.  In: Richmond A (ed.) Handbook of Microalgal Culture. Blackwell Science Ltd, Oxford, pp 178‐214. 

Tredici M.R. (2010) Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels 1: 143‐162. 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L. (2009) Advances in microalgal culture for aquaculture feed and  other  uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.,  (eds.)  New  Technologies  in  Aquaculture:  Improving  production efficiency, quality and environmental management. Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK, and CRC Press LLC, Boca Raton, FL, USA., pp. 610‐676. 

Tredici M.R., Chini Zittelli G., Rodolfi L. (2010) Photobioreactors In: Flickinger M.C., Anderson S. (eds) Encyclopedia of Industrial Biotechnology: Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA. Vol 6, pp. 3821‐3838. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 50 of 258 

Uduman  N.,  Qi  Y.,  Danquah  M.K.,  Forde  G.M.,  Hoadley  A.  (2010)  Dewatering  of  microalgal  cultures:  A  major bottleneck  to  algae‐based  fuels.  Journal  of  Renewable  and  Sustainable  Energy  2:  012701 doi:10.1063/1.3294480. 

Warwick B, Paul J.H., Campbell L., Griffin D., Houchin L., Fuentes‐Ortega A., Müller‐Karger F. (2003) Vertical structure of  the  phytoplankton  community  associated  with  a  coastal  plume  in  the  Gulf  of  Mexico.Marine  Ecology Progress Series 251: 87‐101.  

Wehr  J.D.,  Sheath  R.G.  (eds)  (2003)  Freshwater  algae  of  North  America:  Ecology  and  Classification.  Elsevier  Inc, Amsterdam. 

Whitton  B.A.,  Potts, M.  (2000)  The  ecology  of  cyanobacteria.  Their  diversity  in  time  and  space.  Kluwer Academic Publishers, Dodrecht. 

Wijffels R.H., Barbosa M.J. (2010) An outlook on microalgal biofuels. Science 329: 796‐799. Wilmotte A., Herdman M. (2001) Phylogenetic relationships among the cyanobacteria based on 16S rRNA sequences. 

In: Boone D.R., Castenholz R.W. (eds.) Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, 2nd Edition, vol. 1, Springer, New York, pp. 487–493. 

Woelkerling W.J.  (1990)  An  introduction.  In:  Cole  K.M.,  Sheath  R.G.  (eds.)  Biology  of  the  red  algae.  Cambridge University Press, Cambridge, pp. 1‐6. 

Wolk P.C. (1973) Physiology and cytological chemistry of blue‐green algae. Bacteriological Reviews 37: 32‐101. 

Worden A.Z. (2006) Picoeukaryote diversity in coastal waters of the Pacific Ocean. Aquatic Microbial Ecology 43: 165‐175.  

Xiaoqiang W., Vennison  S.J., Huirong  L.,  Ben‐Dov  E.,  Zaritsky A.,  Boussiba  S.  (1997) Mosquito  larvicidal  activity  of transgenic  Anabaena  strain  PCC  7120  expressing  combinations  of  genes  from  Bacillus  thuringiensis  subsp. Israelensis. Applied and Environmental Microbiology 63: 4971‐4974. 

Zah  R.,  Böni  H.,  Gauch M.,  Hischier  R.,  Lehmann M., Wäger  P.  (2007)  Life  cycle  assessment  of  energy  products: Environmental  assessment  of  biofuels. http://www.bioenergywiki.net/images/8/80/Empa_Bioenergie_ExecSumm_engl.pdf. 

 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 51 of 258 

7 Prokaryotic microalgae 

7.1 Cyanobacteria 

7.1.1 Arthrospira sp. (common name spirulina)  

 

 Figure 10 ‐ Arthrospira jenneri 

Picture from http://www‐cyanosite.bio.purdue.edu 

             SYMBOLS:    B, PIV  

 TAXONOMY 

Botanical Code 

Phylum  Cyanobacteria Class  Cyanophyceae Order  Oscillatoriales Family  Phormidiaceae Genus  Arthrospira Species   

 Microbiological Code 

Group  Cyanobacteria Subsection  3 Family  3.1 Genus  Arthrospira 

 

Important Species  

A. fusiformis, A. jenneri, A. maxima, A. platensis  

BIOLOGY Arthrospira  (Spirulina)  is a microscopic blue‐green alga  in the shape of a spiral coil,  living both  in sea and fresh water. Spirulina  is  the common name  for human and animal  food supplements produced primarily from two species of cyanobacteria: Arthrospira platensis, and Arthrospira maxima. Though referred  to as 'algae' because  they are aquatic organisms capable of photosynthesis, cyanobacteria are not  related  the eukaryotic algae (Vonshak, 1997). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 52 of 258 

Arthrospira  is  cultivated around  the world, and  is used as a human dietary  supplement, as well as a whole food, and  is available  in tablet, flake, and powder form. It  is also used as a feed supplement  in the aquaculture, aquarium, and poultry industries (Ciferri, 1983). 

Arthrospira  are  free‐floating  filamentous  cyanobacteria  characterized  by  cylindrical,  multicellular trichomes in an open left‐hand helix. They occur naturally in tropical and subtropical lakes with high pH and high concentrations of carbonate and bicarbonate. Arthrospira platensis occurs  in Africa, Asia and South America, whereas Arthrospira maxima is confined to Central America. These species were once classified in the genus Spirulina. They are  in fact Arthrospira; nevertheless, the older term Spirulina remains  in use for historical reasons. Spirulina was found  in abundance at Lake Texcoco by French researchers  in the 1960s, but there is no reference to its use there as a daily food source after the 16th century. The first large‐scale Spirulina production plant, run by Sosa Texcoco, was established there in the early 1970s. 

Spirulina may have an even longer history in Chad, as far back as the 9th century Kanem Empire. It is still in daily use  today, dried  into cakes called dihé, harvested  from small  lakes and ponds around Lake Chad (Abdulqader et al., 2000). 

Biochemical composition of algae and aquatic biomass: main constituents 

Spirulina  contains  an  unusually  high  amount  of  protein  with,  between  55%  and  77%  of  dry  weight (Babadzhanov et al., 2004; Tokusoglu et al., 2003).  It  is a complete protein source containing all essential amino  acids,  though with  reduced  amounts  of methionine,  cysteine,  and  lysine when  compared  to  the proteins of meat, eggs, and milk. It is, however superior to typical plant protein, such as that from legumes. Spirulina is rich in gamma‐linolenic acid (GLA), and also contains alpha‐linolenic acid (ALA), linoleic acid (LA), stearidonic acid (SDA). Spirulina also contains vitamin B1 (thiamine), B2 (riboflavin), B3 (nicotinamide), B6 (pyridoxine), B9  (folic  acid),  vitamin C,  vitamin D,  vitamin A,  and  vitamin E.  Spirulina  is  a  rich  source of potassium,  and  also  contains  calcium,  chromium,  copper,  iron,  magnesium,  manganese,  phosphorus, selenium, sodium, and zinc. Spirulina  contains many pigments,  including  chlorophyll a, beta‐carotene, echinenone, myxoxanthophyll, zeaxanthin,  canthaxanthin,  diatoxanthin,  3'‐hydroxyechinenone,  beta‐cryptoxanthinand,  oscillaxanthin, plus the phycobiliproteins c‐phycocyanin and allophycocyanin (Leema et al., 2010) 

 

BIOTECHNOLOGY 

Culture media  

Spirulina  can  live  in  a  wide  range  of  media  with  elevated  salinity  and  high  alkalinity.  See http://www.antenna.ch/en/malnutrition/grow‐your‐own‐spirulina.html) for an exemplary growth medium. 

Cultivation methods 

Since Spirulina cultivation does not  include a stress phase, the algae can be cultivated  in semi continuous mode with a daily, constant amounts being harvested maintaining the culture in a stable state.  The optimal temperature for growth is 35‐38 °C while the minimum is 15‐20 °C.  

Production system 

Spirulina  is being produced  in natural open water bodies of  suitable  temperature,  salinity and alkalinity, and in raceway ponds cultivation using appropriate growth media. Most cultivated Spirulina is produced in open‐channel raceway ponds, with paddle‐wheels used to agitate the waterculture. The largest commercial producers of  Spirulina  are  located  in  the United  States,  Thailand,  India,  Taiwan, China, Pakistan, Burma 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 53 of 258 

(a.k.a. Myanmar)  and  Chile  (Borowitzka,  1992;  1999; Vonshak  (ed.),  1997).  Paddle wheels  speed  in  the order of 20 cm s‐1 has been recommended. 

Spirulina cultivation may be carried out in closed and open systems. The first one involve laboratory and pilot‐scale photobioreactors  (Vonshak  (ed.), 1997; Tredici and Chini Zittelli, 1998), not used  in  industrial production. 

CO2 supply is not normally required as the high pH facilitates uptake of CO2 from the atmosphere, and sodium sodium bicarbonate may serve as carbon source. 

Harvesting methods and Biomass processing 

Spirulina  is  forming  large  aggregates  and  can  be  harvested  easily  using  nets.  Filtration  is  simply accomplished by passing the culture through a fine weave cloth, using gravity as the driving force. Synthetic fibre cloth (especially polyamide or polyester) with a mesh size of about 30 to 50 microns is the preferred filtering mediumdevice. Supporting the filtration cloth by a fine net will accelerate somewhat the filtration and protect the cloth against rupturing, but a simple bag made from the cloth works well also. The biomass is dried usually spray‐dried and transformed to pills directly. 

Scaling up limitation 

For  a  health  product  contaminating  contamination  by  small  animals  can  pose  a  serious  problem.  Since Spirulina prefers temperatures above 30 degrees centigrade, reduced temperatures during winter even  in subtropical climates require temporary breaks in the production process.  

HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY 

Spirulina is one of only two algal species (together with Chlorella) that has been cultivated for decades in a variety of ponds and bioreactors. 

Production price is estimated at $ 5 per kg, and dried algae are sold as food and feed additives only. 

 

References 

Abdulqader, G., Barsanti,  L., Tredici, M.  (2000) Harvest of Arthrospira platensis  from  Lake Kossorom  (Chad) and  its household usage among the Kanembu. Journal of Applied Phycology 12: 493‐498. 

Babadzhanov  A.S.,  Abdusamatova  N.,  Yusupova  F.M.,  Faizullaeva  N.,  Mezhlumyan  L..G.,  Malikova  M.K..  (2004)  Chemical composition of Spirulina platensis cultivated in Uzbekistan. Chemistry of Natural Compounds. 40: 276‐279. 

Borowitzka M.A.  (1992)  Algal  biotechnology  products  and  processes  ‐ matching  science  and  economics.  Journal  of  Applied Phycology 3: 267‐279. 

Borowitzka M.A.  (1999) Commercial production of microalgae: ponds,  tanks,  tubes and  fermenters.  Journal of Biotechnology 70: 313‐321. 

Ciferri O. (1983) Spirulina, the edible microorganism. Microbiological Reviews 47: 551‐578.  Garrity G.M., Boone D.R., Castenholz R.W. (eds) (2004) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition, Volume 1, The 

Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria, Springer. Leema  J.T.M.,  Kirubagaran  R.,  Vinithkumar  N.V.,  Dheenan  P.S.,  Karthikayulu  S.  (2010)  High  value  pigment  production  from 

Arthrospira (Spirulina) platensis cultured in seawater. Bioresource Technology 101: 9221‐9227. Tokusoglu O., Unal M.K. (2003) Biomass nutrient profiles of three microalgae: Spirulina platensis, Chlorella vulgaris, and Isochrysis 

galbana. Journal of Food Science 68: 1144‐1148. Vonshak, A.  (ed.)  (1997)  Spirulina platensis  (Arthrospira): Physiology, Cell‐biology  and Biotechnology.  London:  Taylor &  Francis, 

1997. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 54 of 258 

 

7.1.2 Phormidium sp.  

 

 Figure 11 ‐ Phormidium autumnale 

Picture from http://botany.natur.cuni.cz/skaloud/Cyano/Phoaut.htm 

  

             SYMBOLS:                        D, H  

TAXONOMY 

Botanical Code 

Phylum  Cyanobacteria Class  Cyanophyceae Order  Oscillatoriales Family  Phormidiaceae Genus  Phormidium Species   

 Microbiological Code 

Group  Cyanobacteria Subsection  3 Family  3.1 Genus  Lyngbya (including Phormidium) 

 

Related Species  

There are 635 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 161 have been flagged as currently accepted taxonomically.     

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 55 of 258 

BIOLOGY 

Trichomes  are  isopolar, more  or  less  straight,  coiled  or waved,  usually  2‐14  μm wide,  uniserial,  never branched, composed of cylindrical up to slightly barrel‐shaped cells, more or less isodiametrical or slightly shorter or  longer  than wide, constricted or unconstricted at  the cross walls, not attenuated and bent or screw‐like twisted towards the ends, motile (waving, creeping, oscillations) within and out of sheaths. End cells widely  rounded,  attenuated  or  pointed,  sometimes with  calyptra.  Sheaths  develop  facultatively  in different frequencies only  in suboptimal conditions, or  in dependence on changing environmental factors, or regularly  in all conditions. Sheaths are tube‐like,  firm, colourless,  joined to the trichomes, not  layered, opened at the ends, containing always only one trichome. Cell content usually blue‐green, rarely brownish, pinkish  or  violet,  sometimes  modifications  with  stable  PE:PC  ratio  occur;  thylakoids  situated perpendicularly to the cell wall  (radially  in a cross section). Cell division crosswise, perpendicularly to the long axis of a trichome, daughter cells grow  up to the original size before the next division. All cells capable of division with the exception of apical ones. Reproduction by hormogonia, which separate at the end parts of trichomes by help of necridic cells or by fragmentation of whole trichomes with necridic cells.  

Rarely solitary  filaments, usually  in mats on different aeric or water substrates  (soil, wet rocks, mud, water plants, stones and woods in both stagnant and streaming waters), some species occur in the marine littoral. Several species are known from extreme habitats (thermal springs, desert soils, etc.), few of them take part in the biolithogenic processes and form travertine crusts in limestone water biotopes. 

BIOTECHNOLOGY 

Phormidium has been proposed by many authors for treatment of different effluents (swine, aquaculture, municipal,  industrial)  due  to  its  ability  to  remove  nutrients  and  to  degrade  pollutants  as  phenols  and hydrocarbons  (Cañizares‐Villanueva  et  al.,  1994;  Dumas  et  al.,  1998;  Satheesh  Kumar  et  al.,  2009; Shashirekha et al., 1997).  

Phormidium  extracts  have  shown  antimicrobial  activity  in  many  screenings  (Biondi  et  al.,  2008; Rodríguez‐Meizoso et al., 2008) and several bioactive molecules have been  individuated, such as anti‐HIV glycolipids and hierridin, a molecule with antiplasmodial activity (Gustafson et al., 1989; Papendorf et al., 1998). A bioactive Antarctic P. priestleyi was cultivated under continuous illumination at low intensity in a 10‐L bubbled  reactor obtaining productivies of 95 mg  L‐1 day‐1  (Biondi et al., 2008). At present, extracts from Phormidium persicinum have been  included  in  cosmetic products as  skin  rejuvenator  (Morvan and Valee, 2007, 2010). 

Though  the  studies have  all been  limited  to  laboratory  scale, Phormidium have been  considered  for hydrogen  production  (Patel  and  Madamwar,  1994;  Prabaharan  and  Subramanian,  1996)  and  also  for biodiesel production (Francisco et al., 2010). 

References 

Biondi N.,  Tredici M.R.,  Taton  A., Wilmotte  A., Hodgson D.A.,  Losi D., Marinelli  F.  (2008)  Cyanobacteria  from  benthic mats  of Antarctic lakes as a source of new bioactivities. Journal of Applied Microbiology 105: 105‐115. 

Cañizares‐Villanueva R.O., Ramos A., Corona A.I., Monroy O., De  La  Torre M., Gomez‐Lojero C.,  Travieso  L.  (1994) Phormidium treatment of anaerobically treated swine wastewater. Water Research 28: 1891‐1895. 

Dumas A., Laliberté G., Lessard P., de la Noüe J. (1998) Biotreatment of fish farm effluents using the cyanobacterium Phormidium bohneri. Aquacultural Engineering 17: 57‐68. 

Francisco  E.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. 

Gomont M.  (1892  '1893'). Monographie des Oscillariées  (Nostocacées homocystées). Annales des Sciences Naturelles, Botanique, Series 7 16: 91‐264, Plates 1‐7. [BIOLOGY section] 

Garrity G.M., Boone D.R., Castenholz R.W. (eds) (2004) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition, Volume 1, The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria, Springer. [BIOLOGY section] 

Gustafson K.R., Cardellina II J.H., Fuller R.W., Weislow O.S., Kiser R.F., Snader K.M., Patterson G.M.L, Boyd M.R (1989) AIDS‐antiviral sulfolipids from cyanobacteria (blue‐green algae). Journal of the National Cancer Institute 81: 1254‐1258. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 56 of 258 

Komarek J. (1992) in: http://www.cyanodb.cz/Phormidium [BIOLOGY section] Morvan P.Y., Vallee R. (2007) Effect of micro‐algal extracts on thioredoxin expression  in human skin cells and their protection for 

skin. IFSCC Magazine, 10(2): 119‐126. Morvan P.Y., Vallee R. (2010) New solution for brighter and younger skin. PersonalCare Magazine, June 2010. Papendorf O., Konig G.M., Wright A.D. (1998) Hierridin B and 2,4‐dimethoxy‐6‐heptadecyl‐phenol, secondary metabolits from the 

cyanobacterium Phormidium ectocarpi with antiplasmodial activity. Phytochemistry 49: 2383‐2386. Patel  S., Madamwar D.  (1994) Photohydrogen production  from  a  coupled  system of Halobacterium Halobium  and Phormidium 

valderianum. International Journal of Hydrogen Energy 19: 733‐738.  Prabaharan D., Subramanian G. (1996) Oxygen‐free hydrogen production by the marine cyanobacterium Phormidium valderianum 

BDU 20041. Bioresource Technology 57: 111‐116. Rodríguez‐Meizoso  I.,  Jaime L., Santoyo S., Cifuentes A., García‐Blairsy Reina G., Señoráns F.J.,  Ibáñez E.  (2008) Pressurized  fluid 

extraction of bioactive compounds from Phormidium species. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56: 3517‐3523. Satheesh Kumar M., Muralitharan G., Thajuddin N. (2009) Screening of a hypersaline cyanobacterium, Phormidium tenue, for the 

degradation of aromatic hydrocarbons: naphthalene and anthracene. Biotechnology Letters 31: 1863‐1866. Shashirekha S., Uma L., Subramanian G. (1997) Phenol degradation by the marine cyanobacterium Phormidium valderianum BDU 

30501. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 19: 130‐133. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 57 of 258 

 

7.1.3 Anabaena sp.  

 

 Figure 12 ‐ Anabaena siamensis 40x 

Picture from UNIFI 

 

             SYMBOLS:                         H  

 

TAXONOMY 

Botanical Code 

Phylum  Cyanobacteria Class  Cyanophyceae Order  Nostocales Family  Nostocaceae Genus  Anabaena Species   

 Microbiological Code 

Group  Cyanobacteria Subsection  4 Family  4.1 Genus  Anabaena 

 

Species  

There are 536 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 80 have been flagged as currently accepted taxonomically.   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 58 of 258 

 

BIOLOGY 

Anabaena  trichomes are untapered with constrictions at  the cross‐walls. They can be straight, curved or helical. The cells are cylindrical, spherical or barrel‐shaped and, usually, broader than longer with a width of 2‐10 μm. The terminal cell may be round, tapered or conical. Heterocysts are intercalary, terminal or both and thei shape, usually spherical to barrel‐shaped, may be conical when terminal. Akinetes are formed with a species‐dependent position  in  the  trichome. No  trichome sheath, but often a mucilaginous covering,  is present. Trichomes are usually motile. Reproduction is by trichome fragmentation. Gas vesicles are present in a number of species, especially planktonic. 

Anabaena  is  a main  component  of  freshwater  and  saline  lake  phytoplankton. Marine  species  also occur,  but  never  dominate  phytoplankton  community.  Several  Anabaena  species  are  able  to  produce toxins: the neurotoxins anatoxin‐a (A. flos‐aquae, A. circinalis, A. mendotae, A. planktonica, Anabaena sp.), anatoxin‐a(S)  (A.  flos‐aquae),  saxitoxin  (A.  circinalis),  and  BMAA  (A.  variabilis,  Anabaena  sp.)  and  the hepatotoxins microcystin‐LR (A. flos‐aquae, A. circinalis, A.  lemmermannii, A. subcylindrica, Anabaena sp.) and cylindrospermopsin (A. bergii, A. lapponica). 

Anabaena  has  been  the model  organism  for  studies  on  cyanobacterial  nitrogen  fixation,  including heterocyst structure and nitrogen  fixation genes. This genus  includes both obligate photoautotrophs and facultative heterotrophs. 

BIOTECHNOLOGY 

Besides  toxins Anabaena  can produce a number of bioactive molecules,  such as enzyme  inhibitors  (e.g., circinamide,  anabaenopeptilides),  cardioactive molecules  (e.g.,  anabaenopeptins,  pawainaphycin  C),  and antimicrobial agents  (e.g., bastadins,  laxaphycins,  spiroidesin),  that may have a potential  interest  for  the pharmaceutical industry. 

Freshwater  Anabaena  strains  are  cultivated  in  Allen  and  Arnon  (1955)  growth  medium  or  BG110 (Rippka et al., 1979), while marine  strains are usually cultivated  in ASP‐2 medium without nitrogen  (Van Baalen, 1962). 

Outdoor  cultures  of  Anabaena  have  been  performed,  to  verify  the  production  potential  of biotechnologically interesting polysaccharides, in a 1‐m2 deep open pond obtaining biomass productivities (with  a  10‐cm  deep  culture)  from  9  to  23  g m‐2  day‐1  depending  on  the  season, with  a  photosynthetic efficiency around 2.4% and  in a 55‐L airlift tubular photobioreactor, obtaining volumetric productivities of 0.4 g L‐1 day‐1 correspondint to 9‐10g m‐2 day‐1 in winter (Moreno et al., 2003). Hu et al. (1996) studied the effect  of  light  path  length,  mixing  mode,  cell  density  and  dilution  rate  on  productivity  of  Anabaena siamensis  using  a  flat  inclined modular  photobioreactor,  obtaining with  air  bubbling  at  the  optimal  cell density of 3.2 ± 0.7 g L‐1 maximum productivities of ca 1.43 g L‐1 day‐1 with a light path of 2.6 cm. 

Research on hydrogen production by Anabaena started in the 1970s (Benemann and Weare, 1974) and after numerous  laboratory researches (Lopes‐Pinto et al., 2002), has  led to some small scale experiments outdoors.  In  a  4.35‐L  volume  photobioreactor  made  of  10‐mm  internal  diameter  PVC  tubing  with  A. variabilis mutant  (PK84) Tsygankov  et al.  (2002) obtained  a  very  low efficiency of  conversion  from  light energy  into  biomass  (maximum  0.82%)  and  into  hydrogen  (maximum  0.094%).  With  the  same photobioreactor,  Lindlblad  et al.  (2002) obtained  a maximum  conversion  efficiency of 0.042% using  the hydrogen uptake deficient mutant AMC 414 of Anabaena PCC 7120. Using  a  gas‐tight box with outside dimensions of 136.8 x 108.6 x 13 cm and  internal dimensions of 128.4 x 100.2 x 13 cm, containg 20 L of culture  and  8  L  of  glass  beads  and  ca  158‐L  of  gas  phase,  Smith  and  Lambert  (1981)  obtained  with Anabaena cylindrica a sustained hydrogen production for over one month. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 59 of 258 

 

References 

Allen M.B., Arnon D.I. (1955) Studies on nitrogen‐fixing blue‐green algae. 1. Growth and nitrogen‐fixation by Anabaena cylindrica Lemm. Plant Physiology 30: 366‐372. 

Benemann J.R., Weare N.M.(1974) Hydrogen evolution by nitrogen‐fixing Anabaena cylindrica cultures. Science 184: 174‐175. Bornet, É. and Flahault, C. (1886 '1888'). Revision des Nostocacées hétérocystées contenues dans les principaux herbiers de France. 

Annales des Sciences Naturelles, Botanique, Septième Série 7: 177‐262. [BIOLOGY section] Burja  A.M.,  Banaigs  B.,  Abou‐Mansour  E.,  Burgess  J.G., Wright  P.C.  (2001) Marine  cyanobacteria  –  a  prolific  source  of  natural 

products. Tetrahedron 57: 9347‐9377. Castenholz R.W. (1989) Family I. Nostocaceae. Genus I. Anabaena Bory de St. Vincent 1822.. In: Staley J.T., Bryant M.P., Pfennig N., 

Holt  J.G.  (eds.)  Bergey’s Manual  of  Systematic  Bacteriology,  Volume  3, Williams  & Wilkins,  Baltimore,  pp.  1783‐1785. [BIOLOGY section] 

Garrity G.M., Boone D.R., Castenholz R.W. (eds) (2004) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition, Volume 1, The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria, Springer. [BIOLOGY section] 

Hu Q., Guterman H., Richmond A. (1996) A Flat Inclined Modular Photobioreactor for outdoor mass cultivation of photoautotrophs. Biotechnology and Bioengineering, 51: 51‐60. 

Jaiswal P., Kumar Singh P., Prasanna R. (2008) Cyanobacteria bioactive molecules ‐ an overview of their toxic properties. Canadian Journal of Microbiology 54: 701‐717. 

Lindblad P., Christensson K., Lindberg P., Fedorov A., Pinto F., Tsygankov A. (2002) Photoproduction of H2 by wildtype Anabaena PCC 7120 and a hydrogen uptake deficient mutant: from laboratory experiments to outdoor culture. International Journal of Hydrogen Energy 27: 1271‐1281. 

Lopes Pinto F.A., Troshina O., Lindblad P.  (2002) A brief  look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution International Journal of Hydrogen Energy 27: 1209‐1215. 

Moreno  J.,  Vargas  M.A.,  Rodríguez  H.,  Rivas  J.,  Guerrero  M.G.  (2003)  Outdoor  cultivation  of  a  nitrogen‐fixing  marine cyanobacterium, Anabaena sp. ATCC 33047. Biomolecular Engineering 20: 191‐197. 

Rippka R., Deruelles J., Waterbury J.B., Herdman M., Stanier R.Y. (1979) Generic assignments strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. Journal of General Microbiology 111: 1‐61. 

Sivonen K., Börner T.  (2008) Bioactive compounds produced by cyanobacteria.  In: Herreo A., Flores E.  (eds.) The Cyanobacteria. Molecular Biology, Genetics and Evolution, Caister Academic Press, Norfolk (UK), pp. 159‐191. 

Smith  G.D.,  Lambert  G.R.  (1981)  An  outdoor  biophotolytic  system  using  the  cyanobacterium  Anabaena  cylindrica  B629. Biotechnology and Bioengineering 23:. 213‐220. 

Tsygankov A.A.,  Fedorov A.S., Kosourov  S.N., Rao K.K.  (2002) Hydrogen production by  cyanobacteria  in  an  automated outdoor photobioreactor under aerobic conditions. Biotechnology and Bioengineering 80: 777‐783. 

Van Baalen C. (1962) Studies on marine blue‐green algae. Botanica Marina 4: 197‐201. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 60 of 258 

 

7.1.4 Synechococcus sp. 

 

 Figure 13 ‐ Synechococcus sp. 100x 

Picture from UNIFI 

  

             SYMBOLS:                        H, E  

TAXONOMY 

Botanical Code 

Phylum  Cyanobacteria Class  Cyanophyceae Order  Synechococcales Family  Synechococcaceae Genus  Synechococcus Species   

 Microbiological Code 

Group  Cyanobacteria Subsection  1 Family  1.1 Genus  Synechococcus 

Species  

There are 75 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 34 have been flagged as currently accepted taxonomically. 

BIOLOGY 

Cells are solitary or grouped in microscopic or macroscopic, irregular clusters, but not forming mucilaginous colonies;  cells  sometimes  in  short  series  of  pseudofilamentous  formations  with  2‐4  (up  to  20)  cells. Mucilage is absent or very fine, colourless, homogeneous, diffluent, around single cells. Cells are long oval 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 61 of 258 

or cylindrical, sometimes several times longer than wide, straight, arcuate or sigmoid, 1.5 up to more than 20 μm long and 0.4‐6 (up to 11) μm wide. Thylakoids are parietal. Cells divide by binary fission, transversely (always in one plane in successive generations, perpendicular to the longitudinal axis) into two isomorphic or different  (after asymmetric binary  fission) daughter  cells, which occasionally  remain  joined  for  longer period  in  pairs.  Different  cyanobacteria  commonly  designated  as  Anacystis  nidulans  and  Agmenellum quadruplicatum belong to this genus (=Synechococcus nidulans). The Synechococcus‐group  is a provisional assemblage which can be defined as unicellular coccoid to rod‐shaped cyanobacteria that divide by binary fission in a single plane. It is subdivided into several clusters. Most of the Synechococus‐group members are obligate photoautotrophs. 

Synechococcus  species  occur  in  ecologically  extreme  conditions  (e.g.  thermophilic  Synechococcus lividus, S. bigranulatus). Several species grow within mats and colonies of other algae, or form fine colonies on wet  substrates  (mud, wood,  stones,  etc.)  Interesting  picoplanctic  or  planktic  species were  found  in oceans as well as in freshwater reservoirs (e.g., S. rhodobactron). 

BIOTECHNOLOGY 

Synechococcus has been investigated as a hydrogen producer (Kumazawa and Mitsui, 1994; Lopes‐Pinto et al., 2002).  Its main biotechnological  interest  is  its  transformability,  that allowed  insertion of genes  from other  bacteria,  in  order  to  enchance  production  of  naturally  occurring  molecules  such  as  poly‐β‐hydroxybutyrate  (Miyake  et  al.,  2000;  Nishioka  et  al.,  2001),  interesting  for  bio‐plastic  production,  or exogenous molecules such as ethanol (Deng and Coleman, 1999) or isobutyraldehyde (Atsumi et al., 2009), a precursor of butanol ‐a potential fuel ‐, that could be obtained directly from CO2 and sunlight.   

References 

Atsumi  S.,  Higashide  W.,  Liao  J.C.  (2009)  Direct  photosynthetic  recycling  of  carbon  dioxide  to  isobutyraldehyde.  Nature Biotechnology 27: 1177‐1182.  

Deng M.D., Coleman J.R. (1999) Ethanol synthesis by genetic engineering in cyanobacteria. Applied and Environmental Microbiology 65: 523–528. 

Garrity G.M., Boone D.R., Castenholz R.W. (eds) (2004) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition, Volume 1, The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria, Springer. [BIOLOGY section] 

Herdman M., Castenholz R.W., Iteman I., Waterbury J.B., Rippka R. (2001) The Archaea and the deeply branching and phototrophic bacteria.  In:  Boone D.R.,  Castenholz  R.W.  (eds.)  Bergey's Manual  of  Systematic  Bacteriology,  2nd  edn.  Springer  Verlag: Heidelberg. [BIOLOGY section] 

Komárek J. (1992) in: http://www.cyanodb.cz/Synechococcus [BIOLOGY section] Komárek J., Anagnostidis K. (1998) Cyanoprokaryota 1. Teil: Chroococcales. ‐ In: Ettl H., Gärtner G., Heynig H., Mollenhauer D. (eds.) 

Süsswasserflora von Mitteleuropa 19/1, Gustav Fischer, Jena‐Stuttgart‐Lübeck‐Ulm. [BIOLOGY section] Kumazawa  S., Mitsui A.  (1994)  Efficient  hydrogen  photoproduction  by  synchronously  grown  cells  of  a marine  cyanobacterium, 

Synechococcus sp. Miami BG 043511, under high cell density conditions. Biotechnology and Bioengineering 44: 854‐858. Lopes Pinto F.A., Troshina O., Lindblad P.  (2002) A brief  look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution 

International Journal of Hydrogen Energy 27: 1209‐1215. Miyake M.,  Takase  K.,  Narato M.,  Khatipov  E.,  Schnackenberg  J.,  Shirai M.,  Kurane  R.,  Asada  Y.  (2000)  Polyhydroxybutyrate 

production from carbon dioxide by cyanobacteria. Applied Biochemistry and Biotechnology 84–86: 991‐1002. Nägeli  C.  (1849)  Gattungen  einzelliger  Algen,  physiologisch  und  systematisch  bearbeitet.  Neue  Denkschriften  der  Allg. 

Schweizerischen Gesellschaft für die Gesammten Naturwissenschaften 10: i‐viii, 1‐139, pls I‐VIII. [BIOLOGY section] Nishioka M., Nakai K., Miyake M., Asada Y., Taya M. (2001) Production of poly‐β‐hydroxybutyrate by thermophilic cyanobacterium, 

Synechococcus sp. MA19, under phosphate‐limited conditions. Biotechnology Letters 23: 1095‐1099. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 62 of 258 

7.1.5 Synechocystis sp. 

 

 Figure 14 ‐ Synechocystis sp. PCC 6308 

Picture from www.ibvf.cartuja.csic.es/ 

              SYMBOLS:                   H, E   

TAXONOMY 

Botanical Code 

Phylum  Cyanobacteria Class  Cyanophyceae Order  Synechococcales Family  Merismopediaceae Genus  Synechocystis Species   

 Microbiological Code 

Group  Cyanobacteria Subsection  1 Family  1.1 Genus  Synechocystis 

Species 

There are 30 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 25 have been flagged as currently accepted taxonomically. 

BIOLOGY 

Cells are solitary, spherical or widely oval, after division hemispherical and  for a short  time  the  two cells remain attached together. Cells are without mucilage or with narrow, fine, colourless and usually diffluent and  indistinct mucilaginous  envelopes.  In  several  strains  the  cell walls  contain  a  special  «S‐layer» with characteristical  hexagonal  substructure.  It  never  forms  colonies.  Cell  division  occurs  by  binary  fission 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 63 of 258 

(mainly by pinching) into two morphologically equal daughter cells, which reach the original globular shape before  next  division;  cells  always  divide  in  two  perpendicular  planes  in  successive  generations.  If mucilaginous envelopes are formed around the cells, they split together with dividing cells. Synechocystis has  been  widely  investigated  from  the  physiology  and  genetic  point  of  view  and  some  strains  (e.g., Synechocystis PCC 6803) are among the most well‐known cyanobacteria. 

Several species are planktonic in freshwater reservoirs or in saline or sea waters, other grow in pools of thermal and mineral springs, of brackish swamps or in moors.  

BIOTECHNOLOGY 

Its  biotechnology  is  very  similar  to  that  of  Synechoccoccus.  It  is  a  potential  producer  of polyhydroxyalkanoates (Sudesh et al., 2001; Wu et al., 2001). It has been studied for hydrogen production (Lopes‐Pinto  et  al.,  2002;  Angermayr  et  al.,  2009)  as  well  as,  being  easily  transformable,  for  ethanol production after being genetic engineered (Dexter and Fu, 2009).  

References 

Angermayr  A.,  Hellingwerf  K.J.,  Lindblad  P.,  Teixeira  de Mattos M.J.  (2009)  Energy  biotechnology with  cyanobacteria.  Current Opinion in Biotechnology 20: 257‐263. 

Dexter J., Fu P. (2009) Metabolic engineering of cyanobacteria for ethanol production. Energy and Environmental Science 2: 857‐864. 

Garrity G.M., Boone D.R., Castenholz R.W. (eds) (2004) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition, Volume 1, The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria, Springer. [BIOLOGY section] 

Komárek J. (1992) in: http://www.cyanodb.cz/Synechocystis [BIOLOGY section] Komárek J., Anagnostidis K. (1998) Cyanoprokaryota 1. Teil: Chroococcales. ‐ In: Ettl H., Gärtner G., Heynig H., Mollenhauer D. (eds.) 

Süsswasserflora von Mitteleuropa 19/1, Gustav Fischer, Jena‐Stuttgart‐Lübeck‐Ulm. [BIOLOGY section] Lopes Pinto F.A., Troshina O., Lindblad P.  (2002) A brief  look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution 

International Journal of Hydrogen Energy 27: 1209‐1215. Sauvageau C. (1892) Sur les algues d'eau douce recoltées en Algérie pendant le session de la societé botanique en 1982. Bulletin de 

la Société Botanique de France 34: 104‐128. [BIOLOGY section] Sudesh K., Taguchi K., Doi Y. (2001) Can cyanobacteria be a potential PHA producer? RIKEN Review 42: 75‐76. Wu  G.F.,  Wu  Q.Y.,  Shen  Z.Y.  (2001)  Accumulation  of  poly‐β‐hydroxybutyrate  in  cyanobacterium  Synechocystis  sp.  PCC6803. 

Bioresource Technology 76: 85‐90. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 64 of 258 

8 Eukaryotic microalgae 

8.1 Chlorophyta 

8.1.1 Ostreococcus sp. 

                            Figure 15 ‐ Ostreococcus taurii 

http://genome.jgi‐psf.org/Ostta4/Ostta.jpg&imgrefurl=http://genome.jg

i‐psf.org/Ostta4/Ostta4.home 

Figure 16 ‐ Ostreococcus lucimarinus http://bioinformatics.psb.ugent.be/plaza/img/organisms/Ostreococcus_lu

cimarinus 

                 SYMBOLS:   

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Prasinophyceae Order  Mamiellales Family  Mamiellaceae Genus  Ostreococcus Species   

Related Species  

O. taurii, O. lucimarinus 

BIOLOGY 

Ostreococcus  tauri and  related  species are  the  smallest known eukaryotes. They are  similar  to  flattened spheres in shape nearly 1 μm in diameter. The most striking feature of O. tauri and related species is their minimal  cellular organization: a naked  cell,  lacking  flagella, with a  single  chloroplast and mitochondrion, and a small genome (12 Mbp). Ostreococcus is a globally abundant picoeukaryote in the euphotic zone.  

Recent  work  has  shown  that  small‐subunit  rDNA  sequences  of  Ostreococcus  from  cultures  and environmental  samples  cluster  into  four  different  clades  that  are  likely  distinct  enough  to  represent different  species.  Light  and  nutrient  conditions  experienced  by  surface  and  deep  isolates  could  be  the 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 65 of 258 

driving  factors  behind  their  genetic  divergence.  Comparative  analysis  of  Ostreococcus  sp.  will  help  to understand niche differentiation in unicellular eukaryotes and evolution of genome size in eukaryotes.  

BIOTECHNOLOGY 

At present, no biotechnological development has been reported for this alga. However, it one of the most studied algae for genetic analysis (Hallmann, 2007) and it is important for the possibilities to have an insight in metabolic and genetic pathways of metabolite production and growth processes.   

References 

Palenik B., Grimwood  J., Aerts A.  et al.  (2007)  The  tiny  eukaryote Ostreococcus provides  genomic  insights  into  the paradox  of plankton speciation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 104: 7705‐7710. [BIOLOGY section] 

Rodríguez  F.,  Derelle  E.,  Guillou  L.,  Le  Gall  F.,  Vaulot  D.,  Moreau  H.  (2005)  Ecotype  diversity  in  the  marine  picoeukaryote Ostreococcus (Chlorophyta, Prasinophyceae). Environmental Microbiology 7: 853‐859. [BIOLOGY section] 

Hallmann A. (2007) Algal transgenics and biotechnology. Transgenic Plant Journal 1: 81‐98. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 66 of 258 

 

8.1.2 Tetraselmis sp 

 

 Figure 17 ‐ Tetraselmis chuii 

CNRS, Station Biologique de Roscoff 

http://planktonnet.awi.de 

 

 SYMBOLS:                                         D, E, PIV  

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Prasinophyceae Order  Chlorodendrales Family  Chlorodendraceae Genus  Tetraselmis Species   

Related Species 

T. alacris, T. apiculata, T. ascus, T. astigmatica, T.  chuii, T.  convolutae, T.  cordiformis, T. desikacharyi, T. gracilis,  T.  hazeni,  T.  impellucida,  T.  inconspicua,  T.  levis,  T. maculata,  T. marina,  T. micropapillata,  T. rubens, T. striata, T. suecica, T. tetrabrachia, T. tetrathele, T. verrucosa, T. wettsteinii. 

BIOLOGY 

Structural and morphological features 

Tetraselmis is a marine green flagellate. The four flagella of this alga, inserted in an anterior depression of the cell, are covered by scales of different types: pentagonal, rod‐shaped and hair scales and, only in some strains, knotted scales (Barsanti and Gualtieri, 2006). Most species of the genus usually are encountered as solitary, free‐swimming, thecate cells. Cell wall or theca  is formed by the fusion of scales similar to those found  covering  the  flagella  (Nozaki,  2003).  Cells  are  ovoid  or  ellipsoidal,  somewhat  compressed equatorially.  In  the  case of Tetraselmis  suecica  cells have an average  size of 10 x 8 µm and a weight of about 200 pg. The chloroplast is single, cup shaped with one pyrenoid (in the species were it is present) and a stigma. The asexual reproduction is by bipartition within the theca, while sexual reproduction is unknown 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 67 of 258 

(Nozaki, 2003).  It  is a very common component  in  inshore marine environments,  tide pools  in particular, but there are also seven freshwater species (Nozaki, 2003). Tetraselmis is a very robust microorganism able to  resist  to  extreme  pH,  salinity  and  temperature  and  to  adapt  to  rapid  changes  in  environmental conditions. This feature makes  it particularly suitable for outdoor mass cultivation. Among the 50 species known, the most widely used are the marine T. suecica, T. chui and T. tetrathele. 

Gross composition under optimal and stressed conditions 

Tetraselmis suecica has a high protein content (up to 40‐50%). Carbohydrate is about 20% and lipid about 20% of the cell dry weight. Under nutrient stress (nitrogen or phosphorus deprivation) Tetraselmis suecica accumulates carbohydrates. 

Renaud  et  al.  (1999)  report  for  Tetraselmis  sp.  a  content  of  26‐30%  protein,  13‐14%  lipid,  8‐9% carbohydrate and 14‐17% ash as well as about 60% of polyunsaturated fatty acids over the total fatty acid content.  

BIOTECHNOLOGY Tetraselmis offers a valuable  source of protein, bioactive compounds, antioxidants, vitamins,  sterols and polyunsaturated  fatty acids  for human and animal consumption. One  the most  important applications of Tetraselmis is in aquaculture for rearing zooplankton and larval stages of marine fish, bivalve molluscs and crustaceans (Muller‐Feuga et al., 2003; Tredici et al., 2009). The genus has been found to have antibacterial activity  towards  important  aquaculture  pathogens  (Austin  et  al.,  1992)  and  it  was  also  proposed  as probiotic (Tredici et al., 2009, Irianto and Austin, 2002). Due to its high content of good quality protein (40‐50% d.wt), Tetraselmis suecica biomass could represent an alternative ingredient for animal feed. Because of  its high content of vitamin E  (0.13‐0.25 g kg‐1), Tetraselmis has also been proposed as a source of this vitamin as preservative in foods, additive in animal feed and sunscreen in cosmetics (Carballo‐Cárdenas et al., 2003). Active ingredients extracted from this microalga are currently used in the development of novel cosmetic formulations influencing growth of human hair and/or pigmentation of human skin (Pertile et al., 2010). An emerging use of Tetraselmis  is  for  carbon biofixation  in  combination with biofuels production (biodiesel, bioethanol) (Tredici, 2010). 

Culture Media 

F medium  (Guillard and Ryther, 1962)  is widely used  for cultivation of Tetraselmis. The microalga can be grown also in natural seawater integrated with nutrients. 

Cultivation methods 

In general Tetraselmis is cultivated under autotrophic conditions. Some species have also heterotrophic or mixotrophic  capacity.  Intensive  cultivation of Tetraselmis has been  carried out  in open  “raceway” ponds and in different kinds of closed photobioreactors (PBR). In Hawaii in 24‐m2 flumes Laws and Berning (1991) obtained a productivity of 15‐20 g C m‐2 day‐1 with photosynthetic efficiencies of 9‐10% with Tetraselmis suecica.  In pilot‐scale open ponds  in  Southern  Italy, Tetraselmis  tetrathele has  reached productivities of about 30  g m‐2 day‐1 during  the  summer, with photosynthetic  efficiencies  in  the PAR  region  around  5% (Materassi et al., 1983). A parallel  cultivation of Tetraselmis  suecica  in pilot‐scale open ponds and near‐horizontal  tubular  reactors  has  shown  similar  productivities  for  the  two  systems,  about  26  g m‐2  day‐1 (Pedroni  et  al.,  2004).  Current  methods  for  its  culture  rely  on  batch,  semi‐continuous  or  continuous cultivation.  At  present,  culture  methods  used  in  hatcheries  for  Tetraselmis  production  use  mainly polyethylene bags and transparent glass‐fibre cylinders (up to 500 L) usually kept indoors with artificial light (Fulks  and Main,  1991). Advances  have  recently  been made  in  the  field  of  photobioreactor  technology 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 68 of 258 

(Tredici  et  al.,  2010)  that  improved  microalgae  productivity  in  comparison  to  the  traditional  culture systems.  Among  these  systems  annular  columns  (Chini  Zittelli  et  al.,  2006)  and  disposable  flat  panels (Tredici et al., 2010) have been and are currently used in laboratory and at pilot‐scale outdoors. During the summer  in  Central  Italy  in  an  experiment  reproducing  a  full  scale  plant  arrangement,  in  120‐L  annular columns at a daily dilution rate of 40%, Tetraselmis suecica attained an average volumetric productivity of 0.46 g  l‐1 day‐1, and an overall areal productivity of 36.3 g m‐2 day‐1 with a photosynthetic efficiency  in the PAR  region of 9.4%  (Chini Zittelli et al., 2006). Tetraselmis has been also grown at  industrial  scale under heterotrophic conditions in fermenters with yields in excess of 100 g L‐1 day‐1 (Day et al., 1991). 

Harvesting methods 

Tetraselmis settles spontaneously and can be harvested in funnels, though centrifugation is a faster and a more efficient harvesting method. 

Upscaling limitations 

Although Tetraselmis is a very robust microorganism able to resist to extreme pH, salinity and temperature and to adapt to the rapid changes in environmental conditions, to obtain high productivities high amounts of energy are generally required for culture mixing due to the high sedimentation rate of the microalga.  

 HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY 

 Major characteristics of this genus are robustness and high productivity in outdoor mass cultures  

 References 

Austin B., Bauder E., Stobie M.B.C. (1992) Inhibition of bacterial fish pathogens by Tetraselmsis suecica. Journal of Fish Diseases 15: 55‐61. 

Barsanti L., Gualtieri P. (2006) Algae. Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology. Taylor & Francis, Boca Raton. Carballo‐Cárdenas  E.C.,  Tuan  P.M.,  Janssen M., Wijffels  R.H.  (2003) Vitamin  E  (α‐tocopherol)  production  by marine microalgae 

Dunaliella tertiolecta and Tetraselmis suecica in batch cultivation. Biomolecular Engineering 20: 139‐147. Chini  Zittelli  G.,  Rodolfi  L.,  Biondi  N.,  Tredici  M.R.  (2006)  Productivity  and  photosynthetic  efficiency  of  outdoor  cultures  of 

Tetraselmis suecica in annular columns. Aquaculture 261: 932–943. Day  J.G.,  Edwards  A.P.,  Rodgers  G.A.  (1991)  Development  of  an  industrial‐scale  process  for  the  heterotrophic  production  of 

microalgal mollusc feed. Bioresource Technology 38: 245‐249. Fulks W., Main  K.L.  (eds.)  (1991)  Rotifer  and Microalgae  Culture  Systems.  Proceedings  of  a  U.S.‐Asia Workshop.  The Oceanic 

Institute, Honolulu, Hawaii, USA. 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. Irianto A., Austin B. (2002) Probiotics in aquaculture Journal of Fish Diseases 25: 633‐642. Laws E.A., Berning  J.L.  (1991) A Study of  the energetics and economics of microalgal mass culture with  the marine chlorophyte 

Tetraselmis suecica: Implications for use of power plant stack gases. Biotechnology and Bioengineering 37: 936‐947. Materassi  R.,  Tredici M.R., Milicia  F.,  Sili  C.,  Pelosi  E., Vincenzini M.,  Torzillo G.,  Balloni W.,  Florenzano G., Wagener  K.  (1983) 

Development of a production size system  for the mass culture of matine microalgae.  In: Palz W., Pirrwitz D.  (eds) Energy from biomass. Riedel Publishing Company, Boston, Series E, vol. 5, pp. 150‐158. 

Muller‐Feuga A., Robert R., Cahu C., Robin J., Divanach P. (2003) Uses of microalgae in aquaculture. In: Stottrup, J.G., McEvoy, L.A. (Eds.), Live Feeds in Marine Aquaculture. Blackwell, Oxford, pp. 253–299. 

Nozaki  H.  (2003)  Flagellated  green  algae.  In: Wehr  J.D.,  Sheath  R.G.  (eds.)  Freshwater  algae  of  North  America.  Ecology  and classification. Elsevier, Amsterdam, pp. 225‐252. 

Pedroni  P.M.,  Lamenti  G.,  Prosperi  G.,  Ritorto  L.,  Scolla  G.,  Capuano  F.,  Valdiserri M.  (2004)  Enitecnologie  R  &  D  project  on microalgae biofixation of CO2: outdoor comparative  tests of biomass productivity using  flue gas CO2  from a NGCC power plant. Proceedings of Seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT‐7), 5–9 September 2004, Vancouver, Canada. 

Pertile P., Zanella L., Hermmann M., Holger J., Gaebler S. (2010) Extracts of Tetraselmis sp. US patent 2010/0143267. Renaud S.M., Thinh L.‐V., Parry D.L.  (1999) The gross chemical composition and  fatty acid composition of 18  species of  tropical 

Australian microalgae for possible use in mariculture. Aquaculture 170: 147‐159. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 69 of 258 

Throndsen, J. (1996) The planktonic marine flagellates. In: Tomas, C.R. (ed) Identifying marine phytoplankton. Academic Press, San Diego, pp. 591‐730 

Tredici M.R.  (2010) Photobiology of microalgae mass cultures: understanding  the  tools  for  the next green revolution. Biofuels 1, 143‐162. 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.,  (eds.)  New  Technologies  in  Aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management. Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK, and CRC Press LLC, Boca Raton, FL, USA, pp. 610‐676. 

Tredici M.R., Chini Zittelli G., Rodolfi  L.  (2010) Photobioreactors  In: Flickinger M.C., Anderson S.  (eds) Encyclopedia of  Industrial Biotechnology: Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA. Vol 6, pp.3821–3838. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 70 of 258 

 

8.1.3 Botryococcus braunii 

 

 Figure 18 ‐ Botryococcus braunii 

http://erenovable.com/wp‐content/uploads/2007/02/BotryococcusbrauniiAlga.jpg 

                                SYMBOLS:                     D  

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Chlorococcales Family  Dictyosphaeriaceae West 1916, Botryococcaceae (Wille 1909)  Genus  Botryococcus Species  Botryococcus braunii 

Related Species   

There are 15 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 12 have been flagged as currently accepted taxonomically. 

B.  australis,  B.  balkachicus,  B.  braunii,  B.  calcareous,  B.  canadensis,  B.  comperei,  B.  coorongianus,  B. fernandoi, B. giganteus, B. neglectus, B. pila, B. protuberans, B. sudeticus, B. terribilis, B. terricola. 

BIOLOGY 

Botryococcus  braunii  is  a  green  colonial microalga.  Colonies,  under microscope  observation,  exhibit  a typical  morphology  characterised  by  a  botryoid  organisation  of  individual  pyriform‐shaped  cells  held together  by  a  refringent matrix  containing  lipids. Oil  droplets  can  be  excreted  from  the matrix  by  the pressure of a coverglass. Ultrastructural  studies  reveal  that  the matrix  surrounding  the basal part of  the cells  consists  of  outer  walls  originating  from  successive  cellular  divisions.  Furthermore,  the  bulk  of  B. braunii  hydrocarbons  are  stored  in  these  outer  walls  Colonies  frequently  are  compounded  by interconnecting strands of tough mucilage between clusters of cells. Cells have a cup‐shaped plastid with a naked  pyrenoid‐like  body.  Found  in  phytoplankton  and metaphyton  of  ponds  and  lakes. Geographically 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 71 of 258 

widespread, it is rarely abundant, though it has the ability to form blooms, sometimes enduring over many years, like in the Darwin Reservoir in Australia. 

Botryococcus braunii produces various  types of ether  lipids and hydrocarbons up  to 60% of biomass. According to hydrocarbon production, B. braunii is subclassified into three chemical races. Algae in race A produce essentially n‐alkadiene and triene hydrocarbons, odd‐carbon‐numbered from C23 to, algae in race B produce  triterpenoid hydrocarbons, C30–C37 botryococcenes  and C31–C34 methylated  squalenes  and algae  in  race  L  produce  a  single  tetraterpenoid  hydrocarbon,  lycopadiene.  18S  rRNA  sequences  of  four strains  of  B.  braunii  belonging  to  the  three  chemical  races  established  that  these  strains  formed  a monophyletic group. 

BIOTECHNOLOGY 

Most  studies  concerning  the  influence  of  various  factors  on  the  production  of  biomass  and hydrocarbons were carried out in the laboratory. In the three chemical races of B. braunii, the hydrocarbon productivity, as well as the ether lipid synthesis, was shown to be optimal during the exponential phase of growth and does not occur in nitrogen‐ and phosphorous deficient media (Metzger and Largeau, 2005).  

Entrapment of B. braunii  colonies  in calcium alginate beads exhibits  some  interesting advantages by comparison  to  free  suspension  cultures:  enhancement  in  chlorophyll  photosynthetic  activity,  protection against  photoinhibition  towards  high  irradiance  and  an  increase  in  hydrocarbon  production  despite  a decrease in the rate of biomass production; however, the lack of stability of calcium alginate beads over a long period is not favourable to their use in cultures on a large scale (Metzger and Largeau, 2005). 

There  are  no  reports  on  successful  large‐scale  cultivation.  Experimental  cultures  under  natural illumination  in  tubular  photobioreactors,  immersed  in water  for  cooling,  have  been  conducted  up  to  a volume of 200 L (Gudin and Chaumont, 1984). In 1000‐L raceway ponds, average biomass productivity of 89 mg  L‐1  day‐1  were  achieved,  with  a  lower  hydrocarbon  content  compared  to  indoor  cultures,  with  B. mahabali (Dayananda et al., 2010). Outdoor cultures are easily contaminated by other algae (Metzger and Largeau, 2005). Small scale commercial production of B. braunii  is carried out  in Portugal by A4F Algafuel S.A. 

Botryococcus  is able to grow on different types of effluents under  laboratory conditions (Metzger and Largeau, 2005;  Shen  et al., 2008), although  very  slowly: e.g., on  secondary  treated domestic  sewage  its productivity was of about 30 mg L‐1 day‐1 (Sawayama et al., 1994; Sydney et al., 2011).  

References 

Dayananda  C.,  Kumudha  A.,  Sarada  R.,  Ravishankar  G.A.  (2010)  Isolation,  characterization  and  outdoor  cultivation  of  green microalgae Botryococcus sp. Scientific Research and Essays 5: 2497‐2505. 

Gudin C., Chaumont D. (1984) Solar biotechnology study and development of tubular solar receptors for controlled production of photosynthetic  cellular  biomass  for methane  production  and  specific  exocellular  biomass.  In:  Palz W.,  Pirrwitz D.  (eds.) Energy from biomass, serie E, vol 5. Reidel, Dordrecht, pp 184‐193. 

Metzger P., Largeau C. (2005) Botryococcus braunii: a rich source for hydrocarbons and related ether  lipids. Applied Microbiology and Biotechnology 66: 486‐496. [Also for BIOLOGY section] 

Sawayama S., Inoue S., Yokoyama S. (1994) Continuous culture of hydrocarbon‐rich microalga Botryococcus braunii  in secondarily treated sewage. Applied Microbiology and Biotechnology 41: 729‐731. 

Shen  Y.,  Yuan W., Pei  Z., Mao  E.  (2008) Culture of microalga Botryococcus  in  livestock wastewater.  Transactions  of  the ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineers) 51: 1395‐1400. 

Sydney E.B., da Silva T.E., Tokarski A., Novak A.C., de Carvalho J.C., Woiciecohwski A.L., Larroche C., Soccol C.R. (2011) Screening of microalgae with potential  for biodiesel production and nutrient  removal  from  treated domestic  sewage. Applied Energy: doi:10.1016/j.apenergy.2010.11.024. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 72 of 258 

 

8.1.4 Chlamydomonas reinhardtii 

 

 Figure 19‐ Chlamydomonas reinhardtii 

http://sandwalk.blogspot.com/2007/10/genome‐of‐chlamydomonas‐reinhardtii.html 

  SYMBOLS:                      H, PIV 

  

TAXONOMY    

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Volvocales Family  Chlamydomonadaceae Genus  Chlamydomonas Species  Chlamydomonas reinhardtii 

  Related Species  

NCBI Nucleotide Sequences As of 2  June 2009, nucleotide  sequence data  are  available  at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank  for 265,283 samples identified as Chlamydomonas. 

Taxonomic  identifications  of  these  samples  to  genus  (or  species)  levels  unaccompanied  by  explicit indication  of  voucher  specimens  may  not  be  verifiable  on  morphological/anatomical  grounds  and consequently be of little or no taxonomic value. Numbers  of  names  and  species:  there  are  1163  species  (and  infraspecific)  names  in  the  database  at present, of which 382 have been flagged as currently accepted taxonomically.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 73 of 258 

BIOLOGY 

Structural and morphological features Chlamydomonas reinhardtii  is a unicellular green alga about 10‐ 20 μm  in diameter with two flagella. The cell  wall  is  made  of  hydroxyproline‐rich  glycoproteins.  C.  reinhardtii  has  a  single,  large,  cup‐shaped chloroplast, a large pyrenoid, and a stigma ("eyespot") that senses light. 

C.  reinhardtii  is  primarily  used  as  a  model  organism  in  biology.  C.  reinhardtii  can  grow photoautotrophicallyt, or heterotrophically in the dark when supplied with acetate. This has been exploited for creation of thousands of mutants affected in the photosynthetic process (www.chlamy.org). 

Due  to  its  sexual  and  vegetative  growth,  heterotroph  and  photoautotroph  growth  cycles,  genetic mapping of photosynthetic markers became possible early on and made Chlamydomonas a prime tool for studying  the  genetics  of  photosynthesis,  among  others  revealing  maternal  inheritance  of  chloroplast encoded genes (Harris, 1989).  

The  alga  as  such  is  not  a  prime  target  for  biofuels  production.  However,  access  to  the  numerous mutants and genetic transformation technologies have made this alga a prime target for biofuels research (mainly for biohydrogen). 

Vegetative  cells  of  the  reinhardtii sspecies  are haploid  and  have  17  small chromosomes.  Haploid gametes develop under nitrogen starvation. Two mating types mt(+) and mt(‐) then fuse to form a diploid zygote. The zygote undergoes meiosis and releases four flagellated haploid cells that resume the vegetative life cycle. 

Under ideal growth conditions, cells may sometimes undergo two or three rounds of mitosis before the daughter cells are released from the old cell wall into the medium. Thus, a single growth step may result in 4 to 16 daughter cells per mother cell.  In presence of acetate the cells grow significantly faster than with light alone. The cell cycle of this unicellular green algae can be synchronized by alternating periods of light and dark, a process widely applied to study regulation of gene expression during the diurnal cycle (e. g., Leu et al., 1990; Breidenbach et al., 1990). 

The attractiveness of the alga as a model organism has recently  increased with the release of several genomic  resources  (see  Chlamydomonas  Center,  http://www.chlamy.org/),  which  also  administrates thousands of mutant strains, plasmids and other resources for genetic and molecular research. In addition to genomic sequence data there  is a  large supply of expression sequence data available as cDNA  libraries and expressed sequence tags (ESTs). cDNA libraries are available onlineand a BAC library can be purchased from  the Clemson University Genomics  Institute. There are also  two databases of >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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 74 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 75 of 258 

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. 

  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 76 of 258 

 

8.1.5 Haematococcus pluvialis 

  

Figure 20 ‐ Green and astaxanthin containing H. pluvialis cells (light microscope). 

D. Reinecke, BGU 

                  SYMBOLS:                        B, PIV  

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Volvocales Family  Haematococcaceae Genus  Haematococcus  Species  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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 77 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 78 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 79 of 258 

 

8.1.6 Dunaliella sp. 

 

Figure 21 – Dunaliella sp.  © D.J. Patterson  

http://starcentral.mbl.edu/msr/rawdata/viewable/dunaliella_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  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Volvocales Family  Dunaliellaceae Genus  Dunaliella  Species   

 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 80 of 258 

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 <0 °C to >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. 

 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 81 of 258 

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.  

 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 82 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 83 of 258 

 

8.1.7 Chlorococcum sp.  

  

Figure 23 ‐ Chlorococcum sp. 

UTEX 819, D. Reinecke, BGU                                  SYMBOLS:                    H, D, E  

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Chlorococcales Family  Chlorococcaceae Genus  Chlorococcum Species   

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.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 84 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 85 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 86 of 258 

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  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Chlorococcales Family  Chlorococcaceae Genus  Neochloris Species  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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 87 of 258 

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 not indicated. Algae were cultivated in 100 ml test tubes at low irradiation (60 μm m‐2 sec‐1). After Gatenby et al. (2003).  

Constituent ( % DW)  Exponential Late exponential Stationary Late stationary Protein  54 63 44 18 Carbohydrate 8  10  18  40 

Lipid  19 22 35 36 

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 Late exponential Stationary Late stationary Fatty acids    32 45 31 54 Unsaturated FA  89  85  88  80 

Sterols (‰ lipid)  5.2 9.6 5.1 4.5 

 

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.  

 

 

 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 88 of 258 

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

System  Light  Temp  Change in composition from nutrient replete to deplete stage. 

Starvation method 

Reference 

Unit/fraction  μmol photons m‐2 s‐1 or as otherwise indicated 

oC  Lipid  Protein  Carbo‐ hydrate 

   

Flat plate PBR, 1 and 130 L 

300 ‐ 500  30  20%  → 

30‐35 % 

70 %  → 

20 % 

20 %  → 

40 % 

4 days nitrate starvation  

(Pruvost et al., 2011) 

Not indic.  3 klux  28 ‐31   → 

35 – 55 % 

    To  visible lipid droplet accumulation 

(Tornabene et al., 1983) 

1 L bubble columns 

Not indic.  34  34 %      6‐7 days nitrate starvation 

(Li et al., 2008) 

90 ‐ 260 mm bubble columns 

160 ‐ 200  30  12.5 % → 

24.9 % 

    7 days on nitrogen free medium 

(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. 

System 

description 

Irradiation (μm

ol photons m

‐2 s‐1) 

Temp  

(°C) 

N status 

(repl/depl) 

Biomass range 

(g DW L

‐1) 

Grow

th rate (day

‐1) 

Lipid Product. (m

g L‐1 day

‐1) 

Reference 

replete  1.0  0.495  37.66 1 L bubble column. 

150    30 

deplete  0.2  0.41  14.42 

(Gouveia et al., 2009) 

replete      126 1 L flat plate reactor 

270    25 

deplete  0.5    65 

(Pruvost et al., 2009) 

50 L plastic sleeves 

150   25   ?   0.92  0.07  4  (da Silva et al., 2009) 

1 L bubble columns 

not indicated 

30  deplete  2.4    133  (Li et al., 2008) 

deplete  0.3    16.5 10 cm tubular horizontal PBR 

200  23 ‐ 25 

replete  0.9    8.9 

(Levine et al., 2011) 

replete    0.72   90‐260  mm bubble columns 

160 ‐ 200  30 

deplete    0 – 0.43   

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

    

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 89 of 258 

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

System description 

Irradiation (μmol photons m‐2 

s‐1) 

N status (repl/depl) 

Biomass  range (g DW L‐1) 

Growth rate (day‐1) 

Lipid  productivity (mg L‐1 day‐1) 

Reference 

Outdoor raceway  pond (batch) 

natural daylight 

replete  0.02 – 2.78 

0.18  1.6 – 4.8  (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  Special micro nutrient 

additives 

 

Bristol medium

BBM 

3NBBM

 

3N3SBBM

 Other medium  Soil extract 

B12  

Other 

Reference 

  x        x      (Gatenby et al., 2003)         (MD) inorganic basal medium        (Band et al. 1992)     x      x      (Tornabene  et  al., 

1983)         Inorganic basal medium  ?      (Li et al., 2008)     x            (Archibald  and  Smith, 

1987)       x          (Pruvost et al., 2009) x                (Gouveia et al., 2009) x                (da Silva et al., 2009)   x      (modified for nutrient starvation)        (Pruvost et al., 2011) 

  x      Modified:  +boron  +  vitamins,  N‐ source) 

  x  x  (Levine et al., 2011) 

    x    Modified: no nitrogen, + B12    x    (Beal et al., 2010) x        Modified        (Wahal  and Viamajala, 

2010)         Modified Fitzgerald        (Kawata et al., 1998) 

 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).  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 90 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 91 of 258 

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.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 92 of 258 

 

8.1.9 Scenedesmus sp. 

 

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

D. Reinecke, BGU                   SYMBOLS:                     B, D, E, PIV   

TAXONOMY    

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Sphaeropleales  Family  Scenedesmaceae  Genus  Scenedesmus Species   

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 93 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 94 of 258 

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. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 95 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 96 of 258 

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. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 97 of 258 

 

8.1.10 Desmodesmus sp. 

 

Figure 26 ‐ Desmodemus sp. 

Picture from UNIFI 

                 SYMBOLS:                    H, D, E   

TAXONOMY 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Chlorophyceae Order  Sphaeropleales Family  Scenedesmaceae Genus  Desmodesmus Species   

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 98 of 258 

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] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 99 of 258 

 

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  Chlorophyta Class  Trebouxiophyceae Order  Chlorellales Family  Chlorellaceae Genus  Chlorella Species   

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 100 of 258 

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. 

         

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 101 of 258 

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  2.01 Leucine  4.14 Lysine  3.19 Methionine  1.04 Phenylalanine  2.57 Threonine  2.42 Tryptophan  0.80 Valine  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).  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 102 of 258 

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  18 B2 ‐ riboflavin  44 B3 ‐ nicotinic acid (niacin)  219  B5 ‐ pantothenic acid  13 B6 ‐ pyridoxine  28 B12 ‐ cobalamin  0.8 biotin (vitamin H)  0.3 folic acid  42 vitamin E (tocopherol)  298 vitamin C (ascorbic acid)  655 β‐carotene (provitamin A)  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. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 103 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 104 of 258 

(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  Raceway ponds  Thin‐layer culture volume (l m‐2)   150‐300  6‐8 

culture layer thickness (mm)  150‐300  6‐8 biomass harvest density (g l‐1)   0.5‐1  35‐50 

harvest/downstream processing density multiply    

150‐300  3‐4.3 

surface/volume ratio (m‐1)    5  100 

photosynthetic  efficiency  (%  of PAR)  

2.5‐4  5‐8 

areal productivity (g m‐2 d‐1)  10‐20  20‐40 

volumetric productivity (g l‐1 d‐1)   0.05‐0.1  2‐5 efficiency of CO2 utilization (%)   5‐20  60‐70 

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) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 105 of 258 

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).  

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 106 of 258 

 

 

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.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 107 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 108 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 109 of 258 

 

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  Chlorophyta Class  Trebouxiophyceae Order  Chlorellales Family  Chlorellaceae Genus  Parietochloris Species  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).  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 110 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 111 of 258 

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  Chlorophyta  Class  Trebouxiophyceae Order  Chlorellales Family  Chlorellaceae Genus  Prototheca  Species   

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 112 of 258 

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] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 113 of 258 

 

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  Rhodophyta Class  Porphyridiophyceae Order  Porphyridiales Family  Porphyridiaceae Genus  Porphyridium Species  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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 114 of 258 

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] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 115 of 258 

 

8.3 Bacillariophyta 

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

 

TAXONOMY

Amphora sp. 

     Figure 33 ‐ Amphora 

coffeaeformis. 

All rights reserved Seambiotic © 008 

Figure 34 ‐ Light microscopic picture of Amphora sp. 

Copyright 1995‐2010 Protist Information Server 

Figure 35 ‐ Light microscopic picture of Amphora coffeaeformis. 

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

                 SYMBOLS:                         D, PIV   

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Thalassiophysales  Family  Thalassiophysales  Genus  Amphora  Species   

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. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 116 of 258 

Amphiprora hyalina 

   Figure 36 ‐ Light microscopic picture of Amphiprora sp. 

Picture from www.plingfactory.de/ 

Figure 37‐ Light microscopic picture of Amphiprora sp. 

Picture from www.mikroskopie‐ph.de/ 

                  SYMBOLS:                       D, PIV     

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Naviculales  Family  Amphipleuraceae  Genus  Amphiprora  Species  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. 

Picture courtesy of PAE (UGent) 

Figure 39 ‐ Scanning electron microscopic picture of Cylindrotheca sp. 

Picture from ocean.inha.ac.kr/l3.htm 

                SYMBOLS:                            D, PIV 

 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 117 of 258 

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Bacillariales  Family  Bacillariaceae Genus  Cylindrotheca  Species   

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 

Picture courtesy of PAE (UGgent) 

Figure 41 ‐ Light microscopic picture of Navicula lanceolata 

Picture courtesy of Petr Znachor 

                 SYMBOLS:                        D, PIV  

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Naviculales  Family  Naviculaceae  Genus  Navicula  Species   

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 118 of 258 

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  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Bacillariales  Family  Bacillariaceae  Genus  Nitzschia  Species  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).  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 119 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 120 of 258 

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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 121 of 258 

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): 

  grown in WC medium  medium with half strength phosphorus and half strength nitrogen (urea as a source) 

• Protein  46.03 %  38.82 % • Lipid  28.57 %  18.24 % • Crude fiber  < 15.4 %  < 11.86 % • Ash  11 %  11.86 % 

Saline strains of N. saprophila have been  found  to produce significant amounts of carbohydrate  in some media (Barclay et al., 1986). The average total lipid content for N. saprophila calculated from literature by Griffiths and Harrison (2009):  

• 24% cdw under nutrient replete conditions  • 51% cdw under N deficient conditions • 49% cdw under Si deficient conditions 

Chelf (1990) showed that nitrogen concentration was the variable with the greatest effect on neutral lipid accumulation in N. saprophila. Nitrogen deficiency led to a higher synthesis of lipids. 

Nitzschia dissipata: Various Nitzschia species have high oil content (Chisti, 2007; Griffiths and Harrison, 2009; Mata  et  al.,  2010)  and  have  been  suggested  for  production  of  EPA  (Spolaore  et  al.,  2006).  EPA production  in  Nitzschia  sp. was  enhanced  under mixotrophic  conditions  in  the  presence  of  acetate  as compared with  photoautotrophic  conditions  (Kitano  et  al.,  1997).  Some  Nitzschia  species  are  cultured 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 122 of 258 

heterotrophically  (e.g. Barclay et al., 1994; Wen and Chen, 2003).  In  the ASP program different Nitzschia species were  isolated  (a.o. N.  dissipata, N.  palea, N.  communis, N.  pusilla,  etc.)  (Sheehan  et  al.,  1998). Preliminary  screening  experiments  indicated  that  N.  dissipata  had  the  best  growth  rates  and  lipid accumulation potential  (Sheehan et al., 1998). The average  total  lipid content  for N. dissipata calculated from literature by Griffiths and Harrison (2009):  

• 28% cdw under nutrient replete conditions  • 46% cdw under N deficient conditions • 47% cdw under Si deficient conditions 

BIOTECHNOLOGY 

Benthic diatoms (Amphora, Amphiprora, Cylindrotheca, Navicula, Nitzschia) are commonly used in abalone culture, where  they act as  inductors  for  larval settlement and as  food  for  the early  juvenile stages. They excrete extracellular polymeric substances that play an important role in abalone larval settlement (Brown et al., 1997; Pulz and Gross, 2004; Carbajal‐Miranda et al., 2005; see refs in de la Peña, 2007; Correa‐Reyes et al., 2009).  

Species of the genus Nitzschia occur  in nearly every diatom assemblage  in fresh, brackish, and marine habitats. Many of  them are considered  to be  important  indicators of organic pollution and high nutrient loads, making them important for water quality studies and biomonitoring (Lange‐Bertalot, 1979; Van Dam et al., 1994).  

For  their  high  lipid  content  benthic  diatoms  have  been  considered  as  sources  for  biodiesel,  though experiments  were  carried  only  at  laboratory  scale  (mainly  in  flasks),  obtaining  quite  low  growth  and productivity  (Griffith  and  Harrison,  2009;  Rodolfi  et  al.,  2009).  Navicula  saprophila  was  genetically transformed to optimize lipid production (Dunahay et al., 1995). 

Culture Media 

For marine and brackish  strains  the most  common medium used  is medium F or  f/2 added with Silicon (Guillard and Ryther, 1962) and adjusted in salinity according to necessity. For freshwater strains media like Chu (Gerlogg et al., 1950) or BG11 (Rippka et al., 1979) added with Silicon can be used. 

Cultivation methods 

The benthic diatoms,  in  general, have  to be  grown  in photobioreactors purposely designed, because of their tendency to form biofilms. The simplest solution is represented by the benthic algae growth chamber (BAGC), which was used to grow a mixed benthic algae community on dairy manure by Wilkie and Mulbry (2002).  The  culture  medium  (220  L)  was  recirculated  from  a  tank  to  the  chamber  by  a  submersible recirculation pump while algal growth was supported by screens of 96:5 x 96:5 cm with 3 x 4 mm mesh, for a total growing area of 0.93 m2.  

Another possible solution was that by Lebeau et al. (2000), who proposed a photobioreactor design for immobilised  microalgal  cells.  The  aim  of  this  photobioreactor  was  to  cultivate  microalgae,  especially benthic diatoms that suffer from bioturbation. In these photobioreactors, the surface/volume ratio of the matrix  (agar  or  alginate)  was  maximised  to  offer  the  maximal  contact  between  microalgae  and nutrient/light. The immobilized cell photbioreactor consisted of 10‐L glass and stainless steel cylinders. The inoculum was entrapped  in  a  tubular  agar  gel  layer,  then  iserted  into  the  cylinder  containing  the  liquid culture medium. The reactor was tested with Haslea ostrearia for the production of the pigment marennine (Rossignol et al., 2000). 

Another  solution  is  to multiply  the  adhesion  surface  inside  the  reactor.  This  has  been  achieved  in different ways.  The  simplest  is  that  proposed  by  de  la  Peña  (2007)  that  cultivated  Amphora  in  a  8  L 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 123 of 258 

rectangular acrylic glass aquaria containing 5 L of culture medium. Ten pieces of 12× 12×12 cm2 area acrylic glass plates were installed in each aquarium to serve as diatom settlement plates. The plates were provided with  orange  polyvinyl  stand  pipes  to  keep  them  in  an  upright  and  slanting  position.  A  two‐point mild aeration was provided by glass‐wool filtered air to provide an effective gas exchange and to allow the alga to  settle  onto  the  acrylic  glass  plates. A more  complex  device was  proposed  by Avendaño‐Herrera  and Riquelme (2007), that used a new system called the Tanaka photobioreactor, that consists of a borosilicate tube measuring 40 x 4 cm, with a 4.5 x 1 cm side‐arm effluent tube at the bottom and a PVC stopper at the top which has an opening to allow the entry of a 5 mm diameter glass rod. The interior of the tube contains an array of about 350 sterilized polyethylene bristles in a ‘‘bottle brush’’ arrangement measuring 30x 4 cm, providing an extensive surface area for adhesion. They used the reactor to cultivate Navicula veneta with associated bacteria.This  configuration was  slightly modified by  Silva‐Aciares  and Riquelme  (2008) with  a reactor  called  ‘‘bristles  photobioreactor’’  (PBB).  PBB  is  constructed  of  transparent  acrylic  plastic  1 m  in length with an inside diameter of 18 cm and outside diameter of 19 cm. The top of the tube is closed by a PVC cap whith a connector for the  introduction of the air  line. The base of the tube  is closed. Within the body of the PBB, throughout the entire  length of the tube, there  is a structure resembling a  large ‘‘bottle brush’’ bearing PVC bristles measuring 17.5 cm. The bristles and the structure were designed as supports for the growth of the  (adherent) benthic diatoms. PVC bristles were the best material for this purpose  in comparison with a number of other types of plastic materials tested. The circulation of the cell suspension throughout  the photobioreactor  is obtained using  an  airlift  system.  They  cultivated Nitzschia, Amphora, Navicula and Cylindrotheca closterium obtaining volumetric productivities  in  the range 0.12‐0.28 g L‐1 d‐1, with Nitzschia being the best and one Navicula the worse performer. 

On an industrial scale, SBAE Industries nv (Belgium) has developed and patented an outdoor technology called DiaForce  for  production  of  benthic  diatoms.  DiaForce  pumps water  through  channels  filled with artificial carriers on which  the diatoms attach. DiaForce  technology  is used  for  the production of diatom polycultures.  

Some species, like some Cylindrotheca, can be grown also in bubbled photobioreactors. 

Harvesting methods 

Benthic (attached) freshwater algae may have an advantage over planktonic (suspended) algae in the ease of  separation  and  recovery  of  algal  biomass  from  an  aqueous  stream. Avendaño‐Herrera  and Riquelme (2007)  report  that harvesting of  the N. veneta cultures was carried out at  the end of each culture cycle (each  7  days).  As much  as  possible  of  the  diatom  (>85%)  was  dislodged  from  the  bristles  within  the photobioreactor using a 1‐min agitation of the glass rod, draining the reactor through the sidearm. To avoid handling of the photobioreactor, the remaining diatom‐bacterial biomass (approximately 15% of the total) was used to start a new culture cycle. Microalgae were harvested manually  from the PBB, dislodging the diatoms by vigorous agitation of all the PVC bristles  in the photobioreactor column for a period of 2 min (Silva‐Aciares and Riquelme, 2008). SBAE’s triangle carriers facilitate the harvesting process as algal biomass is directly collected, by  lifting them from the water. This concentrates the biomass x 100 and reduces the cost compared to centrifugation of the algae out of the water.  

Upscaling limitations 

All the systems proposed, except SBAE’s one, have been developed  in relation to aquaculture necessities, so  they  are  of  rather  difficult  scaling‐up.  To  exploit  benthic  diatoms  as  source  of  biodiesel,  it  will  be necessary to design novel photobioreactors, specific for their cultivation, that can be scaled up.    

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 124 of 258 

References 

Aboal M., Alvarez Cobelas M., Cambra J., Ector L (2003) Floristic list of non‐marine diatoms (Bacillariophyceae) of Iberian Peninsula, Balearic Islands and Canary Islands. Updated taxonomy and bibliography. Diatom Monographs 4: 1‐639. 

Avendaño‐Herrera  R.E.,  Riquelme  C.E.  (2007)  Production  of  a  diatom‐bacteria  biofilm  in  a  photobioreactor  for  aquaculture applications. Aquaculture Engineering 36: 97‐104. 

Barclay W., Johansen J.R., Chelf P., Nagle N., Roessler P., Lemke P. (1986) Microalgae culture collection 1986‐1987. Solar Research Institute. Golden, Colorado. 

Barclay W.R., Maeger K.M., Abril J.R. (1994) Heterotrophic production of  long chain omega‐3 fatty acids utilizing algae and algae‐like microorganisms. Journal of Applied Phycology 6: 123‐129. 

Brown M.R., Jeffrey S.W., Volkman J.K., Dunstan G.A. (1997) Nutritional properties of microalgae for mariculture. Aquaculture 151: 315‐331. 

Carbajal‐Miranda M.J., Sanchez‐Saavedra M.D., Simental J.A. (2005) Effect of monospecific and mixed benthic diatom cultures on the growth of red abalone postlarvae Haliotis rufescens (Swainson 1822). Journal of Shellfish Research 24: 401‐405. 

Chelf P. (1990) Environmental control of lipid and biomass production in two diatom species‐Journal of Applied Phycology 2: 121‐129. 

Chisti Y. (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25:, 294‐306. Correa‐Reyes J.G., Sanchez‐Saavedra M..D, Viana M.T., Flores‐Acevedo N., Vasquez‐Pelaez C. (2009) Effect of eight benthic diatoms 

as feed on the growth of red abalone (Haliotis rufescens) postlarvae. Journal of Applied Phycology 21: 387‐393. Day S.A., Wickham R.P., Entwisle T.J., Tyler P.A. (1995) Bibliographic check‐list of non‐marine algae  in Australia. Flora of Australia 

Supplementary Series 4: VII + 276. de  la Peña M.R. (2007) Cell growth and nutritive value of the tropical benthic diatom, Amphora sp., at varying  levels of nutrients 

and light intensity, and different culture locations. Journal of Applied Phycology 19: 647‐655. Dunahay T.G., Jarvis E.E., Roessler P.G. (1995) Genetic transformation of the diatoms Cyclotella cryptica and Navicula saprophila. 

Journal of Phycology 31: 1004‐1012. Ezzat A.I.  (1983) Effects of  some common pesticides on growth and metabolism of  the unicellular algae Skeletonema costatum, 

Amphiprora paludosa, and Phaeodactylum tricornutum. Aquatic Toxicology 3: 1‐14. French M.S. (1988) The effects of copper and zinc on growth of the fouling diatoms Amphora and Amphiprora. Biofouling 1: 3‐18. Gerlogg G.C.,  Fitzgerald G.P.,  Skoog  F.  (1950)  The  isolation,  purification,  and  culture  of  blue‐green  algae.  American  Journal  of 

Botany 37: 216‐218. Gordon N., Neori A., Shpigel M., Lee J., Harpaz S. (2006) Effect of diatom diets on growth and survival of the abalone Haliotis discus 

hannai postlarvae. Aquaculture 252: 225‐233. 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. 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. Hendey N.I. (1964) An introductory account of the smaller algae of British coastal waters. Part V. Bacillariophyceae (Diatoms). Her 

Majesty’s Stationery Office, London. Khatoon H., Banerjee S., Yusoff F., Shariff M. (2009) Evaluation of  indigenous marine periphytic Amphora, Navicula and Cymbella 

grown on substrate as  feed supplement  in Penaeus monodon postlarval hatchery system. Aquaculture Nutrition 15: 186‐193. 

Kitano M., Matsukawa R., Karube  I.  (1997) Changes  in eicosapentaenoic acid content of Navicula saprophila, Rhodomonas salina and Nitzschia sp. under mixotrophic conditions. Journal of Applied Phycology 9: 559‐563. 

Kitano M., Matsukawa R., Karube .I (1998) Enhanced eicosapentaenoic acid production by Navicula saprophila. Journal of Applied Phycology 10: 101‐105. 

Krammer  K.,  Lange‐Bertalot  H.  (1988)  Susswasserflora  von  Mitteleuropa.  Bacillariophyceae.  2/2.  VEB  Gustav  Fischer  Verlag, Stuttgart, Germany.. 

Lange‐Bertalot H. (1979) Pollution tolerance of diatoms as a criterion for water quality estimation. Nova Hedwigia 64: 285‐304. Lebeau .T, Gaudin P., Mignot L., Junter G.A. (2000) Continuous marennine production by agar‐entrapped Haslea ostrearia using a 

tubular photobioreactor with internal illumination. Applied Microbiology and Biotechnology 54: 634‐640. Mann D.G. (1986) Nitzschia subgenus Nitzschia. Notes for a monograph of the Bacillariaceae, 2nd ed. In Ricard M. (ed). Proceedings 

of the 8th International Diatom Symposium. Koeltz Scientific Books, Koningstein, pp.  215‐226. Mata T.M., Martins A.A., Caetano N.S. (2010) Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and 

Sustainable Energy Reviews 14: 217‐232. Pilny J. (2009) Biofuels from algae: Physiological characterization of candidate diatom species, University of South Bohemia, Czech 

Republic. Pulz O., Gross W.  (2004) Valuable products  from biotechnology of microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology 65: 635‐

648. Rippka R., Deruelles J., Waterbury J. B., Herdman M., Stanier R. Y.  (1979) Generic assignments, strain histories and properties of 

pure cultures of cyanobacteria. Journal of General Microbiology 111: 1‐61. Roberts S, Sabater S, Beardall J (2004) Benthic microalgal colonization  in streams of differing riparian cover and  light availability  . 

Journal of Phycology 40, 1004‐1012. Rodolfi  L.,  Chini  Zittelli  G.,  Bassi  N.,  Padovani  N.,  Biondi  N.,  Bonini  G,  Tredici MR.  (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.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 125 of 258 

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G.  (1990) The diatoms  ‐ biology and morphology of the genera. Cambridge University Press, Cambridge, UK. 

Sala  S.E.,  Sar  E.A.,  Ferrario M.E.  (1998) Review of materials  reported  as  containing Amphora  coffeaeformis  (Agardh) Kützing  in Argentina. Diatom Research 13: 323‐336. 

Sheehan J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. (1998) A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—biodiesel from algae. 

Silva‐Aciares  F.R.,  Riquelme  C.E.  (2008)  Comparisons  of  the  growth  of  six  diatom  species  between  two  configurations  of photobioreactors. Aquaculture Engineering 38: 26‐35 

Spolaore  P.,  Joannis‐Cassan  C., Duran  E.,  Isambert  A.  (2006)  Commercial  applications  of microalgae.  Journal  of  Bioscience  and Bioengineering 101: 87‐96. 

Tadros M.G., Johansen J.R. (1988) Physiological characterization of 6 lipid‐producing diatoms from the southeastern United‐States. Journal of Phycology 24: 445‐452. 

Trobajo R., Cox E.J., Quintana X.D. (2004) The effects of some environmental variables on the morphology of Nitzschia frustulum (Bacillariophyta), in relation its use as a bioindicator. Nova Hedwigia 79: 433‐445. 

Trobajo R., Mann D.G., Chepurnov V.A., Clavero E., Cox E.J. (2006) Taxonomy, life cycle, and auxosporulation of Nitzschia fonticola (Bacillariophyta). Journal of Phycology 42: 1353‐1372. 

Underwood G.J.C.,  Paterson D.M.  (2000)  The  importance  of  extracellular  carbohydrate  production  by marine  epipelic  diatoms. Advances in Botanical Research 40: 183‐240. 

Underwood G.J.C., Boulcott M., Raines C.A., Waldron K. (2004) Environmental effects on exopolymer production by marine benthic diatoms: dynamics, changes in composition, and pathways of production. JournL of Phycology 40: 293‐304. 

Van Dam H., Mertens A., Sinkeldam  J.  (1994) A  coded  checklist and ecological  indicator values of  freshwater diatoms  from  the Netherlands. Netherlands Journal of Aquatic Ecology 28: 117‐133. 

Wen Z.Y., Jiang Y., Chen F. (2002) High cell density culture of the diatom Nitzschia laevis for eicosapentaenoic acid production: fed‐batch development. Process Biochemistry 37: 1447‐1453. 

Wen Z.Y., Chen F. (2003) Heterotrophic production of eicosapentaenoic acid by microalgae. Biotechnology Advances 21: 273‐294. Wilkie A.C., Mulbry W.W. (2002) Recovery of dairy manure nutrients by benthic freshwater algae. Bioresource Technology 84: 81‐

91. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 126 of 258 

 

8.3.2 Phaeodactylum tricornutum 

   Figure 44 ‐ Light micrographs of  Phaeodactylum tricornutum 

(a) the three morphotypes: left, fusiform; top right, triradiate; bottom right, oval. (b) a 

small cluster of cells. Each cell is approximately 15 μm in length  

Images courtesy of Alessandra De Martino (Vardi et al., 2008) 

Figure 45 ‐ Scanning electron microscopy images of the fusiform. 

(a) triradiate (b) and ovoid (c) morphotypes of P. tricornutum 

 (Francius et al., 2008) 

 

 

             SYMBOLS:                                            D, PIV    

TAXONOMY    

Phylum  Bacillariophyta Class  Bacillariophyceae  Order  Naviculales  Family  Phaeodactylaceae  Genus  Phaeodactylum  Species  Phaeodactylum tricornutum  

Related species  

Phaeodactylum tricornutum is the only species in the genus Phaeodactylum. 

 

 

BIOLOGY 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 127 of 258 

General description 

Phaeodactylum belongs to the pennate diatoms (Bacillariophyceae). It is a member of the raphid pennate clade (Medlin and Kaczmarska, 2004). Examination of intraspecies genetic diversity based on rDNA internal transcribed  spacer  2  (ITS2)  sequences  and  amplified  fragment  length  polymorphism  (AFLP)  analyses indicate four different genotypes within the species (De Martino et al., 2007). 

Phaeodactylum  tricornutum  is  fast  growing  and  has  emerged  as  a model  system  for  physiological, biochemical, and molecular  studies mainly because of  its ease of  culture and  the ability  to be  routinely genetically transformed (Scala et al., 2002, Montsant et al., 2005). 

It  was  chosen  as  the  second  diatom  for  whole  genome  sequencing  after  the  centric  diatom Thalassiosira  pseudonana.  The  completed  P.  tricornutum  genome,  sequenced  by  the  Joint  Genome Institute (JGI), is approximately 27.4 megabases (Mb) in size and is predicted to contain fewer genes than T. pseudonana (Bowler et al., 2008). P. tricornutum shares 57% of its genes with T. pseudonana. A remarkably high number of P.  tricornutum predicted genes appears  to have been  transferred between diatoms and bacteria and are likely to provide novel metabolic capacities (Bowler et al., 2008). 

Structural and morphological features 

Phaeodactylum tricornutum is unicellular or forms small cell clusters. Cells are circa 3 µm wide and 8 to 20 µm  long (Lewin et al., 1958), and contain a single plastid (Round et al., 1990). Unlike other diatoms  it can exist  in  different  morphotypes  (i.e.  fusiform,  triradiate  or  oval)  (Borowitzka  and  Volcani,  1978).  This plasticity is related to the atypical nature of the cell wall, which is only poorly silicified compared with other diatoms. In addition, Phaeodactylum does not exhibit the size reduction– restitution cycle that is so unique for  the diatoms. The  species appears  to be unique  in  that  it does not have an obligate  requirement  for silicic acid. The ovoid form is the only morphotype which is able to synthesize true single silica valves when grown in the presence of silicic acid. Siliceous frustules were never observed in fusiform or triradiate cells, or  in  oval  cells  grown  in  the  absence  of  silicic  acid  (De Martino  et  al.,  2007).  Fusiform  and  triradiate morphotypes are characterized by cell walls possessing almost exclusively organic components (De Martino et al., 2007; Francius et al., 2008).  

Physiological characteristics 

Although not considered  to be of great ecological  significance, P.  tricornutum has been  found  in  several locations around the world, typically in coastal areas with wide fluctuations in salinity as well as in inland waters (Rushforth et al., 1988). 

The  ability  of  the  species  to  adapt  to  changing  environmental  conditions  could  be  related  to  the pleiomorphic character of the cells and the different morphotypes are thought to be adapted for survival in different  habitats.  It  is  shown  that  the  three  morphotypes  are  physiologically  different.  The  oval morphotype  appears  to  be  induced  as  an  acclimation  response  to  suboptimal  growth  conditions  (De Martino et al., 2007). The oval and  triradiate morphotypes may  represent distinct eco‐phenotypes each one  specifically adapted  to growth  in particular  conditions  (De Martino et al., 2007).  In  contrast  to oval cells, triradiate cells appear to be much more sensitive to stress and rapidly disappear (or convert to oval ⁄ fusiform cells) when growth conditions are suboptimal (De Martino et al., 2007).  

Fusiform  and  triradiate  forms  are  common  when  grown  in  liquid  media.  Fusiform  cells  tend  to transform into the ovoid morphotype when they are transferred on a solid medium (agar) while the reverse transformation  occurs  upon  transfer  in  liquid medium  (Lewin  et  al.,  1958).  It  has  also  been  noted  that fusiform and triradiate cells are more buoyant than oval cells (Lewin et al., 1958) and so would be expected to be better adapted  to a planktonic  lifestyle  than oval cells. De Martino et al.  (2007)  suggested  that P. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 128 of 258 

tricornutum  should  predominantly  occur  in  benthic  communities  because  oval  and  round  cells  tend  to aggregate and sink and can adhere strongly to surfaces. Very  little  is known on the nature and biological role of the triradiate–fusiform transition (Francius et al., 2008).  

Biochemical composition 

P.  tricornutum  is  extensively used  as  a  food  source  for  the  aquaculture  industry because of  its  ease of cultivation and  its rich oil content. However, different culture conditions result  in significant variations  in the biochemical composition of the cells and, therefore, in their nutritious value. 

On average, the biomass of P. tricornutum contains (Rebolloso‐Fuentes et al., 2001): • 36,4% crude protein, • 26,1% available carbohydrates, • 18,0% lipids,  • 15,9% ash.  

The  biomass  produced  at  low  external  irradiance  was  richer  in  protein  and  eicosapentaenoic  acid (Rebolloso‐Fuentes et al., 2001). 

The total lipid content and the fatty acid and lipid class (polar membrane lipids vs neutral storage lipids) composition  are dependent on different  chemical  (nutrient  starvation,  salinity,  growth‐medium pH)  and physical stimuli (temperature and light intensity). In addition growth phase and/or aging of the culture has an  effect  on  oil  content  and  composition  (Hu  et  al.,  2008).  This  hampers  rigorous  comparison  across experiments under different conditions (Griffiths and Harrison, 2009). 

Griffiths and Harrison (2009) calculated the average total lipid content for P. tricornutum from available literature data:  

• 21% cdw (cell dry weight) under nutrient replete conditions,  • 26% cdw under N deficient conditions.  

Other literature mention values for total oil content of: • 31% dw (Sheehan et al., 1998), • 18.7 % biomass dw (Rodolfi et al., 2009), • 18 – 57% dw (Mata et al., 2010). 

The fatty acid composition and the partitioning into storage lipids in P. tricornutum is intensely studied, e.g.  (Alonso  et  al.,  1998,  2000; Rebolloso‐Fuentes  et  al.,  2001;  Tonon  et  al.,  2002; Meiser  et  al.,  2004; Alonso et al., 1998; Liang et al., 2006; Meiser et al., 2004; Ohse et al., 2009; Rebolloso‐Fuentes et al., 2001; Tonon et al., 2002; Yu et al., 2009). 

In  Phaeodactylum,  the  very‐long‐chain  fatty  acids  (vlc  PUFA)  arachidonic  acid  (AA)  (C20:4ω6), eicosapentaenoic acid (EPA) (C20:5x3) and docosahexaenoic acid (DHA) (C22:6ω3) are the major fatty acid species accounting for approximately 30% of the total fatty acid content (Hu et al., 2008).  

P. tricornutum is able to produce the nutritionally relevant EPA (3.9–5% CDW) in high proportion to the total fatty acid content and has important advantages as a potential commercial producer of EPA because it is fast‐growing with low amounts of other PUFAs, such as DHA and AA, which has important advantages in simplifying  recovery.  (Lebeau and Robert, 2003; Meiser et al., 2004). Unlike  in most algal species/strains examined where TAGs are composed primarily of C14–C18 fatty acids (saturated or mono‐unsaturated) in P. tricornutum, partitioning of very‐long‐chain (>C20) into TAGs have been observed (Hu et al., 2008). The TAG yield from P. tricornutum is about 14% of total dry weight (Yu et al., 2009).  

Phosphorus  limitation  result  in  increased  lipid  content, mainly  TAG,  in P.  tricornutum  (Reitan  et al., 1994). Phosphorus deprivation was found to result in a higher relative content of 16:0 and 18:1 and a lower relative content of 18:4x3, 20:5x3 and 22:6x3 (Reitan et al., 1994). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 129 of 258 

A decrease of the nitrogen concentration caused the galactolipid (GL) fraction to decrease from 21 to 12%. Conversely, both neutral lipids (NLs) and phospolipids (PLs) increased from about 73 to 79% and from 6  to 8%,  respectively. TAG was  the  lipid  class with  the highest  increase,  from 69  to 75%  (Alonso  et al., 2000). 

Unlike in some other diatoms, culture age had almost no influence on the total fatty acid content in P. tricornutum that remained around 11% of dry weight  (Alonso et al., 2000). Conversely, culture age had a greater  impact  on  lipid  classes,  producing  changes  in  amounts  of  triacylglycerols  (TAG)  which  ranged between  43%  and  69%,  and  galactolipids  (GLs)  that  oscillated  between  20%  and  40%.  In  general,  the content of polar lipids of the biomass decreased with culture age (Alonso et al., 2000). . 

Carotenoids in Phaeodactylum tricornutum are low, ranging from 0.115 to 0.45 g/100g dry biomass. In P. tricornutum, chlorophylls are the main pigments (1.17 – 2.87g) (Rebolloso‐Fuentes et al., 2001). 

Growth kinetics and productivity 

Growth rate and biomass productivity are influenced by environmental conditions, available resources and choice of culture system.  

In general, P. tricornutum shows good growth at temperatures between 15 and 25 °C. For most isolates, growth ceases at temperatures above 30 °C. In relation to the appropriate conditions for the cultures, some researchers have found in this species a reduction in the photosynthesis activity of nearly 75% at pH values above 9.0 and under 5.5. On the other hand, it has also been informed that, for restrictive light conditions, the specific growth rate decreases at a pH above 9.0. The  influence of  illumination  in microalgae growth rates is one of the most controversial factors. According to some investigators, P. tricornutum uses a photo adaptation  strategy,  developing  an  increase  of  the  cellular  content  of  chlorophyll  under  limiting  light conditions. This effect causes that the photosynthetic efficiency, and consequently the specific growth rate, changes very little for a wide irradiance range (reviewed in Perez et al., 2008). 

The influence of several culture conditions on the specific growth rate of P. tricornutum was studied in batch cultures by Perez et al. (2008). They calculated an optimum pH of 7,8 and a specific growth rate of 0.064 h−1 was achieved for certain nitrate conditions and  illumination. However, for pH values between 6 and 9 growth was favorable and did not show great variation. The temperature optimum was achieved at 20.4 °C  in aerated cultures and at 22.3 °C  in non‐aerated cultures. Better adaptation to  low temperatures than high ones has been obtained. The experiments carried out with different irradiances drive to a simple Monod’s equation for the  irradiance  influence on growth, with semi‐saturation  irradiance of 10.2 and 6.8 µmol photons m‐2 s‐1 for aerated and non‐aerated cultures, respectively. Furthermore, aeration affects to the growth of P. tricornutum, with higher growth rates under aerated conditions (Perez et al., 2008). 

Analysis of biomass productivity, lipid content and their combination to yield lipid productivity has been done  across  literature  data  by  Griffiths  and  Harrison  (2009).  Lipid  productivity  is  a  critical  variable  for evaluating algal species for biodiesel production, because lipid content does not correlate directly with lipid productivity.  

Average  literature  data  for  P.  tricornutum  grown  in  laboratory  under  nutrient  replete  conditions Laboratory  averages  under  nutrient  replete  conditions  from  literature  for  P.  tricornutum  (Griffiths  and Harrison, 2009):  

• biomass growth (average doubling time): 25 h • biomass productivity on a volumetric basis: 0.34 g L‐1 day‐1 • biomass productivity on a surface area basis: 20 g m‐2 day‐1 • lipid productivity calculated from  laboratory biomass productivity (in grams per  litre per day) and 

nutrient replete lipid content in nutrient replete conditions: 72 mg L‐1 day‐1  • lipid productivity reported directly in the literature: 45 mg L−1 day−1   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 130 of 258 

Rodolfi et al. (2009) showed a biomass productivity of 0.24 g L−1 day−1 and a lipid productivity of 44.8 mg L−1 day−1 for P. tricornutum F&M‐M40 strain cultivated in 250‐mL flasks.  

 

BIOTECHNOLOGY Paheodactylum  tricornutum  is widely  used  in  aquaculture  as  feed  for  penaid  shrimp  larve,  freshwater prawn  larvae, bivalve  larvae and postlarvae and marine zooplankton (Tredici et al., 2009). Phaeodactylum has been proposed as a source of eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5ω3) (Veloso et al., 1991; Molina Grima et al., 1994). It is a species of interest for biodiesel production. Phaeodactylum extracts are used in cosmetics (Nizard et al., 2007; http://www.cosmeticsdatabase.com/).  Fatty acids  from Phaeodactylum have  shown antibacterial activity (Desbois et al., 2009) and they were found  in higher amounts  in the fusiform than  in the  oval  cell  form  (Desbois  et  al.,  2010).  Antibacterial  and  anti‐inflammatory  activities  were  found  in polysaccharides (Guzman‐Murillo and Ascencio, 2000; Guzman et al., 2003), while galactolipids were found to induce apoptosis in mammalian engineered cell lines (Andrianasolo et al., 2008). 

Growth medium 

P. tricornutum is usually grown in Mann and Myers (1968) medium. 

Cultivation systems and methods 

In  Spain,  biomass  productivity  in  an  outdoor  200‐L  airlift  tubular  photobioreactor  operated  in continuous was 1.2 – 1,.9 g L−1 day−1 (19 ‐ 32 g m−2 day−1), depending on dilution rate and superficial liquid velocity  (Molina  et  al.,  2001).  In  the  same  location,  in  a  75‐L  helical  tubular  photobioreactor  biomass productivies up  to 1.3 g  L−1 day−1 with a photosynthetic efficiency up  to 15% were obtained  (Hall et al., 2003). In Germany, in an airlift flat panel system with 33‐L modules, a biomass productivy of 0.53‐0.73 g L‐1 day‐1 was obtained in mid‐year months, while on an annual base, an average of 27 mg L‐1 day‐1 of EPA was achieved  (http://www.igb.fraunhofer.de/www/gf/umwelt/algen/en/Eicosapentaensaeure_en.html).  In Portugal, in 2.2‐m2 ponds, average productivities of 4 g (ash free dry weight) m‐2 day‐1 were achieved, with an EPA productivity of 0.15 g m‐2 day‐1 (Veloso et al., 1991). EPA productivities up to 47.8 mg L‐1 day‐1 were achieved  in  the  airlift  tubular photobioreactor, with biomass productivity up  to  2.57  g  L‐1 day‐1  (Molina Grima et al., 1994).  

Phaeodactylum can also grow mixotrophically on different carbon sources, among which glycerol (the by‐product of biodiesel production) yielding higher biomass and EPA productions  than  those obtained  in photoautotrophic conditions (Céron‐Garcia et al., 2005).  In three 60‐L reactors, a bubble column and two airlift  photobioreactors,  outdoors  an  increase  in  biomass  and  EPA  productivity was  achived  by  adding glycerol (Fernández Sevilla et al., 2004). 

Harvesting methods 

Phaeodactylum tricornutm can be harvested by centrifugation, e.g. at at 1800× g  (Ibáñez Gonzáles et al., 1998). Flocculation was  studied by Veloso et al.  (1991) and calcium hydroxide was  found  to be  the best flocculant at concentrations of 30‐100 mg L‐1. The addition of chitosan did not  improved the efficiency of flocculation. 

References 

Alonso D.L., Belarbi E.H., Fernandez‐Sevilla J.M., Rodriguez‐Ruiz J., Molina Grima E. (2000) Acyl lipid composition variation related to  culture  age  and  nitrogen  concentration  in  continuous  culture  of  the  microalga  Phaeodactylum  tricornutum. Phytochemistry 54: 461‐471. 

Alonso D.L., Belarbi E.L., Rodriguez‐Ruiz J., Segura C.I., Gimenez A. (1998) Acyl lipids of three microalgae. Phytochemistry 47: 1473‐1481. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 131 of 258 

Andrianasolo E.H., Haramaty L., Vardi A., White E., Lutz R., Falkowski P.  (2008) Apoptosis‐inducing galactolipids  from a cultured marine diatom, Phaeodactylum tricornutum. Journal of Natural Products 71: 1197‐1201. 

Borowitzka M.A., Volcani  B.E.  (1978)  The  polymorphic  diatom  Phaeodactylum  tricornutum  ‐  ultrastructure  of  its morphotypes. Journal of Phycology 14: 10‐21. 

Bowler C., Allen A.E., Badger J.H., et al.  (2008) The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes. Nature 456: 239‐244. 

Céron Garcia M.C., Sánchez Mirόn A., Fernández Sevilla J.M., Molina Grima E., Garcia Camacho F. (2005) Mixotrophic growth of the microalga  Phaeodactylum  tricornutum  ‐  Influence  of  different  nitrogen  and  organic  carbon  sources  on  productivity  and biomass composition. Process Biochemistry 40: 297‐305. 

De Martino  A., Meichenin  A.,  Shi  J.,  Pan  K.H.,  Bowler  C.  (2007)  Genetic  and  phenotypic  characterization  of  Phaeodactylum tricornutum (Bacillariophyceae) accessions. Journal of Phycology 43: 992‐1009. 

Desbois A.P., Mearns‐Spragg A., Smith V.J. (2009) A fatty acid from the diatom Phaeodactylum tricornutum is antibacterial against diverse bacteria including Multi‐resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Marine Biotechnology  11: 45‐52. 

Desbois A.P., Walton M., Smith V.J. (2010) Differential antibacterial activities of fusiform and oval morphotypes of Phaeodactylum tricornutum (Bacillariophyceae). Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 90: 769‐774. 

Fernández Sevilla J.M., Cerón García M.C., Sánchez Mirón A., Belarbi el H., García Camacho F., Molina Grima E. (2004) Pilot‐plant‐scale  outdoor mixotrophic  cultures  of  Phaeodactylum  tricornutum  using  glycerol  in  vertical  bubble  column  and  airlift photobioreactors: studies in fed‐batch mode. Biotechnology Progress 20: 728‐736. 

Francius G., Tesson B., Dague E., Martin‐Jezequel V., Dufrene Y.F. (2008) Nanostructure and nanomechanics of live Phaeodactylum tricornutum morphotypes. Environmental Microbiology 10: 1344‐1356. 

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. 

Guzman  S., Gato  A.,  Lamela M.,  Freire‐Garabal M.,  Calleja  J.M.  (2003)  Anti‐inflammatory  and  immunomodulatory  activities  of polysaccharide from Chlorella stigmatophora and Phaeodactylum tricornutum. Phytotherapy Research 17: 665‐670. 

Guzman‐Murillo M.A., Ascencio F.  (2000) Anti‐adhesive activity of sulphated exopolysaccharides of microalgae on attachment of red sore disease‐associated bacteria and Helicobacter pylori to tissue culture cells. Letters in Applied Microbiology  30: 473‐478. 

Hall  D.O.,  Acién  Fernández  F.G.,  Cañizares  Guerrero  E.,  Krishna  Rao  K.,  Molina  Grima  E.  (2003)  Outdoor  helical  tubular photobioreactors  for microalgal  production: Modeling  of  fluid‐dynamics  and mass  transfer  and  assessment  of  biomass productivity. Biotechnology and Bioengineering 82: 62‐73. 

Hu Q., Sommerfeld M., Jarvis E., Ghirardi M., Posewitz M., Siebert M., Darzins A. (2008) Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. The Plant Journal 54: 621‐639. 

Ibáñez González M.J., Robles Medina A., Molina Grima E., Giménez Giménez A., Carstens M., Esteban Cerdán L. (1998) Optimization of fatty acid extraction from Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 biomass. Journal of the American Oil Chemists’ Society 75: 1735‐1740.  

Lebeau T., Robert  J.M.  (2003a) Diatom  cultivation and biotechnologically  relevant products. Part  I: Cultivation at various  scales. Applied Microbiology and Biotechnology 60: 612‐623. 

Lebeau T., Robert J.M. (2003b) Diatom cultivation and biotechnologically relevant products. Part II: Current and putative products. Applied Microbiology and Biotechnology 60: 624‐632. 

Lewin J.C., Lewin R.A., Philpott D.E. (1958) Observations on Phaeodactylum tricornutum. Journal of General Microbiology 18: 418‐426. 

Liang Y., Beardall J., Heraud P. (2006) Effects of nitrogen source and UV radiation on the growth, chlorophyll fluorescence and fatty acid  composition of Phaeodactylum  tricornutum and Chaetoceros muelleri  (Bacillarlophyceae).  Journal of Photochemistry and Photobiology B‐Biology 82: 161‐172. 

Mann J.E., Myers J. (1968) On pigments, growth, and photosynthesis of Phaeodactylum tricornutum. Journal of Phycology 4: 349‐355. 

Mata T.M., Martins A.A., Caetano N.S. (2010) Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 217‐232. 

Medlin L.K., Kaczmarska  I.  (2004) Evolution of  the diatoms: V. Morphological and cytological support  for  the major clades and a taxonomic revision. Phycologia 43: 245‐270. 

Meiser A., Schmid‐Staiger U., Trosch W. (2004) Optimization of eicosapentaenoic acid production by Phaeodactylum tricornutum in the flat panel airlift (FPA) reactor. Journal of Applied Phycology 16: 215‐225. 

Molina E, Fernández J., Acién F.G., Chisti Y. (2001) Tubular photobioreactor design for algal cultures. Journal of Biotechnology 92: 113‐131. 

Molina Grima  E., García  Camacho  F.,  Sánchez  Pérez  J.A., Urda  Cardona  J., Acién  Fernández  F.G.,  Fernández  Sevilla  J.M.  (1994) Outdoor  chemostat  culture  of  Phaeodactylum  tricornutum UTEX  640  in  a  tubular  photobioreactor  for  theproduction  of eicosapentaenoic acid. Biotechnology and Applied Biochemistry 20: 279‐290. 

Monsant A., Jabbari K., Maheswari U., Bowler C. (2005) Comparative genomics of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum. Plant Physiology 137: 500–513. 

Nizard C., Friguet B., Moreau M., Bulteau A.L., Saunois A. (2007) Use of Phaeodactylum algae extract as cosmetic agent promoting the proteasome activity of skin cells and cosmetic composition comprising same. WO02/080876‐US Patent No. 7,220,417. 

Ohse S., Derner R.B., Ozόrio R.Á., Braga M.V. da C., Cunha P., Lamarca C.P., dos Santos M.E.  (2009) Production of biomass and carbon, hydrogen, nitrogen and protein contents in microalgae. Ciencia Rural 39, 1760‐1767. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 132 of 258 

Perez  E.B.,  Pina  I.C.,  Rodriguez  L.P.  (2008)  Kinetic  model  for  growth  of  Phaeodactylum  tricornutum  in  intensive  culture photobioreactor. Biochemical Engineering Journal 40: 520‐525. 

Rebolloso‐Fuentes M.M., Navarro‐Pérez A., Ramos‐Miras  J.J., Guil‐Guerrero  J.L  (2001) Biomass nutrient profiles of  the microalga Phaeodactylum tricornutum. Journal of Food Biochemistry 25: 57‐76. 

Reitan K.I., Rainuzzo J.R., Olsen Y. (1994) Effect of nutrient limitation on fatty‐acid and lipid‐content of marine microalgae. Journal of Phycology 30: 972‐979. 

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. 

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G.  (1990) The diatoms  ‐ biology and morphology of the genera. Cambridge University Press, Cambridge, UK. 

Rushforth S.R.,  Johansen  J.R., Sorensen D.L.  (1988) Occurrence of Phaedactylum  tricornutum  in  the Great Salt  Lake, Utah, USA. Great Basin Naturalist 48: 324‐326. 

Scala S., Carels N., Falciatore A., Chiusano M.L., Boweler C. (2002) Genome properties of the diatom Phaeodactylum tricornutum. Plant Physiology 129: 993‐1002. 

Sheehan J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. (1998) A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—biodiesel from algae. 

Tonon  T.,  Harvey  D.,  Larson  T.R.,  Graham  .IA.  (2002)  Long  chain  polyunsaturated  fatty  acid  production  and  partitioning  to triacylglycerols in four microalgae. Phytochemistry 61: 15‐24. 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.,  (eds.)  New  Technologies  in  Aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management. Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK, and CRC Press LLC, Boca Raton, FL, USA. pp. 610–676. 

Vardi A., Thamatrakoln K., Bidle K.D., Falkowski P.G. (2008) Diatom genomes come of age. Genome Biology 9: 245. Veloso  V.,  Reis  A., Gouveia  L.,  Fernandes H.L.,  Empis  J.A., Novais  J.M.  (1991)  Lipid  production  by  Phaeodactylum  tricornutum. 

Bioresource Technology 38: 115‐119. Yu E.T., Zendejas F.J., Lane P.D., Gaucher S., Simmons B.A., Lane T.W. (2009) Triacylglycerol accumulation and profiling in the model 

diatoms Thalassiosira pseudonana and Phaeodactylum tricornutum (Baccilariophyceae) during starvation. Journal of Applied Phycology 21: 669‐681. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 133 of 258 

8.3.3 Chaetoceros muelleri 

 

     Figure 46 ‐ Light microscopic picture 

of Chaetoceros muelleri. 

 

Instant Algae® 

Figure 47 ‐ Scanning electron microscopic picture of Chaetoceros 

sp. 

Picture form SDSU Center For Inland Water 

Figure 48 ‐ Scanning electron microscopic picture of a resting 

spore of Chaetoceros sp. 

Picture form SDSU Center For Inland Waters 

              

   SYMBOLS:                     D 

TAXONOMY 

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Mediophyceae Order  Chaetocerotales  Family  Chaetocerotaceae  Genus  Chaetoceros  Species  Chaetoceros muelleri  

Related species  

Chaetoceros muelleri  var.  subsalsum  Johansen  &  Rushforth  1985.  The  taxonomic  relationships  are  not adequately resolved in Chaetoceros (see 1.5) and several cryptic species within C. muelleri are conceivable (Johansen et al., 1990).  Potentially important for biofuel: Chaetoceros calcitrans  

BIOLOGY 

The diatom genus Chaetoceros is among the largest genera of diatoms and comprises several hundreds of species. The genus belongs to the bi‐ or multipolar centric class (Mediophyceae), with Chaetoceros having a bipolar valve outline. The cells occur  in chains held together by  long spines called setae that extend from the corners of the cells. Many species form resting spores, which are often abundant  in the fossil record. Therefore, this genus is important within the disciplines of marine biology, marine geology, oceanography, and  aquaculture.  Chaetoceros  is  usually  divided  in  2  subgenera which  are  further  divided  in  numerous sections:  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 134 of 258 

• subgenus Phaeoceros with species characterized by numerous chloroplasts  throughout  the cell and robust spiny setae containing chloroplasts.   

• subgenus  Hyalochaete  consisting  of  species  having many  parietal  plastids  and  thin  setae  lacking chloroplasts. 

The evolutionary history of the genus Chaetoceros is poorly known, and the classification largely based on observations of the morphology and ultrastructure of some species. Molecular data will be necessary to unravel phylogenetic relationships.  

Cells of Chaetoceros are  joined  in chains that are coiled, curved or straight. Occasionally the cells are solitary. Cells are narrowly to broadly elliptical  in valve view and rectangular  in girdle view and are united by  fusion  or  interlocking  of  setae  produced  from  the  valve.  They  contain  one  or more  small  plate‐like plastids.  Cell width  (apical  axis)  varies with  species,  roughly  ranges  from  <10  µm  to  50 µm. Vegetative cells/colonies  are  weakly  silicified.  It  can  be  difficult  to  identify  Chaetoceros  taxa  because  they  are notoriously variable in morphology. C. muelleri is also a variable taxon, both in vegetative cells and resting spores and  it has been  reported under more  than 10 different specific names. Most populations of non‐marine,  non‐colonial  Chaetoceros  species  have  been  reported  as  C. muelleri.  Two  different  forms  of  C. muelleri have been described: the nominate form C. muelleri var. muelleri is characterized by the frequent presence of a small process on the valve face associated with chain formation (chains of only 2‐4 cells) and smoothly curved setae, while C. muelleri var. subsalsum lacks valvar processes and consequently does not form colonies. Both forms have no ornamentation on their resting spores.  

Proximate  composition  (dry  weight  percentage)  in  C.  muelleri  is  43.1%  crude  protein,  17.1  % carbohydrates, 21.5% lipids and 18.3% ash. 

Chaetoceros  is an  important marine planktonic genus and  some  species are major bloom  formers  in both  oceanic  and  coastal  habitats. Only  a  few  species  have  been  recorded  in  fresh water.  Chaetoceros muelleri has been reported mainly  from brackish waters of varying salinities and temperatures  in Europe and  North  America.  The  species  is  only  rarely  reported  from  freshwater  habitats  and  has  never  been recorded from true marine systems. 

BIOTECHNOLOGY 

Chaetoceros muelleri is used in the aquaculture industry, primarily as feed for bivalve shellfish and shrimp (Brown  et al., 1997).  This  is due  to  its  fatty  acid profile,  comprising 5–20%  eicosapentaenoic  acid  (EPA, C20:5ω3), 0.2–1% docosahexaenoic acid (DHA, C22:6ω3) and < 0.2% arachidonic acid (AA, C20:4ω6) of the total fatty acid content and its appropriate size for feeding of the larvae (e.g. 5–8 µm) (Brown et al., 1997). 

Chaetocers has been evaluated as a source for biodiesel production, although only at laboratory scale. The  average  total  lipid  content  for  C.  muelleri  is  about  19%  cell  dry  weight  under  nutrient  replete conditions,  27% under N  deficient  conditions,  36% under  Si  deficient  conditions  (Griffiths  and Harrison, 2009). The high  lipid content of the algae of this genus  (up to 40%)  is counterbalanced by a  low biomass productivity (70 mg L‐1 day‐1) that makes the exploitation of this alga difficult (Rodolfi et al., 2009). 

Outdoor mass  cultivation  of  Chaetoceros  is  usually  carried  out  in  the  hatcheries,  often  indoors,  in cylinders and  tanks  that do not allow high productivities  (Tredici et al., 2009).  In 3000‐L  tanks, biomass productivity  of  C.  muelleri  ranged  from  22.5  to  45.7  mg  L‐1day‐1  indoors,  while  outdoors  the  mean productivity varied from 29.0 to 69.7 mg L‐1day‐1 in winter and spring, respectively (Lόpez‐Elías et al., 2005). In a 350‐L Flat‐Plate photobioreactor outdoors, Zhang and Richmond (2003) obtained with C. muelleri var. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 135 of 258 

subsalsum productivities as high as 0.15 g L‐1 day‐1 with a daily harvest of 10% and a light path length of 20 cm. 

References 

Blinn  D.W.  (1984)  Growth‐responses  to  variations  in  temperature  and  specific  conductance  by  Chaetoceros  muelleri (Bacillariophyceae). British Phycological Journal 19: 31‐35. [BIOLOGY section] 

Brown M.R., Jeffrey S.W., Volkman J.K., Dunstan G.A. (1997) Nutritional properties of microalgae for mariculture. Aquaculture 151: 315‐331. 

Gran H.H. (1897) Botanik. Prophyta: Diatomaceae, Silicoflagellata og Cilioflagellata. Den Norske Nordhavs‐Expedition 1876–1878. 7, pp. 1‐36. [BIOLOGY section] 

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. 

Hasle G.R.,  Syvertsen  E.E.  (1997) Marine  diatoms.  In:  Tomas  C.R.  (ed.)  Identifying Marine  Phytoplankton,  Academic  Press,  San Diego, pp. 5‐385. [BIOLOGY section] 

Jaime‐Ceballos B.J., Hernández‐Llamas A., Garcia‐Galano T., Villarreal H.  (2006) Substitution of Chaetoceros muelleri by Spirulina platensis meal in diets for Litopenaeus schmitti larvae. Aquaculture 260: 215‐220. [BIOLOGY section] 

Johansen  J., Rushforth  S.  (1985) A  contribution  to  the  taxonomy of Chaetoceros muelleri  Lemmermann  (Bacillariophyceae) and related taxa. Phycologia 24: 437‐447. [BIOLOGY section] 

Lόpez‐Elías  J.A., Voltolina D., Enríquez‐Ocaña F., Gallegos‐Simental G.  (2005)  Indoor and outdoor mass production of  the diatom Chaetoceros muelleri in a mexican commercial hatchery. Aquacultural Engineering 33: 181‐191. 

Medlin L.K., Kaczmarska  I.  (2004) Evolution of  the diatoms: V. Morphological and cytological support  for  the major clades and a taxonomic revision. Phycologia 43: 245‐270. [BIOLOGY section] 

Ostenfeld  C.H.  (1903)  Plankton  from  the  sea  around  the  Færöes.  In: Warming,  E.  (ed.)  Botany  of  the  Færöes, Nordisk  Forlag, Copenhagen, pp. 588‐611. [BIOLOGY section] 

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. 

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G.  (1990) The diatoms  ‐ biology and morphology of the genera, Cambridge University Press, Cambridge, UK. [BIOLOGY section] 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

Zhang  C.W.,  Richmond  A.  (2003)  Sustainable,  high‐yielding  outdoor mass  cultures  of  Chaetoceros muelleri  var.  subsalsum  and Isochrysis galbana in vertical plate reactors. Marine Biotechnology 5: 302‐310. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 136 of 258 

 

8.3.4 Cyclotella cryptica  

   

Figure 49 ‐ Light microscopic view of a chain of living cells from strain CCMP332 in CCMP of Cyclotella 

cryptica. 

   

© B.Beszteri, AWI, Bremerhaven  

Figure 50 ‐ SEM of the valve of C. cryptica.  

Overall view of the distal valve surface. Arrow denotes the location of a fultoportula offset from the 

valve center  Picture from (Tesson, Hildebrand, 

2010)   

Figure 51 ‐  SEM of the valve of C. cryptica. 

Proximal view of the valve. Wide ribs are predominant and a fultoportula is located by an 

arrow.   Picture from (Tesson, Hildebrand, 

2010) 

 

                SYMBOLS:                        D  

TAXONOMY 

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Mediophyceae Order  Thalassiosirales Family  Stephanodiscaceae Genus  Cyclotella  Species  Cyclotella cryptica  

Related species  

A genus of around 100 species. There are 230 species names in the algae database at present, of which 108 have been flagged as currently accepted taxonomically. 

BIOLOGY 

Cyclotella  is  a  radial  centric  genus of  around  100  species.  The  genus  is part of  the Mediophyceae  class comprising bi‐ and multipolar  centrics and  the  radial Thalassiosirales,  the order  including Cyclotella. The Thalassiosirales are a  sistergroup of  the pennates. Strutted processes  (fultoportula)  through which chitin threads are secreted for chain formation and flotation are restricted to the Thalassiosirales and are simple tubes which penetrates the silica framework with adjacent pores. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 137 of 258 

Cyclotella cells are short, drum‐shaped, free‐living or forming filaments, chains or rarely clusters, united by mucilage.  They  have  numerous  discoid  plastids.  C.  cryptica  exhibits  very  stiff,  thin,  crystalline,  and chitinous  fibril  appendages  that  attach  to  the  pores  of  its  valves.  The  valves  are  almost  flat  to  slightly concentrically undulate. The diameter of C. cryptica ranges from 5–25 µm. C. cryptica has been shown to display  extreme  morphological  plasticity  depending  on  salinity.  Its  frustules  show  the  morphology considered characteristic of C. meneghiniana, a closely related species, when grown in low salinity medium, whereas  they  produced  the  typical  C.  cryptica morphology  at  higher  salinities.  C.  cryptica  can  produce auxospores from vegetative cells. 

C. cryptica is a planktonic species occurring in marine and brackish environments. The distribution of C. cryptica  is widespread.  In marine  and  brackish  environments,  C.  cryptica  requires NO3‐  as  its  source  of nitrogen. It is capable of heterotrophic growth in the dark on glucose. This suggests it can survive in bottom waters  or  muds  with  high  glucose  content  for  extended  periods  of  time.  It  probably  recommences photoautotrophic growth higher  in  the water  column when environmental  conditions  improve.  It  is also known to grow photoheterotrophically. 

BIOTECHNOLOGY 

Cyclotella species are cultured for aquaculture (brine shrimp, Artemia) (Lebeau and Robert, 2003), mainly due  to  its  ability  to prodcuce  EPA. Wood  et al.  (1999)  compared  the  growth of C.  cryptica on different organic  carbon  substrates  and  on medium without  organic  carbon  sources:  growth was  stimulated  by supplementation with glucose and glycerol and was  inhibited by acetate, and grew better on nitrate than on ammonia. The fatty acid composition seemed to be affected principally  in the degree of unsaturation, that was  lower with  organic  carbon. Under  heterotrophic  conditions  in  19‐L  carboys  Pahl  et  al.  (2010) reached 2.1 g L‐1 after 12 days of cultivation. 

The  first  successful  transformation of a microalgal  strain with potential  for biodiesel production was achieved in 1994, with successful transformation of the diatoms Cyclotella cryptica and Navicula saprophila (Dunahay et al., 1995). This opened ways for genetic engineering for enhanced lipid production. 

In  C.  cryptica  a  dramatic  increase  in  the  lipid  content  of  the  cultures was  seen  under  N‐deficient conditions  in cells grown at 30°C: the  total  lipids, as a percentage of AFDW,  increased  from 15% to 44%, and  the  increase  in  total  lipids was  due  to  increases  in  both  the  neutral  lipid  and  polar  lipid  fractions (Sheehan et al., 1998). A Cyclotella species, exhibited an increase of lipid content of more than 40% of dry weight upon Si limitation. However, lipid productivity (9 g m‐2 day‐1), was not significantly different between Si‐deficient  and  the  Si‐sufficient  controls,  because  of  the  high  productivity  of  the  Si  sufficient  culture (Sheehan et al., 1998). 

Biomass productivity for C. cryptica grown in outdoor ponds in California was about 30 g m‐2 day‐1  with a photosynthetic efficiency of 7.0% (Sheehan et al., 1998).  

References 

Dunahay T.G., Jarvis E.E., Roessler P.G. (1995) Genetic transformation of the diatoms Cyclotella cryptica and Navicula saprophila. Journal of Phycology 31: 1004‐1012. 

Herth W., Zugenmaier P. (1977) Ultrastructure of the chitin fibrils of the centric diatom Cyclotella cryptica. Journal of Ultrastructure Research 61: 230‐239. [BIOLOGY section] 

Lebeau  T., Robert  J.M.  (2003) Diatom  cultivation  and biotechnologically  relevant products. Part  I: Cultivation  at  various  scales. Applied Microbiology and Biotechnology 60: 612‐623. 

Medlin LK., Kaczmarska  I.  (2004) Evolution of  the diatoms: V. Morphological and cytological support  for  the major clades and a taxonomic revision. Phycologia 43: 245‐270. [BIOLOGY section] 

Pahl S.L., Lewis D.M., Chen F., King K.D. (2010) Growth dynamics and the proximate biochemical composition and fatty acid profile of the heterotrophically grown diatom Cyclotella cryptica. Journal of Applied Phycology 22: 165‐171. 

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G.  (1990) The diatoms  ‐ biology and morphology of the genera, Cambridge University Press, Cambridge, UK. [BIOLOGY section] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 138 of 258 

Schultz M.E. (1971) Salinity‐related polymorphism in the brackish‐water diatom Cyclotella cryptica. Canadian Journal of Botany 49: 1285‐1289. [BIOLOGY section] 

Sheehan J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. (1998) A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—biodiesel from algae. 

Tesson  B.,  Hildebrand  M.  (2010)  Dynamics  of  silica  cell  wall  morphogenesis  in  the  diatom  Cyclotella  cryptica:  Substructure formation and the role of microfilaments. Journal of Structural Biology 169: 62‐74. [BIOLOGY section] 

White A.W. (1974) Growth of two facultatively heterotrophic marine centric diatoms. Journal of Phycology 10: 292‐300. [BIOLOGY section] 

Wood B.J.B., Grimson P.H.K., German  J.B., Turner M.  (1999) Photoheterotrophy  in  the production of phytoplankton organisms. Journal of Biotechnology 70: 175‐183. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 139 of 258 

 

8.3.5 Odontella aurita 

 Figure 52 ‐  Light microscopic view showing Odontella aurita 

Picture from Algaebase.com (Karl Bruun) 

  

                SYMBOLS:                                   D   

TAXONOMY 

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Mediophyceae Order  Triceratiales Family  Triceratiaceae Genus  Odontella  Species  Odontella aurita  

Related species  There are 76 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 11 have been flagged as currently accepted taxonomically.  Synonym and related species:  

• Odontella aurita var. minima (Grunow) De Toni  • Odontella subaequa Kützing  

BIOLOGY 

Odontella  aurita  cells  are  oblong  in  girdle  view, with  long  'spines'  and  raised  apical  elevations.  It  often forms chains linked by the processes, with the tubular spines crossing each other. Cells have many plastids, small  and  discoid.  The  diameter  varies  from  10  to  100  µm.  Valves  are  elliptical  or  lanceolate, with  no separation  into  face and mantle. Valve  face  is plain or with  fine granules,  spinules or  spines,  sometimes with two ridges (which may be fibriate) running on either side delimiting an elliptical area in the centre. At each end there is an elevation, sometimes low and blunt, elsewhere horn‐like, which bears an ocellus. Wall is loculate, with fine external pores and round internal foramina. The edge of the valve mantle is sometimes recurved  so  that a groove  runs around  just above  the  free edge. The  spines, which are  very  variable  in length, are actually the exit tubes of the rimoportulae, and are placed in the centre of the valves or close to 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 140 of 258 

the bases of the elevations, diagonally opposite each other; they can have small apical spinules. Internally the  rimoportulae  are  sessile  and  lie  in  slight  depressions.  Copulae  are  split, with  ligulae  and  clustered fimbriae along the advalvar edge; areolae are simple, in vertical rows. The valvocopula is modified to fit the 'sculptured' edge of the valve mantle. O. aurita is a marine alga, planktonic or epiphytic. It is very abundant throughout the oceans. 

BIOTECHNOLOGY 

O. aurita contains 22% of eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5ω3) and 0.9‐1.7% of docosahexaenoic acid (DHA, 22:6ω3) with respect to toal fatty acid content.  It has been approved for human consumption  in 2002 by the European Community and  is mainly sold  in form of dried biomass as a dietary supplement (Tredici et al., 2009). 

O. aurita is cultivated in open ponds in the Vandée Region in France. It develops from the end of April until half October. With stable growing conditions  the average doubling  time  is 2.6 days and  the specific growth rate is of 31% day‐1. O. aurita is harvested mechanically by sedimentation or by filtration, followed by centrifugation. The algal paste is then frozen, and is lyophilised (freeze‐dried) before marketing.  

O. aurita  is a rich source of the carotenoid fucoxanthin (Moreau et al., 2006). This molecule exhibited cytostatic  activity  and  this  effect  could  have  important  implications  for  the  application  of  this  kind  of microalgae  in  food  manufacturing  and  the  formulation  of  ocular  implant  products  used  in  cataract treatment (Moreau et al., 2006). 

Odontella aurita is also used in cosmetic industry (Patt, 2008; Redziniak and Donguy, 2009). Although this alga  is commercially produced and  it  is reported to have  lipid contents of about 7‐13% 

under  nutrient  replete  conditions,  no  studies  have  been  carried  out  to  assess  its  biodiesel  production potential. 

References 

Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=44427 [BIOLOGY section] Moreau D., Tomasoni C., Jacquot C., Kaas R., Le Guedes R., Cadoret J.P., Muller‐Feuga A., Kontiza I., Vagias C., Roussis V., Roussakis 

C. (2006) Cultivated microalgae and the carotenoid fucoxanthin from Odontella aurita as potent anti‐proliferative agents in bronchopulmonary and epithelial cell lines. Environmental Toxicology and Pharmacology 22: 97‐103. 

Patt L.M. (2008) Methods and compositions for preventing and treating aging or photodamaged skin. US Patent No. 7,384,916. Redziniak  G.,  Donguy  D.  (2009)  Use  of  fat‐soluble  extract  of  Odontella  aurita  for  restructuring  skin,  composition  for  use  and 

cosmetic method using the extract. Japanese Patent JP2009029806. Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other 

uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 141 of 258 

 

8.3.6   Skeletonema sp. 

 

 Figure 53 ‐ Light microscopic view showing Skeletonema costatum 

Picture from Algaebase.com (Karl Bruun) 

  

                SYMBOLS:                                          D  

TAXONOMY 

   

Phylum  Bacillariophyta Class  Mediophyceae Order  Thalassiosirales Family  Skeletonemaceae Genus  Skeletonema  Species   

Related species  

There are 21 species (and infraspecific) names in the database at present, of which 20 have been flagged as currently accepted taxonomically.  

BIOLOGY 

Cells are generally colonial and contain one or two cup‐shaped chloroplasts. Cells  joined by  long marginal processes to form filaments, which appear in the light microscope like short beads joined by numerous fine threads. Valves circular; valve face convex to flat; mantles deep. Valves with a prominent network of costae externally, becoming pseudoloculate near the margin.  Internally with distinct cribra on the flat or slightly ribbed surface. A single ring of processes occurs around the top of the mantle. These are closely associated with  a  ring of  fultoportulae,  the external openings of which  are  short  tubes hidden  in  the bases of  the processes. The processes are  semi‐circular  in cross‐section and expand at  their apices  to  form  'knuckles' which  interlock with the processes from the adjacent cell; they are sometimes much  longer than the cell and  can  interlock with  either  one  or  two  processes  of  the  sibling  valve.  Apical  axis  is  2‐21  µm while 

pervalvar  axis  is  2‐61 µm. Discrimination  among  species  of  the  Skeletonema  costatum  group  is  very difficult.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 142 of 258 

Skeletonema occurs  in  coastal waters  throughout  the world where  it  can be  an  extremely  common diatom.  Several  species  are  reported  in  various  oceanic  regions  but  all  these  need  re‐investigation.  In addition several fossil species have been described. 

BIOTECHNOLOGY 

Skeletonema  is widely used  in aquaculture as bivalve  larvae and postlarvae and  for penaeid shrimp  larve (Tredici et al., 2009). Gross composition is about 40% protein, 20% carbohydrates and 20% lipid and, among fatty acids, about 6% eicosapentaenoic acid  (EPA, 20:5ω5) and 2% docosahexaenpic acid  (DHA, 22:6ω3) (Brown et al., 1989; Rodolfi et al., 2009). 

Skeletonema is worldwide cultivated in hatcheries using low productivity systems suc as tanks, sleeves and cylinders (Tredici et al., 2009). Biomass productivities are usually very low (in the order of 104 cells ml‐1 day‐1, corresponding to tens of milligrams dry weight per liter per day) (Laing, 1991; Popovich et al., 2011). Outdoors in 1000 m3 cultivation volume, made of 20 units of 50‐m3 4‐m depth and 28 m2 surface area, 12 tons of dry biomass are produced yearly (Kitto et al., 1999). Weiss (2008) reports a biomass productivity of about  20  g  m‐2  day‐1  cultivating  S.  costatum  in  ponds  with  waste  CO2  and  turbine  cooling  seawter. Skeletonema can be harvested through auto‐flocculation and sedimentation (Weiss, 2008).  

An extract from the peptidic fraction of Skeletonema costatum containing the active principle named grevilline is used in cosmetics as a skin treatment for erythema (Rocquet and Reynaud, 2008). 

Skeletonema has been listed among possible interesting strains for biodiesel production (Rodolfi et al., 2009; Popovich et al., 2011), although at present no data about pilot scale cultivation for this purpose are available.  

References 

Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id= 43754 [BIOLOGY section] Brown M.R.,  Jeffrey  S.W., Garland C.D.  (1989) Nutritional aspects of microalgae used  in mariculture; a  literature  review. CSIRO 

Marine Laboratories, Report 205. Kitto M.R., Regunathan  C., Rodrigues A.  (1999) An  industrial  photosynthetic  system  for  Skeletonema  costatum  in  arid  regions. 

Journal of Applied Phycology 11: 391‐397.  Laing I. (1991) Cultivation of marine, unicellular algae. Laboratory Leaflet No. 67, Ministry of Agriculture, Fisheroes and Food, UK. Popovich  C.A., Damiani  C.,  Constenla D.,  Leonardi  P.I.  (2011)  Lipid  quality  of  the  diatoms  Skeletonema  costatum  and Navicula 

gregaria  from  the South Atlantic Coast  (Argentina): evaluation of  its  suitability as biodiesel  feedstock.  Journal of Applied Phycology: DOI 10.1007/s10811‐010‐9639‐y. 

Rocquet C., Reynaud R. (2008) A natural way to relieve the skin from erythema: grevilline. Cosmetic Science Technology 2008: 129‐136. 

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. 

Stazione Zoologica di Napoli [BIOLOGY section]: http://www.szn.it/SZNWeb/cmd/ShowArchiveItem?TYPE_ID=SPECIE&ITEM_ID=6883&LANGUAGE_ID=1&_languageId_=2 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

Weiss H. (2008) Method for growing photosynthetic organisms. Patent WO 2008/107896 A2. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 143 of 258 

 

8.3.7 Thalassiosira pseudonana 

 

   Figure 54 ‐ Light microscopic view showing 

Thalassiosira pseudonana culture 

Picture courtesy of SBAE 

Figure 55 ‐ Scanning electron micrograph showing the intricate cell‐wall pattern of T. pseudonana 

Photo by Nils Kröger, Georgia Institute of Technology 

   

               SYMBOLS:                                       D  

 

TAXONOMY    

Phylum  Bacillariophyta Class  Mediophyceae Order  Thalassiosirales Family  Thalassiosiraceae Genus  Thalassiosira  Species  Thalassiosira pseudonana  

Related species  There are 186 species names in the algae database at present, of which 82 have been flagged as currently accepted taxonomically. Potentially important for biofuel: T. weissflogii  

 

BIOLOGY 

Thalassiosira  is  a  radial  centric  genus  including  more  than  100  species.  The  genus  is  part  of  the Mediophyceae  class  comprising  bi‐  and  multipolar  centrics  and  the  radial  Thalassiosirales  to  which Thalassiosira  belongs.  Fultoportula  or  strutted  processes  are  the  defining  character  of  the  order Thalassiosirales.  A  molecular  phylogeny  showed  the  the  paraphyletic  nature  of  the  families Thalassiosiraceae,  Skeletonemaceae,  and  Stephanodiscaceae  within  the  order  and  of  the  genus Thalassiosira, as defined presently. Some species of Thalassiosira may be closer relatives of Stephanodiscus, whereas others are more closely related to some species presently assigned to the genus Cyclotella (both from the family Stephanodiscaceae), as compared with other species of the genus Thalassiosira. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 144 of 258 

T. pseudonana was  chosen  as  the  first eukaryotic marine phytoplankton  for whole  genome sequencing. T. pseudonana  is a model  for diatom physiology studies, belongs  to a genus widely distributed  throughout  the world's  oceans,  and  has  a  relatively  small  genome  (34 mega  base pairs).  In spite of the  fact that the centric and pennate  lineages have only been diverging  for 90 million  years,  their  genome  structures  are  dramatically  different  and  a  substantial  fraction  of genes (40%) are not shared by these representatives of the two lineages. T. pseudonana can also be genetically transformed.  

Generally Thalassiosira cells contain numerous chloroplasts; cells are disc‐ or drumshaped, occurring as single cells, as chains (connected by a central or several organic threads), or  in mucilage colonies. Organic threads usually extrude from strutted processes. The circular, areolated valves possess one or sometimes several central and always marginal strutted processes. They can also be distributed over the whole valve. Resting spores known for some species. The morphological identification of Thalassiosira species is mainly based on ultrastructure details like the number and location of the rimoportulae (tubes on valve connecting the diatom protoplast with the outside) and fultoportulae processes on the valve. Colony configuration and the form of the cells also provide characters for species identification under the light microscope. However, for  identification of most  species examination of  the  frustules  in  the electron microscope  is essential. T. pseudonana  is a relatively small species  (cell diameter 2‐15 µm) with variable valve morphology. The cell diameter  is  larger  than  the  pervalvar  axis.  T.  pseudonana  showed  no  evidence  of  the  size  reduction–restitution cycle that is so unique for the diatoms. 

T. pseudonana is a cosmopolitan species living in both fresh and coastal waters.  

BIOTECHNOLOGY 

Thalassiosira species are cultured  in aquaculture because their high nutritional value (Lebeau and Robert, 2003). T. pseudonana is used as feed for bivalve mollusks larvae (Brown et al., 1997; Duerr et al., 1998). The biomass of T. pseudonana contains 30 ‐ 46% protein, 6 ‐ 36% carbohydrates, 21 ‐ 31% lipids depending on harvest stage and on light photoperiod and irradiance level (Brown et al., 1996). 

Thalassiosira genes have already contributed to research and commercial efforts to produce vlcPUFAs in transgenic crop plants (Tonon et al., 2004, 2005). 

Thalassiosira has been evaluated as a potential biodiesel producer only at laboratort scale. The average total  lipid content for T. pseudonana calculated from  literature by Griffiths and Harrison  (2009)  is of 16% cell dry weight under nutrient replete conditions and 26% under N deficient conditions. Cells in logarithmic 

phase have high proportions of polar lipids (79 to 89% of total lipid) and low triacylglycerol (≤10% of total lipid). Cells in stationary phase contain less polar lipid (48 to 57% of total lipid) and more triacylglycerol (22 to 45% of  total  lipid), with an  increase  in  saturated and monounsaturated  fatty acids and a decrease  in PUFAs  (Brown et al., 1996; Zhukova, 2004). Yu et al.  (2009)  showed a TAG yield  from T. pseudonana of about 14–18% of  total dry weight. Silicate‐starved cells accumulated an average of 24% more TAGs  than those starved for nitrate; however, the chemotypes of the TAGs produced were generally similar regardless of  the  starvation  condition  employed.  Under  laboratory  conditions,  Rodolfi  et  al.  (2009)  found  for  T. pseudonana low biomass (80 mg L‐1 day‐1) and lipid (17.4 mg L‐1 day‐1) productivities.  

References 

Armbrust E.V., Berges J.A., Bowler C., et al.  (2004) The genome of the diatom Thalassiosira pseudonana: Ecology, evolution, and metabolism. Science 306: 79‐86. [BIOLOGY section] 

Bowler C., Allen A.E., Badger J.H., et al.  (2008) The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes. Nature 456: 239‐244. [BIOLOGY section] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 145 of 258 

Brown M.R., Dunstan G.A., Norwood S.J., Miller K.A. (1996) Effects of harvest stage and light on the biochemical composition of the diatom Thalassiosira pseudonana. Journal of Phycology 32: 64‐73. 

Brown M.R., Jeffrey S.W., Volkman J.K., Dunstan G.A. (1997) Nutritional properties of microalgae for mariculture. Aquaculture 151: 315‐331. 

Duerr E.O., Molnar A., Sato V. (1998) Cultured microalgae as aquaculture feeds. Journal of Marine Biotechnology 7: 65‐70. 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. Hasle  G.R.  (1976).  Examination  of  diatom  type  material:  Nitzschia  delicatissima  Cleve,  Thalassiosira  minuseula  Kraaske,  and 

Cyclotella nana Hustedt. British Phycological Journal 11: 101‐110. [BIOLOGY section] Hasle  G.R.,  Heimdal  B.R.  (1970)  Some  species  of  the  centric  diatom  genus  Thalassiosira  studied  in  the  light  and  electron 

microscopes. Nova Hedwigia 31: 559‐597. [BIOLOGY section] Hasle G.R.,  Syvertsen  E.E.  (1997) Marine  diatoms.  In:  Tomas  C.R.  (ed.)  Identifying Marine  Phytoplankton,  Academic  Press,  San 

Diego, pp. 5‐385. [BIOLOGY section] Hoppenrath M., Beszteri B., Drebes G., Halliger H., Van Beusekom  J.E.E.,  Janisch  S., Wiltshire  K.H.  (2007)  Thalassiosira  species 

(Bacillariophyceae, Thalassiosirales)  in the North Sea at Helgoland (German bight) and sylt (North Frisian Wadden Sea) ‐ A first approach to assessing diversity. European Journal of Phycology 42: 271‐288. [BIOLOGY section] 

Kaczmarska I., Beaton M., Benoit A.C., Medlin L.K. (2005) Molecular phylogeny of selected members of the order Thalassiosirales (Bacillariophyta) and evolution of the fultoportula. Journal of Phycology 42: 121‐138. [BIOLOGY section] 

Lebeau  T., Robert  J.M.  (2003) Diatom  cultivation  and biotechnologically  relevant products. Part  I: Cultivation  at  various  scales. Applied Microbiology and Biotechnology 60: 612‐623. 

Poulsen  N.,  Chesley  P.,  Kröger  N.  (2006)  Molecular  genetic  manipulation  of  the  diatom  Thalassiosira  pseudonana (Bacillariophyceae). Journal of Phycology 42: 1059–1065. [BIOLOGY section] 

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. 

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G.  (1990) The diatoms  ‐ biology and morphology of the genera, Cambridge University Press, Cambridge, UK. [BIOLOGY section] 

Tonon T., Harvey D., Qing R, Li Y., Larson T.R., Graham I.A. (2004) Identification of a fatty acid Δ11‐desaturase from the microalga Thalassiosira pseudonana. FEBS Letters 563: 28‐34. 

Tonon T., Qing R.W., Harvey D., Li Y., Larson T.R., Graham I.A. (2005) Identification of a long‐chain polyunsaturated fatty acid acyl‐coenzyme a synthetase from the diatom Thalassiosira pseudonana. Plant Physiology 138: 402‐408. 

Yu E.T., Zendejas F.J., Lane P.D., Gaucher S., Simmons B.A., Lane T.W. (2009) Triacylglycerol accumulation and profiling in the model diatoms Thalassiosira pseudonana and Phaeodactylum tricornutum (Baccilariophyceae) during starvation. Journal of Applied Phycology 21: 669‐681. 

Zhukova N.V.  (2004) Changes  in  the  lipid composition of Thalassiosira pseudonana during  its  life cycle. Russian  Journal of Plant Physiology 51: 702‐707. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 146 of 258 

 

8.4 Eustigmatophyceae (phylum Heterokontophyta) 

8.4.1 Monodus subterraneus 

 

 Figure 56 ‐  Light microscopic view showing Monodus sp. 

Picture from UNIFI 

                 SYMBOLS:                        D  

TAXONOMY    

Phylum  Heterokontophyta   Heterokontophyta  Class  Xanthophyceae  Eustigmatophyceae Order  Mischococcales  ‐‐‐‐‐ Family  Pleurochloridaceae  Monodopsidaceae Genus  Monodus   Monodospis Species  Monodus subterraneus  Monodospis subterranea 

Related species  

This  genus  is  of  uncertain  collocation.  Most  of  the  algae  collection  display  Monodus  under  the Eustigmatophyceae, but several taxonomies still report this genus under the Xanthophyceae. Pigments are similar  to  Eustigmatophyceae  while  its  cell  structure  is  different  from  the  standard  eustimatophyte structure. There are 17 species (and infraspecific) names in the database at present. Synonym: 

• Monodus subterraneus = Monodopsis subterranea • Monodus ovalis = Pseudocharaciopsis ovalis 

 

BIOLOGY 

Monodus has been previously classified as a xanthophyte, then it has been moved to eustigmatophytes, but it has  intermediate characters. Cells are solitary, 5–10 μm  long and  less than 10 μm  in diameter. Cells are free‐floating, spherical, ovoid, elliptical or cylindrical  in shape. Chloroplast  is  terminal, yellow‐green, with embedded pyrenoid. Reproduction occurs by autospores and zoospores; aplanospores and cysts have also been noted. In Monodus subterraneus (syn. Monodopsis subterranea) zoospores are not present. Monodus 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 147 of 258 

is euplanktonic and metaphytic  in dystrophic, mesotrophic, and eutrophic ponds, pools, seeps, and  lakes often in association with Sphagnum, sedges, and/or Typha. 

BIOTECHNOLOGY 

Monodus  subterraneus  has  been  cultivated  at  pilot  plant  for  its  ability  to  produce  high  amounts  of eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5ω5), which synthesis in this alga has been widely studied (Khozin‐Goldberg et al., 2002; Liu and Lin, 2005; Khozin‐Goldberg and Cohen, 2006). At present, only one ditary supplement conatianing Monodus for EPA is commercialised. 

Under  artificial  illumination,  in  a  cultivation  system  consisting  of  a  helical  tubular  photobioreactor (‘Biocoil’) constructed  from transparent PVC tubing  to contain a total volume of 4.5  liter, Lu et al.  (2001) found that biomass and EPA productivities were 1.3‐1.7 g L‐1 day‐1 and 44‐56 mg L‐1 day‐1, respectively. 

Outdoors, M. subterraneus was cultivated in a flat, inclined modular photobioreactor (FIMP), consisting of a series of four individual 14‐L glass reactors measuring 70 cm high, 90 cm long and 2.8 cm wide, Qiang et al. (1997) obtained a maximal EPA productivity of 58.9 mg L‐1 day‐1 and a biomass productivity of 1.55 g L‐1 day‐1 at  the optimal  cell density of 4 g  L‐1.  Lu et al.  (2002)  cultivated M.  subterraneus  in a 75‐L helical reactor and in a 57‐L bubble column obtaining low biomass productivity in both photobioreactors, although productivity was  higher  in  the  helical  reactor  than  in  the  bubble  column  regardless  of  the  operational conditions, with maximum values of 0.54 and 0.16 g L‐1 d‐1, respectively, and a maximum EPA productivity of 9 mg L‐1 d‐1. 

Monodus has been  tested  in  laboratory as a potential  strain  for biodiesel production  (Rodolfi et al., 2009). 

References 

Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id= 45848 [BIOLOGY section] Khozin‐Goldberg I., Cohen Z. (2006) The effect of phosphate starvation on the  lipid and fatty acid composition of the fresh water 

eustigmatophyte Monodus subterraneus. Phytochemistry 67: 696‐701. Khozin‐Goldberg I., Didi‐Cohen S., Shayakhmetova I., Cohen Z. (2002) Biosynthesis of eicosapentaenoic acid (EPA) in the freshwater 

eustigmatophute Monodus subterraneus (Eustigmatophyceae). Journal of Phycology 38: 745‐756. Liu C.P., Lin L.P.  (2005) Morphology and eicosapentaenoic acid production by Monodus subterraneus UTEX 151. Micron 36: 545‐

550. Lu C., Rao K., Hall D., Vonshak A.  (2001) Production of eicosapentaenoic acid  (EPA)  in Monodus subterraneus grown  in a helical 

tubular photobioreactor as affected by cell density and light intensity. Journal of Applied Phycology 13: 517‐522. Lu C., Acién Fernández F.G., Cañizares Guerrero E., Hall D.O., Molina Grima E. (2002) Overall assessment of Monodus subterraneus 

cultivation and EPA production in outdoor helical and bubble column reactors. Journal of Applied Phycology 14: 331‐342. Ott  D.W.,  Oldham‐Ott  C.K.  (2003)  Eustigmatophyte,  Raphidophyte,  and  Tribophyte  Algae.  In:  Wehr  J.D.,  Sheath  R.G.  (eds.) 

Freshwater Algae of North America: Ecology and Classification, Elsevier, Rotterdam, pp. 423‐469. [BIOLOGY section] Qiang  H.,  Zhengyu  H.,  Cohen  Z.,  Richmond  A.  (1997)  Enhancement  of  eicosapentaenoic  acid  (EPA)  and  γ‐linolenic  acid  (GLA) 

production by manipulating  algal density of outdoor  cultures of Monodus  subterraneus  (Eustigmatophyta)  and  Spirulina platensis (Cyanobacteria). European Journal of Phycology 32: 81‐86. 

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. 

Whittle  S.J,  Casselton  P.J.  (1975)  The  chloroplast  pigments  of  the  algal  classes  Eustigmatophyceae  and  Xanthophyceae.  I. Eustigmatophyceae. European Journal of Phycology 10: 179‐191. [BIOLOGY section] 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 148 of 258 

 

8.4.2 Nannochloropsis sp. 

 

 Figure 57 ‐  Light microscopic view showing Nannochloropsis salina 

Picture from www.sb‐roscoff.fr/Phyto/gallery/main.php?g2_itemId=323 

                  SYMBOLS:                                    D, PIV  

TAXONOMY    

Phylum  Heterokontophyta  Class  Eustigmatophyceae Order  Eustigmatales Family  Monodopsidaceae Genus  Nannochloropsis  Species   

Related species  

There are 6 species (and infraspecific) names in the database at present, all taxonomically accepted. 

Species of interest for biofuel: 

N. gaditana, N. granulata, N. limnetica, N. oceanica, N. oculata, N. salina. 

 

BIOLOGY Structural and morphological features 

Nannochloropsis cells (Karlson et al., 1996; Fawley and Fawley, 2007) are non‐motile, spherical to ovoid, 2–4  μm  in  diameter,  with  a  single  chloroplast  lacking  a  pyrenoid  and  containing  chlorophyll  a.  Major carotenoids are violaxanthin, vaucheraxanthin and neoxanthin, besides β‐carotene. Among others, algae of this genus can synthesize low amounts of canthaxanthin and astaxanthin. Zoospores are not present, then reproduction is by autospores (2 to 6). Species attribution is mainly carried out by genetic analysis (rbcL and 18S rDNA). Cells present the so‐called “red body”, a primary characteristic of the vegetative cells of many eustigmatophytes,  that  is  an  eyespot  located  extraplastidially  and  not  surrounded  by membranes.  The composition  of  the  cell  wall  is  still  unclear.  Small  refractile  bodies  can  also  be  observed  within  the cytoplasm and can be both mobile  (Brownian motion) or  immobile. The genus Nannochloropsis  includes 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 149 of 258 

both marine  and  freshwater  species,  though  the  biotechnology  of  this  alga  is  at  present  limited  to  the marine species. 

Biochemical composition of algae and aquatic biomass main constituents 

Under artificial light in a bubble‐mixed 29‐L photobioreactor, Rebelloso Fuentes et al. (2001) have found an average  dry  biomass  composition  of:  29%  protein,  36%  carbohydrate,  18%  lipid,  9%  ash,  and  plamitic, palmitoleic, oleic and eicosapentaenoic acid  (on average 2.2%) as major  fatty acids. Mineral composition was on average  (mg/100g d.wt): 659 Na, 533 K., 972 Ca, 316 Mg, 136 Fe, 103 Zn, 35 Cu, 3.4 Mn, 529 S. Brown et al.  (1998)  report a different composition  for Nannochloropsis CS‐246  tested  for oyster  rearing: 17% protein, 23% carbohydrate, 26% lipid, 16% ash. 

Nannochloropsis  is  widely  cultivated  for  its  high  content  of  eicosapentaenoic  acid  (EPA;  20:5  ω3), present in amounts up to 4‐5 % of the biomass, and because of its small cells (2‐3 μm diameter) as feed for rotifers  in the “green water” technique. Modulation of fatty acid composition by culture parameters such as  light  intensity,  light‐dark  cycles,  temperature,  salinity and nutrients has been widely  investigated and reviewed by Sukenik (1999). Patterns of variation in the lipid class and fatty acid composition during batch cultivation  of N.  oculata  have  also  been  investigated  (Hodgson,  et  al.  1991). Generally,  the  higher  the biomass productivity, the higher is EPA productivity (Chini Zittelli et al. 1999). 

Nannochloropsis has been also proposed as source of lipid for biodiesel production because it is able to reach over 60% lipids after nitrogen starvation (Shifrin and Chrisholm, 1980; Rodolfi et al., 2009) mainly as TAGs containing saturated and monounsaturated fatty acids (Bondioli et al., 2010). 

 

BIOTECHNOLOGY Culture Media 

Nannochloropsis grows in seawater, with maximal growth rate in the salinity range from 25 to 30 g/L, but it can  tolerate  salinities between 10  and 35  g/L  (Renaud  and Parry, 1994).  Seawater  sources  can be both natural and artificial seawater;  the  last one made either  from  single salts or  from a mixture of seawater salts available on the market. F/2 or F medium (Guillard and Ryther, 1962) is widely used for cultivation of Nannochloropsis.In industrial‐scale microalgae plants, where culture volumes and thus amounts of culture medium  to be prepared and  treated before discharge are considerable and highly expensive, particularly when artificial seawater  is used, the possibility of reutilizing the “exhaust” growth medium after biomass separation  would  be  of  high  relevance.  However,  Richmond  and  Zou  (1999)  report  the  presence  of inhibitory substances, released from the cells  into to culture medium which may reduce growth and  limit the  degree  of  recycling.  Moreover  it  was  observed  (Rodolfi  et  al.,  2003)  that  the  accumulation  of metabolites produced by the microalga, together with particulate material such as cell walls released after cell division and bacteria, causes growth cessation after two weeks. Reutilization of culture medium seams possible only after treatment with activated charcoal filters. 

Cultivation methods and production systems 

In hatcheries, Nannochloropsis is mainly cultivated indoors, in batch and semi‐batch, in polyethylene bags, cylinders  (Fulks and Main, 1991) and annular columns. Experiments with artificial or mixed  (artificial and natural)  light  sources  aiming  to  evaluate biomass productivity  in different  culture  conditions have been carried  out  in  alveolar  and  glass  panels,  annular  columns,  biofence  systems  and  a  new  devised  helical tubular  reactor with  continuous  harvesting  regimen  (Chini  Zittelli  et  al.,  2000,  2003;  Zou  et  al.,  2000; Sandnes et al., 2005; Briassoulis et al., 2010). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 150 of 258 

Cultivation in large scale outdoor raceway ponds up to 3000 m2 (20 cm depth) has been carried out in Eilat, Israel (Sukenik et al., 1993) by daily harvesting 10‐50% of pond volume. Average productivity of 7 and 22  g m‐2 were  recorded  in winter  and  in  summer,  respectively  (Sukenik,  1991).  The  authors  reported  a culture  collapse  after  2 months  of  cultivation  because  of  grazers  and  contaminating  algal  species.  At present in Israel Seambiotic cultivated Nannochloropsis in raceways pond using flue gas to produce biomass as feedstock for biodiesel. In Japan Nannochloropsis oculata is extensively cultivated in tanks kept outdoors with seawater and chemical fertilizers (Okauchi, 1991). Decrease  in cell density was recorded  in the rainy season  and  the  phenomenon  was  mainly  attributed  to  predation  by  protozoa,  partially  solved  by chlorination and application of terramycin. Boussiba et al. (1987) found effective the use of urea and NH4

+ as  nitrogen  source  (instead  of NO3

‐)  at  a  concentration  of  2‐5 mM  against  contaminating  diatoms  and predators. 

Chini Zittelli et al.  (1999) cultivated Nannochloropsis outdoors  in an air‐mixed near horizontal tubular reactor with dimensions of up to 30 m2 (600 L of culture) kept in semicontinuous regimen. With a reactor of this  type  but  of  a  smaller  size,  a  productivity  of  about  15  g m2  day‐1 was  obtained  in  June.  Outdoor Nannochloropsis cultivation was also performed by using a 500 L glass plate reactor (Zhang et al., 2001) and Green‐Wall Panels. In the first reactor productivities of 10 and 14.2 g m2  illuminated surface area per day were obtained in winter and in summer, respectively. In the second reactor productivities from 9 to 20 g m2 per  ground  area  per  day,  depending  on  cultivation  season  and  on  panel  orientations,  were  achieved (Tredici, unpublished data). 

Nannochloropsis has been  cultivated  in  a 2800  liters  tubular photobioreactor  (50 m2 overall  surface area) at  the “Estación Experimental de Cajamar Las Palmerillas”(Spain).  In February, with a daily dilution rate of about 35% (five days per week), the average biomass concentration was 1.2 g L‐1 and the volumetric productivity about 0.42 g L‐1 day‐1 (Prof. Acien personal communication). 

Nannochloropsis has also been proposed as source of oil for biodiesel production. Rodolfi et al. (2009) have suggested a “two phase strategy” (a first‐stage cultivation of the microalga in the presence of nitrogen carried  out  in  closed  photobioreactors,  followed  by  a  second  stage  of  nitrogen  starvation,  preferably carried out  in open ponds), and have estimated a productivity of 20  ton of  lipids per ha per year  in  the Mediterranean  region.  Lipid  content  increase  after  nitrogen  starvation  was  not  observed  in  N.  salina (Boussiba et al., 1987), thus the selection of the right strain is of crucial importance for this application. 

Harvesting methods 

Due to Nannochloropsis small cell size, the most adequate system for biomass recovery  is centrifugation, that  gives  a  product  (paste)  with  25‐30%  dry  material.  To  reduce  the  volume  to  be  centrifuged, autoflocculation can be used. The pH  increase, consequent  to the  interruption of CO2  inlet  in the culture exposed  to sunlight, can cause cell aggregation and thus sedimentation, which allows to concentrate the culture  10‐20  times.  The  same  occurs  by  addition  of  NaOH.  Flocculation  of  Nannochloropsis  by  using cationic starch was not effective (Vandamme et al., 2010). 

From  experiments  carried  out  at  lab  scale  with  two  algae,  Nannochloropsis  and  Scenedesmus,  a potential reduction of harvesting costs of 20% was proposed as a result of pre‐treatment to centrifugation with submergible microfilatration or ultrafiltration membranes (Gori et al., 2010). 

Biomass processing 

Umdu et al. (2009) found that  lipid transesterification with heterogeneous catalysts (Al2O3 supported CaO and MgO catalyst) was more active  than with pure CaO and MgO  in  the production of biodiesel  from N. oculata. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 151 of 258 

Patil  et  al.  (2011)  demonstrated  a  one‐step  process  for  direct  liquefaction  and  conversion  of  wet Nannochloropsis  biomass  (50%  lipid)  to  biodiesel  under  supercritical  methanol  conditions,  a  process allowing the simultaneous extraction and transesterification of the biomass. The optimal conditions for the process were: ratio between wet algae and methanol around 1:9, 255 °C and 25 min reaction time. These milder  conditions  compared  to  those necessary  for pyrolisis  seem  to prevent  formation of by‐products. Other  processes  to  obtain  oil  and  biodiesel  from  Nannochloropsis  biomass,  such  as  catalytic Mcgyan® process, hydrothermal liquefaction and gasification of the biomass, direct pyrolisis and catalytic pyrolysis of Nannochloropsis residue have been developed (Krohn et al. 2011, Brow et al., 2010, Biller and Ross, 2011; Pan et al., 2010)  

Scaling up limitation 

1) Low  tolerance  to  temperatures  above  30°C  (Sukenik  et  al.,  2009;  Sandnes  et  al.,  2005). Temperatures  above 30  °C  can  cause  reduction  in productivity  and  formation of  cell  aggregates which  favour  contamination  by  bacteria  and  grazers  (Rodolfi  et  al.,  2003)  and  further  depress productivity. Accurate (and expensive) cooling of the culture is thus necessary. 

2) Small  cell  size  allows  less  energy  consumption  for  mixing,  but  more  energy  is  required  for separating the cells from the culture medium. 

3) Thick  cell  wall,  that  allows  mixing  of  the  culture  even  with  centrifugal  pumps,  but  increases difficulty of cell breakage, which is necessary for oil extraction.  

HIGHLIGHTS IN BIOTECHNOLOGY  • Nannochloropsis is able to accumulate lipids in amounts higher than 50% of dry biomass after 

nitrogen starvation • Nannochloropsis is able to accumulate lipids mainly as TAG and saturated and monounsaturated 

fatty acids, more suitable for biodiesel production • After oil extraction the residue is a valuable PUFA‐ rich fraction that can be used as feed or food 

ingredient  

References 

Biller P., Ross A.B.  (2011) Potential yields and properties of oil  from  the hydrothermal  liquefaction of microalgae with different biochemical content. Bioresource Technology 102: 215‐225. 

Bondioli P., Della Bella L., Rivolta G., Casini D., Prussi M., Chiaramonti D., Chini Zittelli G., Bassi N., Rodolfi L., Tredici M. (2010) Oil production by the marine microalga Nannochloropsis sp. F&M‐M24. Proceedings of the 18th European Biomass Conference and Exhibition, 3‐7 May, Lyon, France. 

Boussiba  S., Vonshak A., Cohen  Z., Avissar  Y., Richmond A.  (1987)  Lipid  and biomass production by  the halotolerant microalga Nannochloropsis salina. Biomass 12: 37‐47. 

Briassoulis D., Panagakig P., Chionidis M., Tzenos D., Lalos A., Tsinos C., Berberidis K., Jacobsen A. (2010) An experimental helical‐tubular photobioreactor for continuous production of Nannochloropsis sp. Bioresource Technology 101: 6768‐6777. 

Brown M.R., McCausland M. A., Kowalsi K.  (1998) The nutritional value of  four Australian microalgal strains  fed  to Pacific oyster Crassostrea gigas spat. Aquaculture 165: 281‐293. 

Brown T.M., Duan P., Savage P.E. (2010) Hydrothermal liquefaction and gasification of Nannochloropsis sp. Energy Fuels 24: 3639‐3646. 

Chini  Zittelli  G.,  Lavista  F.,  Bastianini  A.,  Rodolfi  L.,  Vincenzini  M.,  Tredici  M.R.  (1999)  Production  of  eicosapentaenoic  by Nannochloropsis . cultures in outdoor tubular photobioreactors. Journal of Biotechnology 70: 299‐317. 

Chini  Zittelli G.,  Pastorelli  R.,  Tredici M.R.  (2000)  A modular  flat  panel  photobioreactor  (MFPP)  for  indoor mass  cultivation  of Nannochloropsis sp. under artificial illumination. Journal Applied Phycology 12: 521‐526. 

Chini  Zittelli  G.,  Rodolfi  L.,  Tredici M.R.  (2003) Mass  cultivation  of  Nannochloropsis  sp.  in  annular  reactors.  Journal  Applied Phycology 15: 107‐114. 

Fawley K.P., Fawley M.W.  (2007) Observations on the diversity and ecology of freshwater Nannochloropsis  (Eustigmatophyceae), with descriptions of new taxa. Protist 158: 325‐336. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 152 of 258 

Fulks M., Main K.L. (eds) (1991) Rotifers and microalgae culture systems. Proceedings of a US‐Asia Workshop. The Oceanic Institute, Honolulu. 

Gori  R., Munz G.,  Lubello  C., Daddi D.,  Biondi N.,  Tredici M.R.  (2010)  Energy  demand  and  economic  evaluation  of  solid‐liquid separation  systems  used  for  harvesting  and  concentration  of  cultivated  microalgae.  Venice  2010,  Third  International Symposium on Energy from Biomass and Waste Proceedings. 

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. 

Hodgson P.A., Henderson R.J., Sargent J.R., Leftley J.W. (1991) Patterns of variation in the lipid class and fatty acid composition of Nannochloropsis oculata (Eustigmatophyceae) durting batch culture. I The growth cycle. Journal Applied Phycology 3: 169‐181. 

Karlson B., Potter D., Kuylenstierna M., Dersen M.A. (1996) Ultrastructure, pigment composition, and 18S rRNA gene sequence for Nannochloropsis  granulata  sp.  nov.  (Monodopsidaceae,  Eustigmatophyceae),  a marine  ultraplankter  isolated  from  the Skagerrak, northeast Atlantic Ocean. Phycologia 35: 253‐260. 

Krohn B.J.K., McNeff C.V., Yan B., Nowlan D.  (2011) Production of algae‐based biodiesel using  the continuous catalytic Mcgyan® process. Bioresource Technology 102: 94‐100. 

Okauki M.  (1991) The status of phytoplankton production  in  Japan.  In: Fulks M., Main K.L.  (eds) Rotifers and microalgae culture systems. Proceedings of a US‐Asia Workshop. The Oceanic Institute, Honolulu. 

Pan  P.,  Hu  C.,  Yang W.,  Li  Y.,  Dong  L.,  Zhu  L.,  Tong  D., Qing  R.,  Fan  Y.  (2010)  The  direct  pyrolysis  and  catalytic  pyrolysis  of Nannochloropsis sp. residue for  renewable bio‐oils. Bioresource Technology 101: 4593‐4599. 

Patil P.D., Gude V.G., Mannarswamy A., Deng S., Cooke P., Munsun‐McGee S., Rhodes  I., Lammers P., Nirmalakhandan N. (2011) Optimization of direct conversion of wet algae to biodiesel under supercritical methanol conditions. Bioresource Technology 102: 118‐122. 

Rebelloso‐Fuentes M.M., Navarro‐Pérez A., García‐Camacho F., Ramos‐Miras J.J., Guil‐Guerrero J.L. (2001) Biomass nutrient profiles of the microalga Nannochloropsis. Journal of Agriculture and Food Chemistry 49: 2966‐2972. 

Renaud S.M., Parry D.L. (1994) Microalgae for use in tropical aquaculture. II Effect of salinity on growth, gross chemical composition and fatty acid composition of three species of marine microalgae. Journal of Applied Phycology 6: 347‐356. 

Richmond  A.,  Zou  N.  (1999)  Efficient  utilisation  of  high  photon  irradiance  for  mass  production  of  photoautotrophic  micro‐organisms. Journal of Applied Phycology 11: 123‐127 

Rodolfi L., Chini Zittelli G., Barsanti L., Rosati G., Tredici M.R. (2003) Growth medium recycling in Nannochloropsis mass cultivation. Biomolecular Engineering : 243‐248. 

Rodolfi  L.,  Chini  Zittelli  G.,  Bassi  N.,  Padovani  N.,  Biondi  N.,  Bonini  G,  Tredici MR.  (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. 

Sandnes  J.M.,  Källqvist  T., Wenner D., Gislerød H.R.  (2005)  Combined  influence  of    light  and  temperature  on  growth  rates  of Nannochlorpsis oceanica: linking cellular responses to large‐scale biomass production. Journal of Applied Phycology 17: 515‐525. 

Shifrin  M.S.,  Chrisholm  S.W.  (1980)  Phytoplankton  lipids:  environmental  influences  on  production  and  possible  commercial applications. In: Shelef G., Soeder C.J. (eds.) Algae Biomass, Elsevier North Holland Biomedical Press, Amsterdam, pp. 624‐645. 

Sukenik  A.  (1999)  Production  of  eicosapentaenoic  acid  by  the  marine  eustigmatophyte  Nannochloropsis.  In:  Cohen  Z.  (ed.) Chemicals from Microalgae, Taylor & Francis Ltd, London, pp. 41‐ 56. 

Sukenik A., Zmora O., Carmeli Y. (1993) Biochemical quality of masrine unicellular algae with special enphasis on lipid composition. II, Nannochloropsis sp. Aquaculture 117: 313‐326 

Sukenik  A.,  Beardall  J.,  Kromkamp  J.C.,  Kopeck   J.,  Masojídek  J.,  van  Bergeik  S.,  Gabai  S.,  Shaaham  E.,  Yamshon  A.  (2009) Photosyntetic performance of outdoor Nannochloropsis mass  cultures under  a wide  range of environmental  conditions. Aquatic Microbial Ecology 56: 297‐308. 

Umdu  E.  S.,  Tuncer M.,  Seker  E.  (2009)  Transestrification  of  Nannochloropsis  oculata microalga’s  lipid  to  biodiesel  on  Al2O3 supported CaO and MgO catalysts. Bioresource Technology 100: 2828‐2831. 

Vandamme D., Foubert  I., Meesschaert B., Muylaert K. (2010) Flocculation of microalgae using cationic starch. Journal of Applied Phycology 22: 525‐530. 

Zhang C.W., Zmora O., Kopel R., Richmond A. (2001) An industrial flat plate galls reactor for mass production of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Aquaculture 195: 35‐49. 

Zou N., Zhang C.W., Cohen Z, Richmond A. (2000) Production of cell mass and eicosapentaenoic acid (EPA) in ultrahigh cell density cultures of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). European Journal of Phycology 35: 127‐133. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 153 of 258 

 

8.5 Haptophyta 

8.5.1 Isochrysis sp. 

  

 Figure 58 ‐  Light microscopic view showing Isochrysis sp. 

Picture from UNIFI 

                  SYMBOLS:                                       D  

TAXONOMY    

Phylum  Haptophyta  Class  Prymnesiophyceae Order  Isochrysidales Family  Isochrysidaceae Genus  Isochrysis  Species   

Related species  

There are 3 species names in the database at present, all taxonomically accepted. 

Species of interest for biofuel: 

Isochrysis galbana   

BIOLOGY 

Isochrysis  presents  slightly  elongated motile  cells with  a  capacity  to  change  shape,  a  stigma,  and  two smooth apical flagella once to twice the  length of the cells. Parke has mentioned for strains of I. galbana, the  type‐species,  the  possibility  of  an  important  benthic  phase,  and,  furthermore,  the  presence  of haptophycean  scales on  the  cell‐body of  the motile  cells. These  scales are very difficult  to detect, being embedded  in  a  thick mucilage matrix.  There  is  also  a  very  reduced haptonema.  I. galbana  cell has  two 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 154 of 258 

chloroplasts  found  in  two sides of  the cell, and osmiophilic granules with median electron density  in  the chloroplasts.The pyrenoid is situated in the chromatophore. 

Two  Isochrysys species are mainly benthic:  I. maritima and  I.  litoralis.  Isochrysis maritima cells can be seen to be hemispherical, 3 x 6 μm, forming regular cubic masses of four to eight cells (typical aspect of the young culture). The cell‐walls are pectic. A small  red stigma  is present and  the swarmers have a positive phototactic  reaction.  Each  cell  contains  one  or  two  parietal  yellow‐green  chloroplasts  without  any detectable  pyrenoids.  Preliminary  thin‐sectioning  though,  has  revealed  an  intraplastidial  slightly  bulging pyrenoid.  Each  cell  contains  a  chrysolaminarin  vacuole,  fat  globules,  and  peripheral muciferous  bodies which are visible only when stained. In older cultures, the cells become globose and surrounded by various concentric mucilage envelopes. Asexual  reproduction occurs  in  this species by division of  the non‐motile individuals and also by production of swarmers. The  latter are  liberated from thick‐walled sporangia. The swarmers are elongated (3 x 4.5‐5 μm) and show a capacity to change shape. Two flagella rise anteriorly; they  are  slightly  unequal,  6  and  8  μm  in  length.  The  method  of  swimming  of  this  species  is  highly characteristic: the flagella behave homodynamically, movement of the individuals, generally in a backward direction, being  rapid, with  rotation of  the body  round  the  long  axis.  In  I.  litoralis  young  cells  are non‐motile, hemispherical (4‐‐6 x 6‐8 μm ) or round (5 μm) while older cells are spherical varying  in size (5‐15 μm).  It  has  a  thick  pectic  envelope.  There  are  two  parietal  golden‐yellow  chromatophores  with  one intraplastidial pyrenoid per chromatophore. Asexual reproduction occurs by division of the non‐motile cells and  by  production  of  elongated  swarmers  (4  x  7  μm)  with  two  apical  subequal  (7‐8  and  8‐9  μm) homodynamic flagella. Swimming movements are similar to those of Isochrysis maritima. Cells are covered with one layer of oval plate scales (0.3 x 0.18 μm) with a thickened margin and radiating ridges. 

BIOTECHNOLOGY 

Isochrysis is commonly used in the aquaculture industry (Tredici et al., 2009). For its high docosahexaenoic acid (DHA, 22:6ω3) content it is often used to enrich zooplankton such as rotifers or Artemia. It is a primary algae used in shellfish hatcheries (oysters, clams, mussels, and scallops) and in some shrimp hatcheries. 

Isochrysis has been proposed a s a souce of DHA for nutraceuticals and dietary supplements  (Liu and Lin, 2001; Poisson and Ergan, 2001; ) although at present only one commercial product containg Isochrysis is in the market. Isochrysis sp. extracts have been atented for use in cosmetics (Herrmann et al., 2010). 

Chini Zittelli et al. (2004) outdoors  in 120‐L annular columns obtained with  Isochrysis sp. a volumetric productivity of 0.31 g L‐1 day‐1, while  in a  full‐scale arrangement  the overall areal productivity  (including both  the  area  occupied  by  the  columns  and  the  space  between  two  rows  of  columns,  as  described  by Tredici, 2004) was of 32.1 g m‐2 day‐1. In a 2.5‐m2 pond the production rate of Isochrysis galbana biomass was 29.5 g m‐2 day‐1 and that of lipids 6.5 g m‐2 day‐1, while, in a 100‐m2 pond, the average productivities of biomass  and  of  lipids  were  23.5  g m‐2  day‐1  and  5.6  g m‐2  day‐1,  respectively  (Boussiba  et  al.,  1988). Harvesting can be achieved by means of flocculation with FeCl3 and dissolved air flotation (Boussiba et al., 1988). 

Isochrysis has been tested at  laboratory scale for biodiesel production  (Rodolfi et al., 2009); however the culture carried out by Boussiba et al. (1988), although not intended for biodiesel production, evidenced the suitability of this alga as biodiesel feedstock. 

References 

BillardC., Gayral P. (1972) Two new species of Isochrysis with remarks on the genus Ruttnera. European Journal of Phycology 7: 289‐297. [BIOLOGY section] 

Boussiba S., Sandbank E., Shelef G., Cohen Z., Vonshak A., Ben‐Amotz A., Arad S., Richmond A. Outdoor cultivation of the marine microalga Isochrysis galbana in open reactors. Aquaculture 72: 247‐253. 

Chini  Zittelli  G.,  Somigli  S.,  Rodolfi  L.,  Tredici M.R.  (2004)  Outdoor mass  cultivation  of  Isochrysis  sp.  in  annular  columns.  1er Congreso Latinoamericano sobre Biotecnologia Algal, Argentina 2004. ISBN No. 987‐1130‐32‐5, pp. 45‐48. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 155 of 258 

Herrmann M., Joppe H., Pertile P., Zanella L. (2010) Extracts of Isochrysis sp. Patent Application No. US2010/0080761 A1. Liu C.P., Lin L.P. (2001) Ultrastructural study and lipid formation of Isochrysis sp. CCMP1324. Botanical Bulletin of Academia Sinica 

42: 207‐214. Poisson L., Ergan F. (2001) Docosahexaenoic acid ethyl esters from Isochrysis galbana. Journal of Biotechnology 91: 75‐81. 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. 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

Tredici M.R.  (2004) Mass  production  of microalgae:  photobioreactors.  In:  Richmond  A.  (ed.) Handbook  of Microalgal  Cultures, Biotechnology and Applied Phycology, Blackwell, Oxford, pp. 178‐214. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 156 of 258 

 

8.5.2 Pavlova sp. 

 

 Figure 59 ‐  Light microscopic view showing Pavlova lutheri 

Picture from http://www.eol.org/ 

  

                SYMBOLS:                   D 

TAXONOMY 

   

Phylum  Haptophyta  Class  Pavlovophyceae Order  Pavlovales Family  Pavlovaceae Genus  Pavlova  Species   

Related species  

There are 12 species names in the database at present, 11 of which are taxonomically accepted. Species of interest for biofuel: 

P. gyrans, P. lutheri, P. pinguis, P. salina. 

 

BIOLOGY 

All  species  are  known  to  produce motile  swarmers  though  in  a  number  of  species  they  do  not  always constitute  the dominant phase  (P. ennorea, P. granifera, P. noctivaga, P. virescens), which  is  instead  the non‐motile palmelloid stage. 

The motile cells are elongate (P. gyrans, P. granifera, P. pinguis, P. salina, P. virescens) though others may be typically broadly oval, rhombic, cordate or, indeed, almost circular (P. helicata, P. Iutheri). However, considerable variation can be observed  in  the shape of all species and some  (e.g., P. gyrans) can display marked metaboly. The appendages are always inserted laterally or anterio‐laterally on one of the flattened faces of the cell which by convention is referred to as the ventral face. In all species the flagella arise from a depression of varying depth. The long anteriorly directed flagellum beats with a characteristic sinusoidal S‐

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 157 of 258 

shaped wave action either in a flat plane or describing a helical path as in, for example, P. helicata. In length it varies from species to species ranging from 6‐10 μm (P. calceolata) to 11‐20 μm (P. helicata). It carries an investiture  of  long  fine  hairs  and  small  electron‐dense  bodies  the  latter  arranged  in  a  regular  helix. Variations are  found  from species  to species  in the presence or absence of  the bodies,  their morphology and  their  arrangement.  The  bodies  are  reffered  to  as  scales  (knob‐scales)  by  analogy  with  the  Golgi‐produced scales of other members of the Prymnesiophyceae. Compared with the long flagellum, the short or posterior flagellum is relatively uniform in length and external morphology. The range of length recorded is between 2.5 and 6.0 μm and distally there is a tapered tip. The short flagellum usually beats with a rather stiff,  inflexible action and  is often directed  towards  the cell posterior and held close  to  the cell‐body. P. salina and P. helicata differ from other species of Pavlova in that the short flagellum is reduced to a stump about 0.2  μm  long. The haptonema  is always  short and difficult  to  see  in  the  living cell.  It does not  coil neither  does  it  contract.  In  some  species  there may  be  a  long  terminal  "filopodium"  but  even without “filopodia”  the  haptonema  is  frequently  attenuated  distally. Normally  the  surface  of  the  haptonema  is naked  but  in  the  case  of  P.  lutheri  there  is  a  superficial  covering  of  small  knob‐scales.  All  species  are "naked" in that there is no cell wall although the non‐motile cells may be invested with layers of mucilage. Although  some  species  have  been  recorded  as  possessing  two  chloroplasts,  there  is  usually  only  one consisting of two lateral lobes extending round the cell both ventrally and dorsally approximately forming a V‐ or H‐shape. Some members of the Pavlovales are unusual amongst the Prymnesiophyceae  in that they have  stigmata.  In P. gyrans, P. granifera and P. pinguis  the  conspicuous orange‐red  stigma  consists of a concave layer of lipid globules, 6‐50 in number and situated adjacent to the chloroplast membrane close to the  flagellar  insertion.  Within  the  Pavlovales,  conspicuous  pyrenoids  are  found  only  in  P.  gyrans,  P. granifera,  P.  pinguis.  The  cells  of  all  species  usually  contain  two  discrete  colourless  bodies  which  are presumed to constitute the reserve metabolite, a β 1‐3 glucan. 

The  available  records  show  that  the  Pavlovales  is,  perhaps,  a  very  successful  goup  having representatives  in  oceanic,  coastal,  brackish  and  fresh  water  habitats.  Some  species  are  markedly euryhaline  which  is  clearly  of  advantage  in  brackish  habitats.  Individual  species  may  also  be  widely distributed geographically. 

BIOTECHNOLOGY 

Pavlova is an important alga in aquaculture, where it is used to feed bivalve larvae and post‐larvae, penaeid shrimp  larvae,  freshwater  prawn  larvae  and marine  zooplankton  (Tredici  et  al.,  2009).  It  contains  high amounts of both eicosapentaenoic (EPA, 20:5ω3) and docosahexaenoic (DHA, 22:6ω3) acids.  

It  is  usually  cultivated  in  low  efficient  photobioreactors  in  the  hatcheries  (Tredici  et  al.,  2009).  A comparison study carried out by Ponis et al. (2006) using standard hatchery techniques (a 10‐L carboy) and a 4‐L  Flat Alveolar Panel, both under  continuous artificial  illumination. The  volumetric productivity of P. lutheri in the FAP was on average 0.25 g dry weight L‐1 day‐1 during the batch growth phase and increased to  0.53  g  L‐1  day‐1  when  a  semicontinuous  regimen  was  adopted,  while  in  the  carboys  the  average volumetric productivity was 0.10 g L‐1 day‐1. 

No pilot scale studies concenring biodiesel production has been up to now carried out. At  laboratory scale, both P. salina and P. lutheri showed a quite high lipid content (31 and 35%, respectively) (Rodolfi et al., 2009), similar to that obtained in the Flat Alveolar Panel (Ponis et al., 2006). 

References 

Green J.C. (1980) The fine structure of Pavlova pinguis Green and a preliminary survey of the order Pavlovales (Prymnesiophyceae). European Journal of Phycology 15: 151‐191. [BIOLOGY section] 

Ponis E., Parisi G., Le Coz J.R., Robert R., Chini Zittelli G., Tredici M.R. (2006) Effect of the culture system and culture technique on biochemical characteristics of Pavlova lutheri and its nutritional value for Crassostrea gigas larvae. Aquaculture Nutrition 12: 322‐329. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 158 of 258 

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. 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 159 of 258 

 

8.6 Dinophyta 

8.6.1 Crypthecodinium cohnii 

 

 Figure 60 ‐ Light microscopic view showing Crypthecodinium cohnii. 

Picture from http://researchpages.net/media/resources/2009/07/26/Crypthe2.jpg 

  

                SYMBOLS:                                   D 

TAXONOMY 

   

Phylum  Dinophyta  Class  Dinophyceae Order  Gonyaulacales Family  Crypthecodiniaceae Genus  Crypthecodinium  Species  Crypthecodinium cohnii 

Related species  

There is only species Cryptechodinium cohnii, synonym Cryptechodinium setense.  

BIOLOGY 

Crypthecodinium  cohnii  was  first  described  as  Glenodinium  cohnii,  then  transferred  to  the  genus Gyrodinium, and finally Crypthecodinium cohnii was introduced, that apparently represents a supraspecies encompassing several biological species.  

Two  forms of C. cohnii have been  reported, swimming cells and cysts with different dimensions. The swimming cells show velocities of the order of 1 km.year−1. The motile swimming cells have two unequal flagella. The cingulum sometimes almost completely girdles the cell and sometimes is much displaced and does not  form a  complete  loop around  the body. C.  cohnii has a very delicate  theca  (15–20  μm) whose plates  are mainly  composed  of  cellulose  and  are  barely  visible,  unless  using  a  special  staining method. During cell  locomotion, the theca deforms. The theca  is contained  in relatively few alveoli with a pattern that can be determined  (thecal plate tabulation) and used  for taxonomic purposes. The cysts are solitary 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 160 of 258 

and ovoid  in shape and can stay  in a dormant/survival stage or start dividing  (vegetative cysts). The non‐motile  cysts  contain  greater  levels  of  lipids,  including  docosahexaenoic  acid  (DHA,  22:6ω3),  than  the swimmer form of the microalga. C. cohnii has both asexual and sexual reproduction. It has been reported that the  latter  is  induced by nutrient depletion and has been observed  in dense, rapidly growing cultures. The  gametes  form  groups  of  3–8  cells which move  around  each  other  until  two  cells,  anisogametes  or isogametes, establish contact with  their ventral sides and begin  to  fuse. Then one of  the  two  transverse flagella is shed, and the developing zygote, with two longitudinal flagella, swims away. Some time later the zygote  encysts.  The  cysts  divide  and  release  normally  2,  but  sometimes  4–8,  dinoflagellates.  The  new dinoflagellates are motile as soon as  they  leave  the cyst. C. cohnii  is an obligatory heterotrophic. Carbon and other nutrients are obtained from living or decomposing seaweeds. It might have parasitic capabilities in  or  on  macrophytes,  as  motile  cells  appear  to  have  a  peduncle,  an  organelle  employed  by  other dinoflagellates on phagotrophy. Some strains are phagotrophic: the cell content of the prey is ingested by a feeding tube, leaving the prey’s cell coat in the medium. It grows well on organic carbon substrates such as glucose, dextrose, ethanol, acetic acid, sodium acetate, carob pulp syrup. 

This microalga is brackish, littoral and neritic. It is often present among macrophytes, particularly Fucus spp. Crypthecodinium cohnii‐like dinoflagellates have been obtained  from various habitats  including open ocean  beaches,  polluted  brackish  bays  and  estuaries,  steaming mangrove  swamps  and  frozen  harbors. Nevertheless,  the  strains  of  essentially  globally  dispersed  dinoflagellates  resembling  C.  cohnii  are  not members of the same gene pool.  

BIOTECHNOLOGY 

C. cohnii can accumulate relatively high amounts of  lipids (up to 20% by weight) with DHA contents up to 30–50% of the total fatty acids and no other polyunsaturated fatty acids present above 1%  (Couto et al., 2010). For DHA production, the limiting nutrient should be nitrogen since cell growth and division is halted due  to  the  lack of  this nutrient  for de novo protein and nucleotide synthesis, and  the supplied carbon  is converted into storage lipids (triacylglycerols) rich in DHA. Therefore, industrial C. cohnii fermentations are usually a carbon‐fed batch and progresses in two stages: the first is the active growth phase during which the  lipid  content  of  the  biomass  is  low;  once  the  nitrogen  source  is  depleted,  carbon  is  continuously supplied to the fermenter (Couto et al., 2010). In most of the commercial cultivation processes, glucose is used  as  the  carbon  source  and  energy  source,  as  it  represents  an  easily  accessible  feedstock  for many industrial fermentation processes (Couto et al., 2010).The maximum overall volumetric productivity of DHA reported on glucose  is 19 mg L‐1 h‐1, while  in a  fed‐batch cultivation with pure ethanol as  feed, 83 g dry biomass  L‐1,  35  g  total  lipid  L‐1  and  11.7  g DHA  L‐1 were  produced  in  220  h, with  an  overall  volumetric productivity of DHA was 53 mg L‐1 h‐1; with acetic acid as carbon source, DHA productivities of up to 45 mg L‐1 h‐1 were achieved  (de Swaaf et al., 2003). DHA  from C. cohnii  is added  to many commercial products, including infant formulas (Tredici et al., 2009). About 240 tonnes of DHA oil per year are produced in th USA at a price og 43 € g‐1 (Brennan and Owende, 2010). 

C. cohnii has been considered also as a biodiesel feedstock (Griffiths and Harrison, 2009). The fatty acid composition  of  the  remaining  lipid  fraction  from  the  biomass  leftover  with  lower  content  in polyunsaturated fatty acids could be adequate for further uses as feedstock for biodiesel, contributing to the economy of the overall process suggesting an integrated biorefinery approach (Couto et al., 2010). 

References 

Brennan L., Owende P. (2010)  Biofuels from microalgae—A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co‐products. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 557‐577. 

Couto R.M., Calado Simões P., Reis A., Lopes Da Silva T., Martins V.H., Sánchez‐Vicente Y.  (2010) Supercritical  fluid extraction of lipids from the heterotrophic microalga Crypthecodinium cohnii. Engineering in Life Sciences 10: 158‐164. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 161 of 258 

de  Swaaf  M.E.,  Pronk  J.T.,  Sijtsma  L.  (2003)  Fed‐batch  cultivation  of  the  docosahexaenoic‐acid‐producing  marine  alga Crypthecodinium cohnii on ethanol. Applied Microbiology and Biotechnology 61: 40‐43. 

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. 

Mendes A., Reis A., Vasconcelos R., Guerra P., Lopes da Silva T. (2009) Crypthecodinium cohnii with emphasis on DHA production: a review. Journal of Applied Phycology 21: 199‐214. [BIOLOGY section] 

Tredici M.R., Biondi N., Chini Zittelli G., Ponis E., Rodolfi L.  (2009) Advances  in microalgal culture  for aquaculture  feed and other uses.  In:  Burnell  G.,  Allan  G.  (eds.)  New  technologies  in  aquaculture:  Improving  production  efficiency,  quality  and environmental management, Woodhead Publishing, Cambridge, pp. 610‐676. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 162 of 258 

 

8.7 Labyrinthulomycetes 

8.7.1 Schizochytrium sp. 

 

 Figure 61 ‐ Light microscopic view showing Schizochytrium aggregatum ATCC 28209. 

Zoosporangium containing numerous zoospores (upper large cell).  Picture from 

 http://syst.bio.konan‐u.ac.jp/labybase/images/Schizochytrium_aggregatum_sporangium_400.jpg   

                SYMBOLS:                                     D 

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokonta Class  Labyrinthulomycetes Order  Thraustochytriales Family  Thraustochytriaceae Genus  Schizochytrium  Species   

Related species  

There are at least five species reported. S. aggregatum, S. limacinum, S. mangrovei, S. minutum, S. octosporum.  

BIOLOGY 

Schizochytrium  is  a  genus  of marine  thraustochytrid  protists  (related  to  heterokont  algae) with mono‐centric  thalli.  It  possesses  the  following  characteristic  features:  a  multi‐layered  wall  composed predominately of L‐galactose, an organelle termed a sagenogenetosome from which the ectoplasmic nets 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 163 of 258 

arise and biflagellate heterokont zoospores in many of described genera. 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.It  is an osmoheterotroph. They are ubiquitously distributed and can be found on the algal surface, in estuarine habitats, seawater and saline soil.  

BIOTECHNOLOGY 

DHA Algal Oil is produced via heterotrophic fermentation using Schizochytrium. DHA Algal Oil is intended to be used as a direct  food  ingredient  to  increase dietary  intake of  the  long chain omega‐3  fatty acid DHA. Schizochytrium sp. has been utilized  in aquaculture applications,  including enrichment of DHA  in Artemia and  rotifers  used  to  feed  larval  fish  and  shrimp.  A  product  for  aquaculture  applications  has  been successfully utilized for over 7 years as an excellent, stable dietary source of DHA in shrimp larvaculture and finfish  (red seabream,  Japanese  flounder) culture with no adverse effects  (Hammond et al., 2001). Dried Schizochytrium sp. microalgae has also been determined to be generally recognized as safe (GRAS) for use as a DHA‐rich  ingredient  in broiler chicken and  laying hen  feed at  levels up  to 2.8 and 4.3%, respectively and,  since  1997,  DHA‐enriched  eggs  from  hens  fed  a  diet  containing  approximately  1%  DRM  are  now commercially marketed  in  the United States, Mexico, Germany, Spain, Portugal, Benalux countries,  Italy, Norway, and Israel (Hammond et al., 2001). 

Under glucose and nitrogen  fed‐batch culture conditions and with control of glucose, pH and oxygen levels,  some  Schizochytrium  strains have been  shown  to grow  to biomass densities of 200 g  L‐1  in  short fermentation cycles of 90–100 h, accumulating 40–45 g L‐1 DHA (Chi et al., 2009).  

The  oleaginous  S.  limacinum  has  capability  of  producing  significant  amounts  of  total  lipid  and DHA when growing  in a variety of carbon sources such as glucose, fructose, as well as complex carbon sources such as sweet sorghum juice (Ethier et al., 2011). The total lipid contained in the biomass can be used as a source of biodiesel production. S. limacinum has been identified as capable of utilizing glycerol as a carbon source, which makes  it possible  to convert waste glycerol  from  the biodiesel  industry  to DHA  (Chi et al., 2009). The highest biomass productivity of 3.88 g L‐1 day‐1 was obtained by feeding with 60 g L‐1 of glycerol, while the highest DHA productivity of 0.52 g L‐1 day‐1 was obtained at 90 g L‐1 of glycerol due to the higher DHA content (Ethier et al., 2011). In addition to DHA, S.  limacinum also contains a high  level of total fatty acid  (ca  50%  of  dry  biomass)  and  is  a  suitable  feedstock  for  producing  biodiesel  via  the  direct transesterification method  (Johnson  and Wen,  2009).  The  biodiesel  prepared  was  subjected  to  ASTM standard tests: parameters such as free glycerol, total glycerol, acid number, soap content, corrosiveness to copper,  flash  point,  viscosity,  and  particulate  matter  met  the  ASTM  standards,  while  the  water  and sediment  content,  as  well  as  the  sulphur  content  did  not  pass  the  standard  and  require  further investigations (Johnson and Wen, 2009). 

References 

Chi Z., Liu Y., Frear C., Chen S. (2009) Study of a two‐stage growth of DHA‐producing marine algae Schizochytrium limacinum SR21 with shifting dissolved oxygen level. Applied Microbiology and Biotechnology 81: 1141‐1148. 

Ethier  S., Woisard K., Vaughan D., Wen  Z.  (2011) Continuous  culture of  the microalgae  Schizochytrium  limacinum on biodiesel‐derived crude glycerol for producing docosahexaenoic acid. Bioresource Technology 102: 88‐93. 

Hammond B.G., Mayhew D.A., Holson J.F., Nemec M.D., Mast R.W., Sander W.J. (2001) Safety Assessment of DHA‐Rich Microalgae from Schizochytrium sp. II. Developmental Toxicity Evaluation in Rats and Rabbits. Regulatory Toxicology and Pharmacology 33: 205‐217. 

Johnson M.B., Wen Z. (2009) Production of biodiesel fuel from the microalga Schizochytrium limacinum by direct transesterification of algal biomass. Energy and Fuels 23: 5179‐5183. 

Kamlangdee  N.,  Fan  K.W.  (2003)  Polyunsaturated  fatty  acids  production  by  Schizochytrium  sp.  isolated  from  mangrove. Songklanakarin Journal of Science and Technology 25: 643‐650. [BIOLOGY section] 

Raghukumar  S.  (2002) Ecology of  the marine protists,  the  Labyrinthulomycetes  (Thraustochytrids and  Labyrinthulids). European Journal of Protistology 38: 127‐145. [BIOLOGY section] 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 164 of 258 

 

8.7.2 Thraustochytrium sp. 

 

 Figure 62 ‐ SEM image showing Tharustochytrium. 

Picture from tolweb.org/tree/ToLimages/thrastosem2.png  

SYMBOLS:                                    D 

 

TAXONOMY    

Phylum  Heterokonta Class  Labyrinthulomycetes Order  Thraustochytriales Family  Thraustochytriaceae Genus  Thraustochytrium  Species   

Related species  

There are at least 17 species within this genus. 

T. aggregatum, T. antarcticum, T. arudimentale, T. aureum, T. benthicola, T. caudivorum, T. gaertneri, T. globosum, T.  indicum, T. kerguelense, T. kinnei, T. motivum, T. pachydermum, T. proliferum, T. roseum, T. rossii, T. striatum.  

BIOLOGY 

Thraustochytrium  is  a  genus  of  marine  thraustochytrid  protists  (heterotrophic  organisms  related  to heterokont  algae).  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. Most thraustochytrids  reproduce by means of  zoospores which possess  a  long  anterior  flagellum  and  a  short posterior  flagellum.  In  Thraustochytrium  the  cytoplasmic  contents  of  the mature  cell,  the  sporangium, divide directly into zoospores. It lives mainly on detritus. 

BIOTECHNOLOGY 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 165 of 258 

Biotechnology of Thraustochytrium  is  similar  to  that of  Schizochytrium,  although no  strain of  this  genus have  been  at  present  commercially  produced.  DHA  production  rate  is  similar  to  that  of  many Schizochytrium strains (Raghukumar, 2008). 

All oils produced by Thraustochytrium sp. are >99% in the triacylglycerol form and <0.05% of free fatty acids (Scott et al., 2011). Using raw glycerol as carbon source produced comparable results for biomass, oil and DHA to those obtained when glucose was used (Scott et al., 2011). 

References 

Raghukumar  S.  (2002)  Ecology of  the marine protists,  the  Labyrinthulomycetes  (Thraustochytrids and  Labyrinthulids). European Journal of Protistology 38: 127‐145. [BIOLOGY section] 

Raghukumar  S.  (2008)  Thraustochytrid  marine  protists:  Production  of  PUFAs  and  other  emerging  technologies.  Marine Biotechnology 10: 631‐640.  

Scott S.D., Armenta R.E., Berryman K.T., Norman. A.W. (2011) Use of raw glycerol to produce oil rich in polyunsaturated fatty acids by a thraustochytrid. Enzyme and Microbial Technology 48: 267‐272. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 166 of 258 

  

8.7.3 Ulkenia sp. 

 

               SYMBOLS:                                      D 

 

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokonta Class  Labyrinthulomycetes Order  Thraustochytriales Family  Thraustochytriaceae Genus  Ulkenia  Species   

Related species  

There are at least 6 species within this genus. U. amoeboidea, U. minuta, U. profunda, U. radiata, U. sarkariana, U. visurgensis.  

BIOLOGY 

Ulkenia is a genus of marine thraustochytrid protists (heterotrophic organisms related to heterokont algae). In Ulkenia the sporangium is formed from the mature thallus by the escape of the protoplast from the cell wall  s  one  amoeboid mass,  and  thesucessive  cleavage  of  the  naked  protoplast  into  zoospores. Ulkenia amoeboidea  produces  spores  that  assume  the  shape  of  an  amoeba  and move  with  a  slow  sinusoidal movement,  then  these cells  turn  into cells which produce zoospores.  It  is  found on decaying biomass of macroalagae and in marine animal guts. 

BIOTECHNOLOGY 

DHA‐rich oil from Ulkenia sp., containing typically 45% DHA, is obtained through hetrotrophic fermentation by  a  German  Company  and  is  used  as  a  food  ingredient  in  such  foods  as  breads,  cakes  and  biscuits, breakfast  cereals,  cream  cheese, modified milk  and milk  products,  beverages,  functional  drinks  (Food Standards Australia and New Zealand, 2005). 

Ulkenia, as well as other thraustochytrids, has been proposed as a biodiesel feedstock due to  its high lipid content (Fisher et al., 2008). 

References 

Raghukumar  S.  (1996) Morphology,  taxonomy  and  ecology  of  Thraustochytrids  and  Labyrinthulids,  the marine  counterparts  of zoosporic  fungi.  In: Dayal R.  (ed.) Advances  in zoosporic  fungi, MD Publications PVT Ltd, New Delhi, pp. 35‐58.  [BIOLOGY section] 

Raghukumar  S.  (2002)  Ecology of  the marine protists,  the  Labyrinthulomycetes  (Thraustochytrids and  Labyrinthulids). European Journal of Protistology 38: 127‐145. [BIOLOGY section] 

Fisher L., Nicholls D., Sanderson K. (2008) Production of biodiesel. WO2008/067605 A1. Food Standards Australia and New Zealand (2005) Final assessment report. Application A522. DHA‐rich micro‐algal oil from Ulkenia 

sp. as a novel food. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 167 of 258 

9  Macroalgae 

9.1 Chlorophyta 

9.1.1 Caulerpa sp. 

TAXONOMY 

The genus Caulerpa currently contains 86 recognized species.  

Caulerpa racemosa 

 Figure 63 ‐ Caulerpa racemosa (Forsskål) J. Agardh 

Spain  © Carolina Pena Martín 

                SYMBOLS:                        B   

 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Bryopsidophyceae Order  Bryopsidales Family  Caulerpaceae Genus  Caulerpa Species  Caulerpa racemosa 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 168 of 258 

Caulerpa taxifolia 

 Figure 64 ‐ Caulerpa taxifolia (M. Vahl) C. Agardh  

Cala D'Or, Mallorca, Balearic Islands, Spain; taken at a depth of 7m on a dead rhizome of Posidonia oceanica.  © Eduardo Infantes Oanes 

                SYMBOLS:                      B  

   

Phylum  Chlorophyta Class  Bryopsidophyceae Order  Bryopsidales Family  Caulerpaceae Genus  Caulerpa Species  Caulerpa taxifolia 

 

BIOLOGY Thallus composed of horizontal stolon anchored by colorless rhizoids, bearing erect photosynthetic fronds (assimilators)  of  extremely  diverse  morphology  including  thread‐like,  blade‐like,  pinnate,  spongy  and vesicular structures. Radial branching regarded as primitive, bilateral as more recent, interpretations which are supported by ultrastructure of chloroplasts. Reduction of  light also results  in change of erect portions from radial to bilateral symmetry. In species such as C. racemosa morphology has been shown to vary with habitat, resulting in description of numerous varieties or forms (or even species) which probably should be regarded  as  ecads.  Growth  apical  and  indeterminate.  Extent  of  development  of  stolons  and  rhizoids depends  on  substratum;  stolons  can  reach  to  12  m.m‐2,  but  generally  are  more  ramified  in  epilithic specimens; entire alga can  reach  to 1m.  in  length. Thallus composed of coenocytic  filaments or  siphons; walls  principally  of  ‐1,3  xylan,  with  numerous  trabeculae  (branching  cylindrical  ingrowths  of  the  wall) traversing the  lumen. When wounded, as by grazing fish, blade or rhizome exude a yellowish sticky mass which hardens to a wound plug of carbohydrate in a few minutes. Genus heteroplastic. Large chloroplasts with pyrenoid and  starch grains  seem  to be more primitive, being  replaced by  small chloroplasts  lacking them. Amyloplasts mixed with chloroplasts. Isolated chloroplasts survive and divide in vitro for more than 2 weeks.  Reproduction  probably  primarily  by  fragmentation  of  stolon.  Holocarpic  anisogamous  sexual reproduction  described  for  some  species.  Meiosis,  where  examined,  occurs  at  gametogenesis  with formation  of  gametes  in  unmodified  areas  of  the  thallus,  without  separation  by  cross  walls;  gametes liberated  in  gelatinous  extrusions  through  superficial  papillae.  Some  species  of  Caulerpa  produce  the poison caulerpicin, making their use as a food resource hazardous. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 169 of 258 

Geographic  distribution  is  global  tropical  to  subtropical,  with  some  species  extending  into  the Mediterranean  Sea  and  temperate  regions  of  Australia. Highest  species  diversity  occurs  in  S.  Australia. Vertical  range  includes  the  intertidal  to at  least  ‐50m; substrata  include unconsolidated sand of seagrass meadows and hard surfaces such as coral rock. 

BIOTECHNOLOGY Caulerpa  racemosa  is  used  in  Bangladesh,  Japan,  South  Pacfic  Islands,  Vietnam  as  food  and  in  the Philippines as medicine (Zemke‐White and Ohno, 1999). In this latter country, C. taxifolia is also used, both as food and medicine. Here the annual production of Caulerpa  is 810 t dry weight, all form cultured alga (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

Algaebase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=32944&‐session=abv4:96D919560808f1B19AmHOH2E91A9 Beach K.S., Borgeas H.B., Smith C.M. (2006) Ecophysiological implications of the measurement of transmittance and reflectance of 

tropical macroalgae. Phycologia 45: 450‐457. Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag. Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. Falcão  C., Menezes  de  Széchy M.T.  (2005)  Changes  in  shallow  phytobenthic  assemblages  in  southeastern  Brazil,  following  the 

replacement of Sargassum vulgare (Phaeophyta) by Caulerpa scalpelliformis (Chlorophyta). Botanica Marina 48: 208‐217. Guiry  M.D.,  Guiry,  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Hodgson L.M., Pham Huu T., Lewmanomont K., McDermid K.J. (2004) Annotated checklist of species of Caulerpa and Caulerpella 

(Bryopsidales,  Caulerpaceae)  from  Vietnam,  Thailand  and  the  Hawaiian  Islands.  In:  Abbott  I.A.,  McDermid  K.J.  (eds.) Taxonomy of Economic Seaweeds with reference to the Pacific and other locations, Volume IX., pp. 21‐38. 

Kraft G.T. (2007) Algae of Australia. Marine benthic algae of Lord Howe Island and the southern Great Barrier Reef, 1. Green algae, Australian Biological Resources Study & CSIRO Publishing,.Canberra & Melbourne, pp. i‐vi, 1‐347, 110 text‐figs; 11 pls. 

Lam D.W., Zechman F.W.  (2006) Phylogenetic analyses of  the Bryopsidales  (Ulvophyceae, Chlorophyta) based on RUBISCO  large subunit gene sequences. Journal of Phycology 42: 669‐678. 

Littler D.S., Littler M.M. (1997) An illustrated flora of the Pelican Cays, Belize. Bulletin of the Biological Society of Washington 9: 1‐149. 

Nuber N., Gornik O.,  Lauc G.,  Bauer N.,  Zuljevic  A.,  Papes  D.,  Zoldos  V.  (2007) Genetic  evidence  for  the  identity  of  Caulerpa racemosa (Forsskal) J. Agardh (Caulerpales, Chlorophyta) in the Adriatic Sea. European Journal of Phycology 42: 113‐120. 

Pedroche F.F., Silva P.C., Aguilar‐Rosas L.E., Dreckmann K.M., Aguilar‐Rosas R. (2005) Catálogo de las algas marinas bentónicas del Pacífico de México. I. Chlorophycota. pp. i‐viii, 17‐146. Ensenada, México: Universidad Autónoma de Baja California. 

Phillips  J.A.  (2009)  Reproductive  ecology  of  Caulerpa  taxifolia  (Caulerpaceae,  Bryopsidales)  in  subtropical  eastern  Australia. European Journal of Phycology 44: 81‐88. 

Robledo  D.,  Freile‐Pelegrín  Y.  (2005)  Seasonal  variation  in  photosynthesis  and  biochemical  composition  of  Caulerpa  spp. (Bryopsidales, Chlorophyta) from the Gulf of Mexico. Phycologia 44: 312‐319. 

Serio D., Alongi G., Catra M., Cormaci M., Furnari G.  (2006) Changes  in  the benthic algal  flora of  Linosa  Island  (Straits of Sicily, Mediterranean Sea). Botanica Marina 49: 135‐144. 

Skelton P.A., South G.R. (2004) New records and notes on marine benthic algae of American Samoa ‐ Chlorophyta & Phaeophyta. Cryptogamie Algologie 25: 291‐312. 

Stam W.T., Olsen  J.L.,  Zaleski  S.F., Murray  S.N., Brown K.R., Walters  L.J.  (2006) A  forensic and phylogenetic  survey of Caulerpa species (Caulerpales, Chlorophyta) from the Florida coast, local aquarium shops, and e‐commerce: establishing a proactive baseline for early detection. Journal of Phycology 42: 1113‐1124. 

Terrados J., Marba N. (2006) Is the vegetative development of the invasive chlorophycean, Caulerpa taxifolia, favored in sediments with a high content of organic matter? Botanica Marina 49: 331‐338. 

Varela‐Alvarez E., Andreakis N., Lago‐Leston A., Pearson G.A., Serrao E.A., Procaccini G., Duarte C.M., Marba N.  (2006) Genomic DNA isolation from green and brown algae (Caulerpales and Fucales) for microsatellite library construction (Note). Journal of Phycology 42: 741‐745. 

Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐376. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 170 of 258 

9.1.2 Ulva sp. 

TAXONOMY The genus Ulva contains 97 related species. 

Ulva lactuca 

 Figure 65 ‐ Ulva lactuca Linnaeus 

Spiddal, Co. Galway, Ireland; lower‐shore rock pools © Anna Soler Vila 

                 SYMBOLS:                                         B, E, PIV 

  

   

Phylum  Chlorophyta Class  Ulvophyceae Order  Ulvales Family  Ulvaceae Genus  Ulva Species  Ulva lactuca 

 

Ulva rigida 

 Figure 66 ‐ Ulva rigida C. Agardh 

Black Hd., Co. Clare, Ireland; lower‐shore rock pools  © M.D. Guiry 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 171 of 258 

                 SYMBOLS:                                          B, E, PIV 

 

   

Phylum  Chlorophyta Class  Ulvophyceae Order  Ulvales Family  Ulvaceae Genus  Ulva Species  Ulva rigida 

 

BIOLOGY General description 

This is a small genus of marine and brackish water green algae. It is edible and is often called 'Sea Lettuce'. Species with hollow, one‐layered thalli were formerly  included  in Enteromorpha, but  it  is widely accepted now that such species should be included in Ulva. 

The  thallus of ulvoid species  is  flat and blade‐like and  is composed of  two  layers of cells. There  is no differentiation into tissues; all the cells of the plant are more or less alike except for the basal cells, which are elongated to form attachment rhizoids. Each cell contains one nucleus and has a cup‐shaped choroplast with a single pyrenoid. 

Ulva undergoes a very definite alternation of generations. Biflagellate isogametes are formed by certain cells of the haploid, gametangial plant. These are liberated and fuse in pairs to form a diploid zygote which germinates to form a separate diploid plant called the sporophyte; this resembles the haploid gametangial plant  in  outward  appearance.  Certain  cells  of  the  sporophyte  undergo meiosis  and  form  zoospores  in sporangia; these zoospores are quite different to the gametes in that they form quadriflagellate zoospores (with 4  flagella). These are  released,  swim around  for a  time,  settle and germinate  to  form  the haploid gametangial thallus. Note that the haploid gametes are capable of settling and germinating without fusion to  form a haploid  thallus directly; most Ulva populations reproduce by  this  form of parthenogenesis and sexual reproduction is not very common. (Algaebase. 2010) 

 Biochemical composition The biochemical composition of wild macroalgae is subject to great spatial and seasonal variations. In Table 17 composition of Ulva sp. is reported.  Table 17 ‐ Biochemical composition of Ulva sp. in Europe, except for pigment values. Composition expressed as % dry weight except for Water and ash. FW= Fresh weight. 1‐Ortiz et al. (2006). 2‐ Chakraborty and Santra (2008). 3‐ 

Briand and Morand (1997).    Ulva sp. Water (%FW)  88.41 ‐ 65 to 833 Ash  111 – 17 to 353 Total Carbohydrate 

61.51 ‐ 41 to 613 

Uronic acids  7.7‐11.53 Glucose  3.9‐9.33 Mannose  0.7‐1.23 Rhamnose  16.6‐23.43 Xylose  2.9‐5.33 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 172 of 258 

  Ulva sp. Protein  27.21 ‐ 10.3 to 17.23 Lipid  0.31 – 1.8 to 3.53 Iodine  18‐2203 K   Na  0.9‐5.93 Ca  1.4‐5.63 Mg  2.0‐2.73 S  2.8‐43 P  0.13‐0.243 Vitamin (mg.kg‐1)   A 

C: 3802 – 3.1 to 7893  B1: 0.42‐3.98

3 B12: 0.040‐0.064

3 E: 8.7‐37.53 

Pigments  (Chl a: 2.06 mg.g‐1 / Chl b: 1.35 mg.g‐1/ carotenoids: 19.55 μg.g‐1) 2 

BIOTECHNOLOGY 

Culture media / Cultivation methods / Growth kinetics and productivity Ulva sp. has been cultivated worldwide  in an  integrated polyculture,  inline with either sewage treatment plants or aquaculture  farms on  land. Ulva  sp.  is also cultivated on Nori nets  for  food purposes  in  Japan. Table 18 represents the various cultivation systems and their productivity around the world.  

Table 18. Ulva productivity in various cultivation systems around the world. Species  Location/Seas

on  (or  culture duration) 

Production   Keywords  Reference 

Tank / Pond / Raceway Cultivation 

 Ulva lactuca  USA (Florida) / 

8 months 19 g DW m‐2 day‐1 (average over 8 months) 

Outdoor cultivation   DeBusk et al., 1986 

Ulva lactuca  Greece (Aegean sea) 

9,4 g FW m‐2 day‐1  (8  days  only)  in  shallow tanks 

Associated with sewage treatment plant. Low salinity, not aimed at biomass production. 

Tsagkamilis et al., 2010 

Tank / Pond / Raceway Cultivation: Integrated Multitrophic aquaculture 

Ulva lactuca  Israel   up to 376 g FW m‐2 day‐1  Biofiltration; fishpond effluents; yield; chemical analysis 

Msuya and Neori, 2008 

Sparus aurata   

Ulva rotundata  33.6  g DW m‐2  day‐1  and GR 7.5% day‐1 

Gracilariopsis longissima 

Spain (Andalucia)  / Spring 

10.2  g DW m‐2  day‐1  and GR 6.5% day‐1 

Biofiltration; stocking density; yield; biomass evolution; nitrogen; phosphorus 

Hernandez et al., 2005 

Sparus aurata   Haliotis  discus hannai 

Israel  / Winter‐Spring  FCR=  2.66‐25  with  Ulva 

lactuca 

Biofiltration; recirculation; ammonia toxicity 

Schuenhoff et al., 2003 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 173 of 258 

Species  Location/Season  (or  culture duration) 

Production   Keywords  Reference 

Paracentrotus lividus 

 

Ulva lactuca  94‐117 g FW m‐2 day‐1 Sparus aurata   Dicentrarchus labrax 

 

Ulva rotundata 

Portugal  / Spring 

29 g DW m‐2 day‐1 and GR 21.8% day‐1 

Biofiltration; raceway cultivation; yield 

Mata and Santos, 2001 

Sparus aurata  0.67% GR day‐1 and 28 kg m‐2 year‐1 

Haliotis  discus hannai 

0.9%  GR  day‐1  (juveniles) 0.34%  GR  day‐1  (young adults) 

Ulva lactuca  78 kg FW m‐2 year‐1 Gracilaria conferta 

Israel (1 year) 

poor yield 

Biofiltration; nutrient budget; seaweed yield; abalone growth rate 

Neori et al., 2000 

Haliotis tuberculata 

0.26% body weight day‐1 

Ulva lactuca  230 g FW m‐2 day‐1  Gracilaria conferta 

Israel 

highly erratic growth 

Biofiltration; nitrogen recycling; pilot scale, modular, land‐based system; yield; abalone growth rate 

Neori et al., 1998 

Sparus aurata   Haliotis tuberculata 

0.3% GR day‐1 FCR=20‐25g FW seaweed per gram of abalone produced 

Tapes philippinarum 

 

Ulva lactuca   250 g FW m‐2 day‐1  Gracilaria spp. 

Israel  /  year round 

 

Theoretical yield and revenue projections; system design 

Shpigel and Neori, 1996 

Sparus aurata   

Ulva lactuca 

Israel 

 

Biofiltration; recirculation; water‐quality; effluent 

Neori et al., 1996 

Sparus aurata   Ulva rigida 

Spain  (Canary Islands)  40 g DW m‐2 day‐1 

Biofiltration; yield; flow rate 

Jimenez del Rio et al., 1996 

Oncorhynchus mykiss 

 

Gracilaria tenuistipitata  

Sweden  (5‐6 months) 

4‐9% GR day‐1 

Growth rate; biomass; nutrient uptake 

Haglund and Pedersen, 1993 

Sparus aurata   

Ulva lactuca 

Israel 

 

Yield; growth rate; marine fishponds 

Neori et al., 1991 

Ulva lactuca  Israel  55g DW m‐2 day‐1  Biofiltration;  growth  rate; nitrogen content 

Vandermeulen and  Gordin, 1990 

GR = growth  rate  (% of  the  fresh weight), FW=  fresh weight, DW= dry weight, pm= per month, FCR= Food conversion ratio; in red: Finfish, in Blue: Shellfish, in Green: Macroalgae cultivated 

Production systems  

There  is  a wide  range of production  systems on  land or  at  sea, each of  them  are  applied  for  a  specific purposes: • the production of Ulva  sp. has been performed using  Tank  /  Pond  / Raceway  cultivation  in  either 

integrated multitrophic aquaculture (IMTA) systems (as referenced in table 1) or in sewage treatment 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 174 of 258 

plant as biofilters (Giaccone et al., 1976; Guist and Humm, 1976; Ryther et al., 1979; Tsagkamilis et al., 2010), hence reducing the  impact of fish farming on risks of eutrophication. The cultivated material originates from the vegetative growth of wild populations. 

• Ulva sp. is also cultivated on suspended nets (similar to Porphyra, Nori, cultivation) for food purposes in  Japan. Nets are  spread on wild population of Ulva  sp. and used as  collectors. Besides,  research programs have been developed  to  ensure  reliable  and  consistent  crop  (Critchley  in Werner  et  al., 2004).  Ulva  intestinalis  (previously  known  as  Enteromorpha  intestinalis)  cultivation  has  also  been established from protoplasts (Rusig and Cosson, 2001). The authors claim that the plants regenerated from protoplasts may also be used as seedstock to facilitate propagation for macroalgal culture. 

• Nevertheless,  most  biomass  is  harvested  from  the  wild  after  blooming  events,  therefore  no production system is required. 

 Harvesting methods • Tank / Pond / Raceway Cultivation 

Either with nets or manually. • Nets cultivation 

Although Ulva and Porphyra exhibit  rather  similar morphological  characteristics  (flat and blade‐like shape) and are cultivated on similar nets, harvesting methods differs. Ulva sp.  is harvested manually leaving about 2 cm of the blade on the net to allow regeneration and a monthly growth/harvesting cycle (Perez, 1997).  

• Blooms Ulva  sp.  can  also  be mechanically  harvested  from  the wild, mostly  during  blooms  (“green  tides”) where  the material  is collected on sandy beaches  in  large quantities  (several  thousands of  tons).  In that case bulldozer, raking machines, sifting machines, scraping machines and baler (Hay press) have been used according to the scale and thickness of the deposit on the beach (up to 1 m high) (Briand in Guiry and Blunden, 1991). The existence of a subtidal and floating blooming populations of Ulva sp. has also been collected  from boat equipped with conveyor belt‐collector  in  france and  from special reaping machines in the Odense fjord in Denmark. Morand and Merceron (1999) reported a recurrent collection of over 50 000 m3 per year for Brittany (France) alone, which represents about 2000 truck arrivals  and departures with  associated hydrological  and ecological  impact  (sand  removal, erosion, etc). 

 Biomass processing Once  harvested,  the  biomass  is  processed  according  to  the  end  product. Different  levels  of  quality  are required whether the material will be used for feed and food purposes, fertilizer or energy purposes. Paper production was also one of the answers to resolve Macroalgal blooms of Ulva sp. 

• Energy 

Macroalgae are stored in a tank where the acidogenic fermentation occurs. The liquefaction juices from the storage of Ulva  sp.  are  collected by draining  and pressing  the biomass. The  juice  is  then  transferred  to another bioreactor  for methanogenic  fermentation  (anaerobic digestion)  (Morand and Merceron, 2006). The  cake  resulting  from  the  pressing  process  can  be  used  as  organic  enriching  or  fertilizing  agent  in agriculture. 

Matsui  et  al.  (2006)  describe  their  field  test  plant  process  as  divided  in  four  parts:  Pre‐treatment, fermentation, biogas  storage and generation.  In pre‐treatment part,  seaweeds are  smashed and diluted with water to suppress the effect of salt and make appropriate slurry. Collected Ulva sp. contained foreign 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 175 of 258 

bodies such as sand, which do not affect fermentation directly but decrease available volume of tanks. Thus they are washed by water and foreign bodies were removed before they were used for fermentation tests. In fermentation part, there are two processes (pre‐fermentation and methane fermentation) for a higher efficiency of fermentation. The seaweed slurry is treated by pre‐fermentation (acid production) and use of methane  fermentation  as  substrate.  Capacity  of  a  pre‐fermentation  tank  is  5  kL.  In  the  methane fermentation process biogas is produced. Capacity of a methane fermentation tank is 30 kL. The methane fermentation tank contains porous matrix inside for inmobilizing bacterial cells. Biogas is refined (de‐sulfur) and stored  in a gasholder  (30 kl). Residue of methane  fermentation  is dehydrated and used as  fertilizer. Biogas is mixed with city gas (natural gas) and fed to the gas engine generator (a co‐generation system). A gas mixer of the engine was improved to mix with biogas and city gas. Electricity (10 kW) generated by the gas engine is used for electric equipments of the plant. Heat (23 kW) from the engine is used for heating‐up energy for fermentation tanks. An equipment of deodorization using microorganisms is set. 

• Fertilizer 

The harvested biomass can be directly spread on fields as soil additive, but results in a subsequent stream and aquifer pollution. Besides, the possibility of spreading is limited by the field availability sufficiently close to the sea.  

Composting algae with another substrate allows  increasing the area of utilization, but not sufficiently because of the transportation cost and the low value of compost (Morand and Merceron, 2004). 

• Food and feed purposes 

The biomass coming from blooms is dried and milled for use in premixed poultry feeds (Brault et al., 1983). However, animal feeding only uses small amounts of algae, interesting as food supplement (i.e. β‐carotene) (Morand  and Merceron, 2004). Human  food  requires highly  clean material, which  is often  incompatible with harvesting methods of blooms, therefore only Ulva sp. cultivated on nets  in Japan are commercially used for food purposes after drying, milling and conditioning.  Scaling up limitations 

Ulva  sp. are  relatively  robust  species with great  tolerance  to  low  salinity and  temperature  changes. The main scaling up limitations concerns the cultivation in tanks, ponds and raceways where land availability is scarce.  

Other than that Hanisak (1987) mentions that Ulva sp. exhibits high yields but were not sustainable for significant periods as the species would become reproductive and shed spores. As each cell  in the thallus can  become  reproductive,  it was  not  unusual  for  an  entire  culture  to  sporulate  and  be  lost  overnight, leaving  only  empty  cells.  A  search was  initiated  for  sterile  strains,  as  Ulva  in  particular  lends  itself  to digestion with high methane yields because of its favourable carbohydrate and protein content.  

References  

Bliding C.  (1969 "1968") A critical survey of European taxa  in Ulvales, Part  II. Ulva, Ulvaria, Monostroma, Kornmannia. Botaniska Notiser 121: 535‐629, 47 figs. 

Brault D., Briand X., Golven P. (1983) “Les marees vertes”: premier bilan concernant les essais de valorisation. In: Bases biologiques de l’aquaculture, Ifremer, Montpellier, pp. 33‐42.  

Braune W.  (2008) Meeresalgen.  Ein  Farbbildführer  zu den  verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeer, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Briand X, Morand P. (1997) Anaerobic digestion of Ulva sp. 1. relationship between Ulva composition and methanisation. Journal of Applied Phycology 9: 511‐524. 

Brodie J., Maggs C.A., John D.M. (2007) Green seaweeds of Britain and Ireland, British Phycological Society, London, pp. i‐xii, 1‐242, 101 figs. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 176 of 258 

Burrows E.M.  (1991) Seaweeds of  the British  Isles. Volume 2. Chlorophyta, Natural History Museum Publications, London, pp. xi  238, 60 figs, 9 plates. 

Chakraborty  S.,  Santra  S.C.  (2008) Biochemical  composition of  eight benthic  algae  collected  from  Sunderban.  Indian  Journal  of Marine Sciences 37: 329‐332. 

Dawes C.J., Mathieson A.C. (2008) The seaweeds of Florida, University Press of Florida, Gainesville, Florida, pp. i‐ viii, 1‐ 592, pls I‐LI. DeBusk T.A., Blakeslee M., Ryther,J.H. (1986) Studies on outdoor cultivation of Ulva lactuca L.. Botanica Marina 29: 381‐386. Giaccone G., Princi M., Rizzi  Longo  L.  (1976) Riposte morfologiche  e  fisiologiche di  alghe marine  in  coltura  all’inquinamento di 

liquami urbani e industriali. Ingeneria ambientale 5: 572‐582. Guist G.G., Humm H.J. (1976) Effects of sewage effluent on growth of Ulva lactuca. Florida Scientist 39: 267‐71.  Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 20 October 2010. Guiry M.D., Blunden G. (1991) Seaweed resources in Europe: uses and potential, John Wiley & Sons, Chichester; New York, pp. xi, 

432. Hanisak D.M. (1987) Cultivation of Gracilaria and other macroalgae in Florida for energy production. In: Bird K.T., Benson P.H. (eds.) 

Seaweed cultivation for renewable resources. Developments in aquaculture and fisheries science, 16. Elsevier, Amsterdam, pp. 191‐218. 

Hayden H.S., Waaland J.R. (2004) A molecular systematic study of Ulva (Ulvaceae, Ulvales) from the northeast Pacific. Phycologia 43: 364‐382. 

Hernandez I., Fernandez‐Engo M.A., Perez‐Llorens J.L., Vergara J.J. (2005) Integrated outdoor culture of two estuarine macroalgae as biofilters for dissolved nutrients from Sparus aurata waste waters. Journal of Applied Phycology 17: 557‐567.  

Jimenez del Rio M., Ramazanov Z., Garcia‐Reina G. (1996) Ulva rigida (Ulvales, Chlorophyta) tank culture as biofilters for dissolved inorganic nitrogen from fishpond effluents. Hydrobiologia 326/327: 61‐66. 

Kraft G.T. (2007) Algae of Australia. Marine benthic algae of Lord Howe Island and the southern Great Barrier Reef, 1. Green algae, Australian Biological Resources Study & CSIRO Publishing, Canberra & Melbourne, pp. i‐ivi, 1‐347, 110 text‐figs; 11 pls. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Loughnane C.J., McIvor L.M., Rindi F., Stengel D.B., Guiry M.D. (2008) Morphology, rbcL phylogeny and distribution of distromatic 

Ulva (Ulvophyceae, Chlorophyta) in Ireland and southern Britain. Phycologia 47: 416‐429. Mata L.,  Santos R. (2001) Cultivation of Ulva rotundata (Ulvales, Chlorophyta) in raceways, using semi‐intensive fishpond effluents: 

yield and biofiltration. Proceedings of the 17th International Seaweed Symposium. Matsui  T.,  Amano  T.,  Koike  Y.,  Saiganji  A.,  Saito  H.  (2006)  Sustainable  nonfuel  products/production  systems  from  biomass 

resources. Paper presented at 2006 American Institute of Chemical Engineers (AIChE) Conference, San Francisco, California (www.aiche.org) Session 412 ‐ http://aiche.confex.com/aiche/2006/techprogram/S3516.HTM. 

Morand P., Briand X., Charlier R.H. (2006) Anaerobic digestion of Ulva sp.3. Liquefaction juices extraction by pressing and technico‐economic budget. Journal of Applied Phycology 18: 741‐755. 

Morand P., Merceron M. (2004) Coastal eutrophication and excessive growth of macroalgae. In: Pandalai S.G. (ed.) Recent Research Developments in Environmental Biology 1. Research Signpost, Trivandrum, India, pp. 395‐449. 

Morand, P., Merceron, M. (2005) Macroalgal population and sustainability. Journal of Coastal Research 21: 1009‐1020. Msuya F.E., Neori A. (2008) Effect of water aeration and nutrient load level on biomass yield, N uptake and protein content of the 

seaweed Ulva lactuca cultured in seawater tanks. Journal of Applied Phycology 20: 1021‐1031. Neori A., Ragg N.L.C., Shpigel M. (1998) The integrated culture of seaweed, abalone, fish and clams in modular intensive land‐based 

systems: II. Performance and nitrogen partitioning within an abalone (Haliotis tuberculata) and macroalgae culture system. Aquacultural Engineering 17: 215‐239.  

Neori A., Shpigel M., Ben‐Ezra D. (2000) A sustainable integrated system for culture of fish, seaweed and abalone. Aquaculture 186: 279‐291. 

Norris J.N. (2010) Marine algae of the Northern Gulf of California: Chlorophyta and Phaeophyceae, Smithsonian Contributions to Botany 94: i‐x, 1‐276. 

Ortiz J., Romero N., et al. (2006) Dietary fiber, amino acid, fatty acid and tocopherol contents of the edible seaweeds Ulva lactuca and Durvillaea Antarctica. Food Chemistry 99: 98‐104. 

Pedroche F.F., Silva P.C., Aguilar‐Rosas L.E., Dreckmann K.M., Aguilar‐Rosas R. (2005) Catálogo de las algas marinas bentónicas del Pacífico de México. I. Chlorophycota, Universidad Autónoma de Baja California,  Ensenada, México, pp. i‐viii, 17‐146. 

Perez R (1997) Ces algues qui nous entourent: conception actuelle, rôle dans la biosphère, utilisations, culture, IFREMER Plouzané, France, pp. xi 272.  

Ryther J.H., De Boer J.A., Lapointe B.E. (1979) Cultivation of seaweeds for hydrocolloids, waste treatment and biomass for energy conversion. Jensen A., Stein J.R. (eds.) Proceedings of the IXth International seaweed symposium, Science Press, Princeton, pp. 1‐16. 

Rusig  A.M.,  Cosson  J.  (2001)  Plant  regeneration  from  protoplasts  of  Enteromorpha  intestinalis  (Chlorophyta,  Ulvophyceae)  as seedstock for macroagal culture. Journal of Applied Phycology 13: 103‐108. 

Scagel R.F. (1957) An annotated  list of the marine algae of British Columbia and northern Washington (including keys to genera). Bulletin, National Museum of Canada 150: vi ‐ 289. 

Shhuenhoff A., Shpigel M., Lupatsch  I., Ashkenazi A., Msuya F.E., Neori A.  (2003) A semi‐recirculating,  integrated system  for  the culture of fish and seaweed. Aquaculture 221: 167‐181.  

Shpigel M., Neori A.(1996) The integrated culture of seaweed, abalone, fish and clams in modular intensive land‐based systems: 1. Proportions of size and projected revenues. Aquacultural Engineering 15: 313‐326. 

Smith G.M. (1944) Marine algae of the Monterey Peninsula, Stanford University Press,  Stanford, pp. ix, 622, 98 pls. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 177 of 258 

Tsagkamilis P., Danielidis D., Dring M., Katsaros C. (2010) Removal of phosphate by the green seaweed Ulva lactuca in a small‐scale sewage treatment plant (Ios Island, Aegean Sea, Greece). Journal of Applied Phycology 22: 331‐339. 

Vandermeulen H., Gordin H. (1990) Ammonium uptake using Ulva (Chlorophyta)  in  intensive fishpond systems: mass culture and treatment of effluent. Journal of Applied Phycology 2: 363‐374.  

Werner A., Clarke C., Kraan S. (2004) Strategic review of the feasibility of seaweed aquaculture in Ireland. NDP Marine RTDI Desk Study Series, DK/01/008.2004 

Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 178 of 258 

9.1.3 Cladophora sp. 

 

 Figure 67 ‐ Cladophora glomerata © Fabio Rindi (left) and Cladophora rupestris (Linnaeus) Kützing © Michael D. 

Guiry (right). Ireland 

                 SYMBOLS:                       B  

TAXONOMY    

Phylum  Chlorophyta Class  Ulvophyceae Order  Cladophorales Family  Cladophoraceae Genus  Cladophora Species  Cladophora glomerata / rupestris 

Related species  

The genus Cladophora contains 180 related species.  

BIOLOGY Thalli of uniseriate branched  filaments with apical and/or  intercalary growth. Branches sparse  to profuse with branches  inserted  laterally below  apex of  cell or  apically on  cell  (a pseudodichotomy).  If  attached, branching rhizoids arise from basal cell and other cells in basal region, or simple discoid holdfast produced. Chloroplasts  parietal,  either  densely  packed  discoid  and/or  united  in  a  reticulum.  Pyrenoids  in  many chloroplasts, bilenticular,  flanked by  two bowl‐shaped  starch bodies. Cells multinucleate, nuclei dividing more  or  less  synchronously  with  nuclear membrane  remaining  intact.  Cell  wall  polysaccharide mainly crystalline  cellulose,  forming  numerous  lamellae  of  microfibrils  in  crossed  fibrillar  pattern.  Asexual reproduction by biflagellate or quadriflagellate  zoospores only method of  reproduction  in  some  species, some  species  only  reproducing  by  thallus  fragmentation.  Akinetes  produced  by  most  species  under unfavourable conditions; these are swollen, thick‐walled, filled with starch. Thick walled rhizoids and basal portions of main axes also perennating devices. Sexual reproduction by regular alternation of generations producing  biflagellate  isogametes  and  quadriflagellate  zoospores.  Meiosis  precedes  spore  production. Zoidangia with 1‐3 pores, cruciate zooids released under pressure. Zoids of C. rupestris with well developed 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 179 of 258 

layer of granules outside the plasmalemma and inside the 'fibrous‐layer' which may be involved in cell wall synthesis. 

Cladophora  is  cosmopolitan  in  temperate and  tropical  regions, occurring  in  freshwater, brackish and marine conditions. The various species are found intertidally in wave‐exposed to very sheltered habitats, in brackish pools, lagoons and mudflats, and in more or less eutrophic freshwater streams and lakes with pH > 7.  Certain  unattached  species  can  be  aggregated  into  spherical  mats,  2‐10  cm  in  diameter,  called "Cladophora  Balls".  Cladophora  glomerata  can  be  a  rapid  colonizer  of  rocky  stream  beds  and  at temperatures > 15 °C readily produces zoospores and new vegetative growth following winter dormancy or severe floods. Cell walls of the freshwater species C. glomerata include silica, an essential nutrient for this species.  Calcium  is  also  an  essential  element  and  CaCO3  depositions  occur  in  older  cells.  In  sea‐water, Cladophora normally absorbs bicarbonate rather than CO2 for photosynthesis. 

BIOTECHNOLOGY 

In  Thailand, Cladophora edible  freshwater  alga,  is  known  as Kai.  It  is  abundant  in  the Nan  and Mekong rivers  in  the  Northern  part  of  Thailand.  The  local  people  around  these  rivers  collect  it  for  domestic consumption  and  it  is  sold  in  the markets  and  is  now  cultured  by  using wastewater  from  fish  rearing (Khuantrairong and Traichaiyaporn, 2011). 

Cladophora glomerata is generally considered as a good bioindicator of heavy metals in aquatic bodies (Whitton et al., 1989). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=37 Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 02 July 2010. John D.M. (2002) Order Cladophorales (=Siphonocladales). In: John D.M., Whitton B.A., Brook,A.J. (eds.) The Freshwater Algal Flora 

of the British Isles. An  identification guide to freshwater and terrestrial algae, Cambridge University Press, Cambridge, pp. 468‐470. 

Khuantrairong  T.,  Traichaiyaporn  S.  (2011)  The  nutritional  value  of  edible  freshwater  alga  Cladophora  sp.  (Chlorophyta)  grown under different phosphorus concentrations. International Journal of Agriculture & Biology 13: 297‐300. 

Thomas D.N., Collins  J.C., Russell G.  (1988)  Interactive effcts of  temperature and salinity upon net photosynthesis of Cladophora glomerata (L.) Kütz. C. rupestris (L.) Kütz. Botanica Marina 31: 73‐77. 

Whitton B. A., Burrows  I.G., Kelly M.G. (1989) Use of Cladophora glomerata to monitor heavy metals  in rivers. Journal of Applied Phycology 1: 293‐299. 

Wiencke  C.,  Davenport  J.  (1987)  Respiration  and  photosynthesis  in  the  intertidal  alga  Cladophora  rupestris  (L.)  Kütz.  under fluctuating salinity regimes. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 114: 183‐197. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 180 of 258 

9.1.4 Codium sp. 

TAXONOMY 

The genus Codium currently contains 127 recognized species.  

Codium fragile 

 Figure 68 ‐ Codium fragile (Suringar) Hariot.  

Kommetjie, Cape Peninsula, South Africa ©  Michael D. Guiry 

                SYMBOLS:                       B   

   

Phylum  Chlorophyta Class  Bryopsidophyceae Order  Bryopsidales Family  Codiaceae Genus  Codium Species  Codium fragile 

Codium parvulum 

 Figure 69 ‐  Codium parvulum (Bory ex Audouin)  

P.C.Silva, Atlit, Israel © Dr. Alvaro Israel 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 181 of 258 

                SYMBOLS:                       B   

   

Phylum  Chlorophyta Class  Bryopsidophyceae Order  Bryopsidales Family  Codiaceae Genus  Codium Species  Codium parvulum 

 

BIOLOGY 

Thallus spongy, anchored to rocks or shells by a weft of rhizoids, varying  in size from 1 cm to 10 m  long. Habit  varying  widely  applanate,  pulvinate,  digitaliform,  globular,  petaloid,  membraniform,  or dichotomously  branched;  erect  or  repent;  branches  wholly  terete  or  variously  flattened,  at  times anastomosing.  Internal  structure  composed of a  colorless medulla of densely  intertwined  siphons and a green palisade‐like  layer of  vesicles  called utricles. Organelles,  including  innumerable nuclei  and discoid chloroplasts (but no amyloplasts) are confined to a layer of cytoplasm appressed to a wall of which mannan is  an  important  constituent.  Chloroplasts  lack  pyrenoids;  carotenoid  pigments  include  siphaxanthin  and siphonein.  Incomplete  septa  (plugs)  formed  by  centripetal  deposition  of  wall  material.  Utricles  arise primarily  by  enlargement  of  sympodial  branches  of  medullary  siphons,  secondarily  by  budding  or  by production of additional utricle‐forming medullary siphons from basal portion of existing utricles. Mature utricles  cylindrical  or  clavate,  the  apical  wall  usually  thickened  and  often  ornamented  in  a  pattern characteristic of particular species. Rhizoidal siphons, which become buried  in the medulla, also produced from basal portion of utricles. Colorless hairs, each with a basal plug, produced by utricles shortly below their apices, caducous at the plug, which remains as a prominent scar. Gametangia produced  laterally by utricles,  each  with  a  basal  plug  above  a  short  pedicel;  fusiform  to  ovoid,  the  contents  cleaving  into biflagellate  gametes  following meiosis. Gametes  extruded  in  a  gelatinous mass  through  apical  rupture. Male gametes contain only one or two chloroplasts, female gametes several times  larger, with numerous chloroplasts, the two  types produced on the same thallus  (monoecious) or more often on different  thalli (dioecious). Zygote develops into amorphous prostrate vesicle that produces erect elongate vesicles; these in  turn  initiate  primary  utricle‐producing  siphons which  eventually  consolidate  into  a multiaxial  thallus. Asexual  reproduction  by  parthenogenesis,  fragmentation,  or  the  cutting  off  of  modified  aborted gametangia. Despite the ubiquity of Codium very  little  is know about  its biology. The  life history outlined above is generalized from fragmentary studies. Codium parvulum has been recently described as blooming in Nothern shores of Israel. 

BIOTECHNOLOGY 

Codium fragile is used as food in Korea and the Philippines, in the latter of which other species of Codium are  also  used.  These  are  used  also  in  other  countries  such  as  Argentina,  Hawaii,  Israel  and  Indonesia (Zemke‐White and Ohno, 1999). Codium  in Korea  is produced  in an amount of 150 kg dry weight year‐1 (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=39&sk=0 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 182 of 258 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Israel A., Einav R., Silva P.C., Paz G., Chacana M.E., Douek J. (2010) First report of the seaweed Codium parvulum (Chlorophyta) in Mediterranean waters: recent blooms on the northern shores of Israel. Phycologia 49: 107‐112. 

Kusakina J., Snyder M., Kristie D.N., Dadswell M.J. (2006) Morphological and molecular evidence for multiple invasions of Codium fragile in Atlantic Canada. Botanica Marina 49: 1‐9. 

Lam D.W., Zechman F.W.  (2006) Phylogenetic analyses of  the Bryopsidales  (Ulvophyceae, Chlorophyta) based on RUBISCO  large subunit gene sequences. Journal of Phycology 42: 669‐678. 

Mondragon  J., Mondragon  J.  (2003)  Seaweeds  of  the  Pacific  Coast.  Common marine  algae  from Alaska  to  Baja  California,  Sea Challengers, Monterey, California, pp. iv, 5‐97. 

Pedroche F.F., Silva P.C., Aguilar‐Rosas L.E., Dreckmann K.M., Aguilar‐Rosas R. (2005) Catálogo de las algas marinas bentónicas del Pacífico de México. I. Chlorophycota, Universidad Autónoma de Baja California,  Ensenada, México, pp. i‐viii, 17‐146. 

Provan  J., Booth D.,  Todd N.P., Beatty G.E., Maggs  C.A.  (2008)  Tracking  biological  invasions  in  space  and  time:  elucidating  the invasive  history  of  the  green  alga  Codium  fragile  using  old  DNA.  Diversity  and  Distributions  A  Journal  of  Conservation Biogeography 14: 343‐354. 

Scagel R.F. (1957) An annotated  list of the marine algae of British Columbia and northern Washington (including keys to genera). Bulletin, National Museum of Canada 150: vi ‐ 289. 

Schorie, D., Selig U., Schubert H. (2009) Species and synonym list of the German marine macroalgae based on historical and recent records. Rostock. Meeresbiologie Beitraeg 21: 7‐135. 

Silva P.C. (1955) The dichotomous species of Codium in Britain. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 34: 565‐577. 

Smith G.M. (1944) Marine algae of the Monterey Peninsula,  Stanford University Press,  Stanford, pp. ix, 622, 98 pls.. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 183 of 258 

9.2 Rhodophyta 

9.2.1 Chondrus crispus 

 Figure 70 ‐ Chondrus crispus (Stackhouse) 

New Quay, Co. Clare, Ireland; plant to 60 mm long; on rock © M.D. Guiry 

 

                SYMBOLS:                        B  

TAXONOMY     

Phylum  Rhodophyta Class  Florideophyceae Order  Gigartinales Family  Gigartinaceae Genus  Chondrus Species  Chondrus crispus 

Related species 

C. armatus, C. canaliculatus, C. elatus, C. giganteus, C. giganteus f. flabellatus, C. nipponicus, C. ocellatus f. crispus, C. ocellatus f. parvus, C. ocellatus, C. ocellatus f. aequalis, C. ocellatus f. crispoides, C. pinnulatus f. conglobatus, C. pinnulatus, C. verrucosus, C. yendoi f. subdichotomus, C. yendoi, C. yendoi f. fimbriatus, C. crispus var. lonchophorus, C. crispus var. filiformis.  

BIOLOGY Cartilaginous, dark purplish‐red, red, yellowish or greenish fronds to 150 mm high, gametophyte plants are often iridescent under water when in good condition. Stipe compressed, narrow, expanding gradually to a flat, repeatedly dichotomously branched frond, in tufts from a discoid holdfast. Axils rounded, apices blunt or subacute,  frond  thicker  in centre  than margins. Very variable  in breadth of segments. Very variable  in branching,  colour  and  thickness.  Cystocarps  are  embedded  and  aggregated  distally  or  confined  to proliferations.  Cystocarps  lack  a  surrounding  filamentous  hull,  the major  generic  defining  character  of 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 184 of 258 

Chondrus. Male plants are often said to be extremely rare, but are reported to occur in normally expected proportions  in  at  least  some  populations  of  the  most  commerically  valuable  species,  C.  crispus. Tetrasporangia occur in branched chains formed laterally on cells of the inner cortex.  

C. crispus is almost exclusively restricted to rock and ranges from intertidal to 24 m depths, being also tolerant of lowered salinities. It occurs in the north Atlantic from New Jersey to Spain and possibly Morocco and the Cape Verde Islands, as well as Japan.  

BIOTECHNOLOGY

This genus  is economically  important, currently  in eastern Canada and France, and formerly  in Britain and Ireland. Much emphasis has been devoted to its cultivation in outdoor tanks as raw material for commercial utilization (Chen and Taylor, 1978; Simpson et al., 1978; Simpson and Shacklock, 1979; Shacklock and Croft, 1981; Bidwell et al., 1985). Bidwell et al. (1984, 1985) devised and tested outdoor tank methods generally applicable to Chondrus culture both within and outside of  its native range, but conclude that world prices do not allow economically viable cultivation  in eastern Canada where the  largest natural populations are found. C. crispus  is used  for carrageenan production  in France, Spain and US, and as  food  in  Ireland and France, while in Japan C. ocellatus is used as food (Zemke‐White and Ohno, 1999). Canada produces 10,000 t dry weight per year of Chondrus, France 1,260, Japan 500, Spain 300, US 120, Portugal 30 and  Ireland 3 (Zemke‐White and Ohno, 1999).  

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=2 Bates  C.R.,  Saunders  G.W.,  Chopin  T.  (2005)  An  assessment  of  two  taxonomic  distinctness  indices  for  detecting  seaweed 

assemblage responses to environmental stress. Botanica Marina 48: 231‐243. Bidwell R.G.S.,  Lloyd N.D.H., McLachlan  J.  (1984) The performance of Chondrus  crispus  (Irish moss)  in  laboratory  simulations of 

environments in different locations. Proceedings of the International Seaweed Symposium 6: 292‐294. Bidwell R.G.S., McLachlan J., Lloyd N.D.H. (1985) Tank cultivation of Irish moss, Chondrus crispus Stackh. Botanica Marina 28: 87‐97. Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. Chen L.C.M., Taylor A.R.A. (1978) Medullary tissue culture of the red alga Chondrus crispus. Canadian Journal of Botany 56: 883‐

886. Dixon P.S., Irvine L.M. (1977) Seaweeds of the British Isles. Volume 1. Rhodophyta. Part 1. Introduction, Nemaliales, Gigartinales, . 

British Museum (Natural History), London, pp. xi ‐ 252, 90 figs. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Hommersand  M.H.,  Guiry  M.D.,  Fredericq  S.,  Leister  G.L.  (1993)  New  perspectives  in  the  taxonomy  of  the  Gigartinaceae 

(Gigartinales, Rhodophyta). Proceedings of the International Seaweed Symposium 14: 105‐120, 41 figs. Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Mikami H. (1965) A systematic study of the Phyllophoraceae and Gigartinaceae from Japan and its vicinity. Memoirs of the Faculty 

of Fisheries Hokkaido University 5: 181‐285. Shacklock P.F., Croft G.B. (1981) Effect of grazers on Chondrus crispus in culture. Aquaculture 22: 331‐342. Silva  P.C.,  Basson  P.W., Moe  R.L.  (1996)  Catalogue  of  the  benthic marine  algae  of  the  Indian  Ocean.  University  of  California 

Publications in Botany 79: 1‐1259. Simpson  F.J.,  Shacklock  P.F.  (1979)  The  cultivation  of  Chondrus  crispus.  Effect  of  temperature  on  growth  and  carrageenan 

production. Botanica Marina 22: 295‐298. Simpson  F.J.,  Neish  A.C.,  Shacklock  P.F.,  Robson  D.R.  (1978)  The  cultivation  of  Chondrus  crispus.  Effect  of  pH  on  growth  and 

production of carrageenan. Botanica Marina 21: 229‐235. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 185 of 258 

 

9.2.2 Mastocarpus stellatus 

 

 Figure 71 ‐ Mastocarpus stellatus (Stackhouse) 

Guiry  Muigh Inis, Co. Galway, Ireland; on rock © M.D. Guiry 

 

               SYMBOLS:                      B 

 

TAXONOMY     

Phylum  Rhodophyta Class  Florideophyceae Order  Gigartinales Family  Phyllophoraceae Genus  Mastocarpus Species  Mastocarpus stellatus 

Related species  

M. jardinii, M. pacificus, M. papillatus, M. yendoi. 

 

BIOLOGY

Cartilaginous, purplish brown fronds, often in dense tufts, arising from a discoid holdfast, to 200 mm high. Narrow compressed stipe expands into strap‐like blade, usually inrolled to form a channel, with thickened margins. Repeatedly dichotomously branched, axils acute. Upper part of frond with papillae to 10 mm or more  long  on  surfaces  and margins  on  female  plants. Male  plants  lack  papillae  and  are  generally  rare. Tetrasporophyte a purplish‐black crust (Petrocelis‐phase). 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 186 of 258 

M.  stellatus  occurs  on  rocks  in  lower  intertidal,  often  in  large  continuous  mats,  widespread  and abundant. Both  the gametophyte and  tetrasporophytic  stages are characteristic of high  to mid  intertidal rocks on open coasts, although it also occurs subtidally. 

M.  stellatus  occurs  in  the  north  Atlantic  Ocean  from  Russia  to  Portugal  and  from  Morocco  to Mauritania and from Rhode Island to Newfoundland. 

BIOTECHNOLOGY

M.  stellatus  is  used  as  a  source  of  carrageenan  in  Spain  and  Portugal  and  as  food  in  Ireland.  Annual production is of 600 t dry weight in Spain, 70 in Portugal and 5 in Ireland (Zemke‐White and Ohno, 1999).  

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=24&sk=0&from=results  http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=20 

Bates  C.R.,  Saunders  G.W.,  Chopin  T.  (2005)  An  assessment  of  two  taxonomic  distinctness  indices  for  detecting  seaweed assemblage responses to environmental stress. Botanica Marina 48: 231‐243. 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere,  A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Guiry M.D., West J.A. (1983) Life history and hybridization studies on Gigartina stellata and Petrocelis cruenta (Rhodophyta) in the North Atlantic. Journal of Phycology 19: 474‐494. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Silva P.C.  (1952) A  review of nomenclatural  conservation  in  the algae  from  the point of view of  the  type method. University of 

California Publications in Botany 25: 241‐323. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376. Zuccarello  G.C.,  Schidlo  A., McIvor  L.,  Guiry M.D.  (2006)  A molecular  re‐examination  of  speciation  in  the  intertidal  red  alga 

Mastocarpus stellatus (Gigartinales, Rhodophyta) in Europe. European Journal of Phycology 40: 337‐344. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 187 of 258 

 

9.2.3 Grateloupia turuturu 

 Figure 72 ‐ Grateloupia turuturu Yamada with Bifurcaria bifurcata 

Finisterre, Galicia, Spain, 2008 © Ignacio Bárbara 

                 SYMBOLS:                      B   

 

TAXONOMY 

   

Phylum  Rhodophyta Class  Florideophyceae Order  Halymeniales Family  Halymeniaceae Genus  Grateloupia Species  Grateloupia turuturu 

Related species  

The genus Grateloupia contains 87 related species 

 

BIOLOGY

Grateloupia  is  compressed  to  foliose,  linear  to  lanceolate,  rarely  unbranched,  usually  branched proliferously,  to one or more orders,  in one or more planes. Stipitate. Holdfast a basal disc. Lubricous  to leathery. Medulla  filamentous, with  rhizoids.  Inner  cortex of anastomosing  stellate  cells, outer  cortex of anticlinal files of more or less isodiametric cells, progressively smaller toward cuticle. Female reproductive structures  in ampullae, sparingly branched usually  to only  two orders. Carpogonia  terminating a 2‐celled branch on the primary ampullar filament. Connecting filaments can fuse with a succession of auxiliary cells in  separate  ampullae.  A  single,  outwardly  directed  gonimoblast  initial  produces  a  compact,  embedded cystocarp with many small carposporangia. Small auxiliary fusion cell formed. Carpostome usually present. Spermatangia  superficial,  sometimes  in  nemathecial  sori.  Tetrasporophyte  isomorphic.  Tetrasporangia cruciate, attached subbasally to intermediate cortical layer. 

Grateloupia is distributed in warm temperate (to tropical) waters throughout the world. G. turuturu is a marine species. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 188 of 258 

BIOTECHNOLOGY

G. filicina is used as food in Indonesia and Japan (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=114 Barreiro R., Quintela M., Bárbara I., Cremades J. (2006) RAPD differentiation of Grateloupia lanceola and the invasive Grateloupia 

turuturu (Gigartinales, Rhodophyta) in the Iberian Peninsula. Phycologia 45: 213‐217. D'Archino  R., Nelson W.A.,  Zuccarello G.C.  (2007)  Invasive marine  red  alga  introduced  to New  Zealand waters:  first  record  of 

Grateloupia turuturu (Halymeniaceae, Rhodophyta). New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research 41: 35‐42. De  Clerck  O.,  Gavio  B.,  Fredericq  S.,  Bárbara  I.,  Coppejans  E.  (2005)  Systematics  of  Grateloupia  filicina  (Halymeniaceae, 

Rhodophyta), based on rbcl sequence analyses and morphological evidence, including the reinstatement of G. minima and the description of G. capensis sp. nov. Journal of Phycology 41: 391‐410. 

Figueroa  F.L.,  Korbee  N.,  de  Clerck  O.,  Bárbara  I.,  Gall  E.A.R.  (2007)  Characterization  of  Grateloupia  lanceola  (Halymeniales, Rhodophyta),  an  obscure  foliose Grateloupia  from  the  Iberian  Peninsula,  based  on morphology,  comparative  sequence analysis and mycosporine‐like amino acid composition. European Journal of Phycology 42: 231‐242. 

Gavio B., Fredericq S. (2002) Grateloupia turuturu (Halymeniaceae, Rhodophyta)  is the correct name of the non‐native species  in the Atlantic known as Grateloupia doryphora. European Journal of Phycology 37: 349‐360. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Verlaque  M.,  Brannock  P.M.,  Komatsu  T.,  Villalard‐Bohnsack  M.,  Marston  M.  (2005)  The  genus  Grateloupia  C.  Agardh 

(Halymeniaceae,  Rhodophyta)  in  the  Thau  Lagoon  (France,  Mediterranean):  a  case  study  of  marine  plurispecific introductions. Phycologia 44: 477‐496. 

Xia  B.M.  (2004)  Flora  algarum marinarum  sinicarum  Tomus  II  Rhodophyta  No.  III  Gelidiales  Cryptonemiales  Hildenbrandiales, Science Press, Beijing, pp. i‐xxi, 1‐203, pls I‐XIII. 

Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 189 of 258 

9.2.4 Palmaria palmata 

 

 

Figure 73 ‐ Palmaria palmata (Linnaeus) Kuntze 

Spiddal, Co. Galway, Ireland; lower intertidal © M.D. Guiry 

                SYMBOLS:                       B  

TAXONOMY 

   

Phylum  Rhodophyta Class  Florideophyceae Order  Palmariales Family  Palmariaceae Genus  Palmaria Species  Palmaria palmata 

Related species  

P.  callophylloides, P. decipiens, P. georgica, P. hecatensis, P. marginicrassa, P. mollis, P. moniliformis, P. stenogona.  

BIOLOGY

Thallus with erect stipitate fronds arising from a basal disc, blades flattened, becoming cartilaginous with age,  simple,  dichotomously  or  palmately  divided,  frequently  with  marginal,  palmately  divided proliferations; construction multiaxial, cortex of 2‐5  layers of small pigmented cells  increasing  in number rather than size as the thallus matures to form a meristoderm, medulla compact with 2‐5  layers of  large, rounded, loosely coherent, almost colourless cells with strings of bead‐like chloroplasts. Gametangial plants dioecious; spermatangia formed in large, irregular, tortuous sori over most of the surface of erect, frondose blades similar  in morphology  to  the  tetrasporangial plants; carpogonia occurring as single cells on young plantlets only; tetrasporangial plant developing directly from the fertilized carpogonium and overgrowing 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 190 of 258 

the carpogonial plant, carposporophyte  lacking. Tetrasporangia  large,  in extensive,  irregular, tortuous sori generally  covering much of  the  surface of  the young  frond when mature,  formed  in a  terminal position from cortical cells, interspersed with modified, pigmented, sterile filaments, regenerating repeatedly from a basal generative stalk cell. Spores regularly cruciately or decussately arranged. 

Marine. On  rock, mussels and epiphytic on several algae,  intertidal  (at all  levels but particularly near low water) and shallow subtidal , especially on upper part of Laminaria hyperborea stipes (to a depth of 5 m), widely distributed, abundant. 

BIOTECHNOLOGY

Palmaria palmata  is a food  item of ancient usage  in the North Atlantic. This species  is variously known as dulse, dillisk, duilleasg or duillisg (Irish Gaelic), the narrower forms being called creannach (Irish Gaelic), soll (Icelandic),  sou‐söll,  søl, blôm  (Norwegian), goémon à vaches  (French), and darusu  (Japanese). Dulse  is a good source of vitamins and minerals, particularly when compared to higher‐plant vegetables (Morgan et al., 1980), and  is still eaten  in Scotland, Ireland, Iceland, Brittany and Norway, although,  in many of these areas, its use is only occasional. Dulse contains large amount of several unusual carbohydrates including an unusual short‐chained one, floridoside, and this can form up to 30% of the dry weight. Scotland, Norway, Iceland and eastern Canada all produce small amounts of dulse for human consumption.  In  Ireland about 20 dry  tonnes  are  sold  each  year, while  in Canada 100  t  are produced  yearly  (Zemke‐White  and Ohno, 1999). 

References 

AlgaeBase:  http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=37291  http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=1 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Irvine  L.M.,  Guiry M.D.  (1983)  Palmariales.  In:  Irvine  L.  (ed.)  Seaweeds  of  the  British  Isles.  Volume  1.  Rhodophyta,  Part  2A Cryptonememiales (sensu stricto), Palmariales, Rhodymeniales, Vol.1 (2A), British Museum, London, pp. 65‐98. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Morgan K.C., Shacklock P.F., Simpson F.J. (1980) Some aspects of the culture of Palmaria palmata  in greenhouse tanks. Botanica 

Marina 23: 765‐770. Morgan K.C., Wright J.L.C., Simpson F.J. (1980) Review of chemical constituents of the red alga Palmaria palmata (dulse). Economic 

Botany 34: 27‐50. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 191 of 258 

9.2.5 Solieria chordalis 

 

 Figure 74 ‐ Solieria chordalis (C.Agardh) J.Agardh 

© Stephanie Bondu (UBO‐Brest, France) 

                  SYMBOLS:                         B  

TAXONOMY    

Phylum  Rhodophyta Class  Florideophyceae Order  Gigartinales Family  Solieriaceae Genus  Solieria Species  Solieria chordalis 

Related species 

S. anastomosa, S. dichotoma, S. dura, S. filiformis, S. jaasundii, S. pacifica, S. robusta, S. tenuis.  

BIOLOGY

Plants of the largest species reach 30 cm in length. Thalli are erect or recumbent from a crustose or fibrous holdfast,  terete  to compressed, and  irregularly  to subdichotomously branched. Apices are multiaxial,  the successive  axial  cells  producing  single  periaxial  derivatives  either  in  orthostichous  rows  or  rotated  120 degrees  in  a  zig  zag  fashion.  The medulla  is broad  and  laxly  filamentous with  abundant  rhizoids,  and  is surrounded by a cortex of progressively smaller subisodiametric cells. Carpogonial branches are 3‐celled, at times  bearing  sterile  cells  on  the  basal  cell,  and  emit  a  single  non‐septate  connecting  filament  from fertilized  carpogonia.  Auxiliary  cells  are  prominently  situated  in  an  "auxiliary  cell  complex"  prior  to diploidization. Cystocarps are deeply embedded  in  the axes, often  in clusters, and consist of an ostiolate pericarp with a  filamentous  inner hull surrounding a carposporophyte  in which a  large central  fusion cell 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 192 of 258 

gives  rise  peripherally  to  short  chains  of  gonimoblast  cells  bearing  single,  terminal  carposporangia. Tetrasporangia are laterally pit‐connected to bearing cells.  

S. chordalis is a marine species. 

BIOTECHNOLOGY

Algae of the genus Solieria are used as food in Myanmar (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=33013 Bondu  S.,  Cocquempot B., Deslandes  E., Morin  P.  (2008)  Effects  of  salt  and  light  stress  on  the  release  of  volatile  halogenated 

organic compounds by Solieria chordalis: a laboratory incubation study. Botanica Marina 51: 485‐492. Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. De Masi F., Gargiulo G.M. (1982) Solieria chordalis (C. Ag.) J. Ag. (Rhodophyta, Gigartinales) en Méditerranée. Allionia 25: 109‐111. Deslandes  E.,  Floc'h  J.Y.,  Bodeau‐Bellion  C.,  Brault  D.,  Braud,  J.P.  (1985)  Evidence  for  (iota)‐carrageenans  in  Solieria  chordalis 

(Solieriaceae) and Calliblepharis jubata, Calliblepharis purpureum (Rhodophyllidaceae). Botanica Marina 28: 317‐318. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 30 June 2010. Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376.   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 193 of 258 

9.3   Phaeophyceae (phylum Heterokontophyta) 

9.3.1 Alaria esculenta 

 Figure 75 ‐ Alaria esculenta (Linnaeus) Greville 

Spiddal, Co. Galway, Ireland. Fronds exposed at low water; 16‐mm lens  © M.D. Guiry 

 

                SYMBOLS:                                        B  

 

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Alariaceae Genus  Alaria Species  Alaria esculenta 

Related species  

A.  angusta,  A.  crassifolia,  A.  crispa,  A.  elliptica,  A.  esculenta  f.  latifolia,  A.  esculenta  f.  angustifolia,  A. fragilis, A. grandifolia, A. marginata, A. ochotensis, A. paradisea, A. praelonga, A. pylaiei.    

BIOLOGY

Plants with olive or yellow‐brown fronds to 4 m  long and 25 cm wide. Attached by a root‐like holdfast at the base  from which a narrow  flexible  stipe arises which  continues  into  the  leafy part of  the plant as a distinct mid‐rib. The  reproductive structures, apparent as dark‐brown areas, are confined  to unbranched leafy appendages borne on  the  stipe, usually  in  two  rows. This  is  the only kelp‐like plant  in  Ireland and Britain with a distinct midrib and  is the only one with sporangia borne at the base of the frond  in special leaflets called sporophylls. 

Generally growing on rock in very exposed places, often forming a band at low water and in the shallow subtidal, but also occurring in tidal pools in the lower shore. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 194 of 258 

BIOTECHNOLOGY

A.  esculenta,  as well  as  other  Alaria  species,  is  used  as  food  in  European,  North  American  and  Asian countries  (Zemke‐White and Ohno, 1999). For further  information on Alaria biotechnology see paragraph Biotechnology for Laminaria, Saccharina and Saccorhiza. 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=82 Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Lane C.E., Saunders G.W.  (2005) Molecular  investigation  reveals epi/endophytic extrageneric kelp  (Laminariales, Phaeophyceae) 

gametophytes colonizing Lessoniopsis littoralis thalli. Botanica Marina 48: 426‐436. Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. [1]‐215. Widdowson T.B. (1971) A taxonomic revision of the genus Alaria Greville. Syesis 4: 11‐49. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 195 of 258 

  

9.3.2 Undaria pinnatifida 

 

 

Figure 76 ‐ Undaria pinnatifida (Harvey) Suringar  

Venice, Italy; on chains of vaporetto stop © M.D. Guiry 

                 SYMBOLS:                     B    

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Alariaceae Genus  Undaria Species  Undaria pinnatifida 

Related species 

U. crenata, U. undarioides  

BIOLOGY

Life  history  diplohaplontic  with  alternation  of  large  sporophyte  bearing  unilocular meiosporangia  with paraphyses (sori) and microscopic dioecious and oogamous, heteromorphous gametophytes (for detail, see Laminaria). Haploid chromosome number  is 30  in U. pinnatifida. Sporophyte annual, appearing  in winter and disintegrating the following autumn. Sporophyte composed of holdfast with haptera, stipe, and blade. Meristematic  region  situated  at  transition  zone  between  stipe  and  blade.  Stipe  compressed  at  base  to flattened above, with wings  (greatly expanded  to narrow) which are more or  less undulato‐plicated and with  sori  or  sterile.  Blade  linear  to  rounded  or  with  pinnate  lobes,  with  midrib  or  thickened  fascia. Cryptostomata and dot‐like mucilage glands present. Sori develop  in  summer on both  surfaces of wings (sporophylls), or on both sides of midrib or fascia, or at the same time on sporophylls and blade. In culture, 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 196 of 258 

sori  of U.  pinnatifida  are  formed  in  longday  conditions,  probably  induced  by  high water  temperatures. Zoospores of U.  pinnatifida  germinate  between  13  and  24°C  gametophytes  grow well  at  15‐23°C  (Saito 1956). Survival range of gamtophytes  is  ‐1 to 28°C. Optimal temperatures for formation and growth of U. pinnatifida sporophytes is 10‐20°C but at 5 and 25°C sporophytes are still formed. Structure of sporophyte as in Laminaria composed of photosynthetic meristoderm, parenchymatic cortex and central medulla. In U. pinnatifida parthenosporophytes with normal morphology may develop at low rates releasing only female determined zoospores when maturing. 

Genus originally endemic to the northwestern Pacific, growing subtidally on rocks  in warm‐temperate waters of  Japan, Korea  and China. Recently, U. pinnatifida was  introduced  to  France, New  Zealand  and Tasmania, probably via oyster cultures and ships. Since then the species is expanding its distribution range.  

BIOTECHNOLOGY

Genus of great economic  importance as  food  source  in  Japan and Korea, especially U. pinnatifida  (trade name: Wakame). Total annual yield  from natural harvest and cultivation sites of Undaria spp. was about 130,000 tons fresh weight in 1967. Long‐line culture started in the early 1960's and meanwhile production increased  to  about  30%  of  the  wild  harvest  in  Japan.  In  recent  years,  first  progress  in  tissue  culture, protoplast  isolation  and  cryopreservation  of  U.  pinnatifida  was  achieved.  Annual  productions  in  t  dry weight are: Australia 6, China 20,000,  Japan 18,310  (all  from culture) and Korea 83,398  (all  from culture) (Zemke‐White  and  Ohno,  1999).  For  further  information  on  Undaria  biotechnology  see  pargraph  on Biotechnology for Laminaria, Saccharina and Saccorhiza. 

References 

Adams N.M. (1997) Common seaweeds of New Zealand, Canterbury University Press, Christchurch, pp. 1‐48, 48 pls. AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=32939 Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Lane  C.E.,  Mayes  C.,  Druehl  L.D.,  Saunders  G.W.  (2006)  A  multi‐gene  molecular  investigation  of  the  kelp  (Laminariales, 

Phaeophyceae) supports substantial taxonomic re‐organization. Journal of Phycology 42: 493‐512. Pedroche P.F., Silva P.C., Aguilar Rosas L.E., Dreckmann K.M., Aguilar Rosas R. (2008) Catálogo de las algas benthónicas del Pacífico 

de  México  II.  Phaeophycota,  Universidad  Autónoma  Metropolitana  and  University  of  California  Berkeley,  Mexicali  & Berkeley, pp. i‐vi, 15‐146. 

Sliwa C.,  Johnson C.R., Hewitt C.L.  (2006) Mesoscale dispersal of  the  introduced  kelp Undaria pinnatifida  attached  to unstable substrata. Botanica Marina 49: 396‐405. 

Yoshida T. (1998) Marine algae of Japan. Uchida Rokakuho Publishing, Tokyo, pp. 25 ‐ 1222. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 197 of 258 

9.3.3 Ascophyllum nodosum 

 Figure 77 ‐ Ascophyllum nodosum (Linnaeus) Le Jolis 

Céibh an tSrutháin, an Cheathrú Rua, Co. na Gaillimhe; 10.5‐mm lens  © M.D. Guiry 

 

                SYMBOLS:                                        B 

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Fucaceae Genus  Ascophyllum Species  Ascophyllum nodosum 

Related species  

The  genus  Ascophyllum  only  includes  Ascophyllum  nodosum.  A  free  floating  variety  is  known  as Ascophyllum nodosum var. mackayi (Turner) Cotton.  

BIOLOGY

This  is  a  brown  seaweed  that  is  closely  related  to  Fucus.  It  forms  a  single  bladders  centrally  in  long, flattened  strap‐like  fronds. The  fronds hang downwards, draping  sheltered  intertidal  rocks. Many  fronds grow from the base and the plant generally regenerates new fronds from the base when one of the larger fronds  are damaged.  There  is  evidence  that  clumps  can be over 400  years old  and may be  even older. Ascophyllum  is currently confined to the North Atlantic basin, but plants have been found growing  in San Francisco Bay, but the species does not persist there. The plants are used as packing for shellfish from the North Atlantic and when discarded may take hold. 

BIOTECHNOLOGY

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 198 of 258 

Ascophyllum  nodosum  is  used  in  agriculture  as  a  fertilizer  and  plant  growth  promoter  (France,  Canada, China,  Iceland, US) and  for alginate production  (Ireland, Norway, UK)  (Zemke‐White and Ohno, 1999). All the annual production is harvested from the wild. Annual production is: Ireland 8,999 t dry weight, Norway 6,632,  Iceland 4,400, UK 3,500, China 3,000, Canada 2,500, France 1,700 and US 280  (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=5 Baardseth E. (1970) Synopsis of biological data on knobbed wrack Ascophyllum nodosum (Linnaeus) Le Jolis. FAO Fisheries Synopsis 

38 (Rev. 1). Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. Cho G.Y, Rousseau F., Reviers B. De, Boo S.M. (2006) Phylogenetic relationships within the Fucales (Phaeophyceae) assessed by the 

photosystem I coding psaA sequences. Phycologia 45: 512‐519. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. McHugh D.J. (2003) A guide to the seaweed industry. FAO Fisheries Technical Paper 441. Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐

376.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 199 of 258 

 

9.3.4 Fucus sp. 

TAXONOMY

Related species  

F.  ceranoides,  F.  cottonii,  F.  distichus,  F.  evanescens,  F.  gardneri,  F.  lagasca,  F.  parksii,  F.  serratus,  F. setaceus, F. spataeformis, F. spiralis, F. vesiculosus, F. virsoides. 

Fucus serratus 

 

Figure 78 ‐  Fucus serratus Linnaeus 

Spiddal, Co. Galway, Ireland; lower intertidal © M.D. Guiry 

                SYMBOLS:                      B 

 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Fucaceae Genus  Fucus Species  Fucus serratus 

Fucus spiralis 

 

Figure 79 ‐ Fucus spiralis Linnaeus 

Flaggy shore, Finavarra, Co. Clare, Ireland; receptacles with sterile edge © M.D. Guiry 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 200 of 258 

                SYMBOLS:                   B 

 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Fucaceae Genus  Fucus Species  Fucus spiralis 

Fucus vesiculosus 

 Figure 80 ‐ Fucus vesiculosus Linnaeus 

Trá na Reilige, An Cheathrú Rua, Co. Galway, Ireland © M.D. Guiry 

                 SYMBOLS:                         B 

 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Fucaceae Genus  Fucus Species  Fucus vesiculosus 

BIOLOGY

Fronds are spirally twisted with no vesicles and even margin in F. spiralis, flat with vesicles and even margin in F. vesiculosus and  flat with no vesicles and serrated margin  in F. serratus. F. spiralis  is hermaphrodite, with rounded  inflated receptacles with no dichotomies and a sterile rim; F. vesiculosus  is dioecious, with ellipsoidal‐elongate pointed  inflated  receptacles with 1‐2 dichotomies and no definite  rim;  F.  serratus  is dioecious with no inflated receptacles with extended growth and several dichotomies and no definite rim. Cross‐fertilization with hybrid formation between pairs of these species have been observed. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 201 of 258 

F. spiralis  is normally found  in the highest position on the shore, where  it may be  left exposed for several days during neap tides, F. vesiculosus occupies the mid‐tide zone in competition with Ascophyllum nodosum and  is  alternatively  exposed‐submerged, while  F.  serratus occupies  the  lowest  level,  that  is more  rarely exposed. 

BIOTECHNOLOGY

Several Fucus species are used as food (France, Portugal, Alaska), for agriculture uses (France, Canada), and as alginate  source  (Ireland). Annual production of Fucus  is of 80  t dry weight  in  Ireland, 2  in France and  0.04 in Portugal (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

Billard E., Daguin C., Pearson G., Serrao E., Engel C., Valero M. (2005) Genetic  isolation between three closely related taxa: Fucus vesiculosus, F. spiralis and F. ceranoides (Phaeophyceae). Journal of Phycology 41: 900‐905. 

Billard E., Serrao E.A., Pearson G.A., Engel C.R., Destombe C., Valero M. (2006) Analysis of sexual phenotype and prezygotic fertility in  natural  populations  of  Fucus  spiralis,  F.  vesiculosus  (Fucaceae,  Phaeophyceae)  and  their  putative  hybrids.  European Journal of Phycology 40: 397‐407. 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Brawley S.H., Coyer J.A., Blakeslee A.M., Hoarau G., Johnson L.E., Byers J.E., Stam W.T., Olsen J.L. (2009) Historical invasions of the intertidal zone of Atlantic North America associated with distinctive patterns of  trade and emigration. Proceedings of  the National Academy of Sciences of the United States of America 106: 8239‐8244. 

Burrows E.M., Lodge S. (1951) Autoecology and the species problem  in Fucus. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 30: 161‐176. 

Cerantola S., Breton F., Ar Gall E., Deslandes E. (2006) Co‐occurrence and antioxidant activities of fucol and fucophlorethol classes of polymeric phenols in Fucus spiralis. Botanica Marina 49: 347‐351. 

Coleman M.A., Brawley S.H. (2005) Are life history characteristics good predictors of genetic diversity and structure? A case study of the intertidal alga Fucus spiralis (Heterokontophyta, Phaeophyceae). Journal of Phycology 41: 753‐762. 

Gabrielson  P.W.,  Widdowson  T.B.,  Lindstrom  S.C.  (2004)  Keys  to  the  seaweeds  and  seagrasses  of  Oregon  and  California. Phycological Contribution 6: iv ‐ 181. 

Garbary  D.J.,  Brackenbury  A.,  McLean  A.M.,  Morrison  D.  (2006)  Structure  and  development  of  air  bladders  in  Fucus  and Ascophyllum (Fucales, Phaeophyceae). Phycologia 45: 557‐566. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Larsen A., Sand‐Jensen K.  (2005) Salt  tolerance and distribution of estuarine benthic macroalgae  in  the Kattegat‐Baltic Sea area. Phycologia 45: 13‐23. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Mathieson A.C., Dawes C.J., Wallace A.L., Klein A.S.  (2006) Distribution, morphology,  and  genetic  affinities of dwarf embedded 

Fucus populations from the Northwest Atlantic Ocean. Botanica Marina 49: 283‐303. Moss  B.L.  (1950)  Studies  in  the  genus  Fucus.  II.  The  anatomical  structure  and  chemical  composition  of  receptacles  of  Fucus 

vesiculosus from three contrasting habitats. Annals of Botany 14: 395‐410. Moss B.L.  (1950) Studies  in the genus Fucus  III. Structure and development of the attaching discs of Fucus vesiculosus. Annals of 

Botany 14: 411‐419. Nägeli  C.  (1849)  Gattungen  einzelliger  Algen,  physiologisch  und  systematisch  bearbeitet.  Neue  Denkschriften  der  Allg. 

Schweizerischen Gesellschaft für die Gesammten Naturwissenschaften 10(7): i‐viii, 1‐139, pls I‐VIII. Pearson G., Lago‐Leston A., Valente M., Serrao E. (2006) Simple and rapid RNA extraction from freeze‐dried tissue of brown algae 

and seagrasses. European Journal of Phycology 41: 97‐104. Peters A.F., Marie D., Scornet D., Kloareg, B., Cock J.M. (2004) Proposal of Ectocarpus siliculosus (Ectocarpales, Phaeophyceae) as a 

model organism for brown algal genetics and genomics. Journal of Phycology 40: 1079‐1088. Perrin C., Daguin C., Van de Vliet M., Engel C.R., Pearson G.A., Serráo E.A. (2007) Implications of mating system for genetic diversity 

of  sister  algal  species:  Fucus  spiralis  and  Fucus  vesiculosus  (Heterokontophyta,  Phaeophyceae).  European  Journal  of Phycology 42: 219‐230. 

Powell H.T. (1960) The typification of Fucus spiralis L. British Phycological Bulletin 2: 17. Serrão E.A., Alice L.A., Brawley S.H. (1999) Evolution of the Fucaceae (Phaeophyceae) inferred from nrDNA‐ITS. Journal of Phycology 

35: 382‐394. Wallace  A.L.,  Klein  A.S., Mathieson  A.C.  (2004)  Determining  the  affinities  of  salt marsh  fucoids  using microsatellite markers: 

evidence  of  hybridization  and  introgression  between  two  species  of  Fucus  (Phaeophyta)  in  a Maine  estuary.  Journal  of Phycology 40: 1013‐1027. 

Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 202 of 258 

9.3.5 Himanthalia elongata 

 

Figure 81 ‐ Himanthalia elongata (Linnaeus) S.F. Gray 

Les Glénan islands, Finistère, Bretagne, France. © Benoit Queguineur 

 

                SYMBOLS:                       B  

TAXONOMY    

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Himanthaliaceae Genus  Himanthalia Species  Himanthalia elongata 

Related species  

The genus Himanthalia only includes the specie Himanthalia elongata.  

BIOLOGY

The growth form of Himanthalia differs from that of any other member of the Fucales. The young plants are first recognizable on the shore as small vesicles, pale greenish‐ brown  in colour. These vesicles flatten out  and  after  I‐2  years  growth  they  form  the  small  leathery  disc‐shaped  structure which  is  commonly referred to as the 'button' stage. From these 'buttons' the long thongs arise, and in some habitats they may reach a  length of about 2 m or more. The  'button'  is generally  interpreted as equivalent to the vegetative thallus of the other Fucales, while the thongs correspond to the fertile receptacles. Gametes are shed over a long period, they are released from late July, on through the winter. In Himanthalia only one vegetative meristem  is  ever  produced.  The  single  apical  cell  of  this  divides many  times;  each  new  daughter  cell becoming the apical cell of a reproductive apex. Each of these has deter‐ minate growth. By the time that the gametes are shed  the  identity of  the apical meristem has been  lost and  the  receptacle subsequently 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 203 of 258 

disintegrates. There  is no meristem  left on the plant to continue e vegetative growth, and once an apical cell is lost the plant is unable to regenerate a new one. 

Himanthalia grows at, or near low water level, so that in some habitats the plants are uncovered at low spring tides, whereas in other localities they may never be exposed.  

BIOTECHNOLOGY

Himnathalia elongata is used as food (MacArtain et al., 2007). 

References 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Cho G.Y, Rousseau F., Reviers B. De, Boo S.M. (2006) Phylogenetic relationships within the Fucales (Phaeophyceae) assessed by the photosystem I coding psaA sequences. Phycologia 45: 512‐519. 

Gallardo Garciá T., Pérez‐Ruzafa I.M. (2001) Himanthalia Lyngb. In: Gómez Garreta, A. (ed.) Flora phycologica iberica Vol. 1 Fucales., Universidad de Murcia, Murcia, pp. 69‐71. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Moss B. (1969) Apical meristems and growth control in Himanthalia elongata (S. F. Gray). New Phytologist 68: 387‐397. MacArtain P., Gill C.I.R., Brooks M., Campbell R., Rowland  I.R.(2007) Nutritional value of edible seaweeds. Nutrition Reviews 65: 

535‐543. Setchell W.A. (1931) Some early algal confusions. University of California Publications in Botany 16: 351‐366. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 204 of 258 

9.3.6 Cystoseira sp.  

TAXONOMY Related species  

C.  abies‐marina,  C.  algeriensis,  C.  amentacea,  C.  baccata,  C.  barbata,  C.  barbatula,  C.  brachycarpa,  C. compressa, C. corniculata, C. crassipes, C. crinita, C. crinitophylla, C. dubia, C. elegans, C.  foeniculacea, C. funkii,  C.  geminata,  C.  hakodatensis,  C.  helvetica,  C.  humilis,  C.  hyblaea,  C.  indica,  C.  jabukae,  C. mauritanica,  C.  mediterranea,  C.  montagnei,  C.  myrica,  C.  neglecta,  C.  nodicaulis,  C.  occidentalis,  C osmundacea,  C.  pelagosae,  C.  planiramea,  C.  platyclada,  C.  sauvageauana,  C.  schiffneri,  C.  sedoides,  C. setchellii, C. sonderi, C. spinosa, C. squarrosa, C. susanensis, C.  tamariscifolia, C.  trinodis, C. usneoides, C. wildpretii, C. zosteroides. 

 

Cystoseira baccata 

 Figure 82 ‐ Cystoseira baccata (S.G. Gmelin) P.C. Silva 

Finavarra, Co. Clare, Ireland; MLWN lagoon © M.D. Guiry 

                 SYMBOLS:                     B  

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Sargassaceae Genus  Cystoseira Species  Cystoseira baccata 

 

     

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 205 of 258 

Cystoseira tamariscifolia 

 Figure 83 ‐ Cystoseira tamariscifolia (Hudson) Papenfuss 

Les Glénan islands, Finistère, Bretagne, France. © Benoit Queguineur 

                  SYMBOLS:                        B 

    

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Sargassaceae Genus  Cystoseira Species  Cystoseira tamariscifolia 

 

BIOLOGY

C. baccata plants are usually solitary, 1 m or more in length, attached by a thick, conical attaching disc. Axis simple or branched, up to 1 m in length, flattened, about 1 x 0.4 cm in transverse section; apex smooth and surrounded during periods of active growth by  incurred young  laterals. Lateral branch systems distichous, alternate,  radially  symmetrical,  profusely  branched  in  a  repeatedly  pinnate  fashion  and  bearing  sparse, filiform, occasionally bifurcate appendages on the branches of higher orders; deciduous, leaving decurrent bases which give an irregular, zigzag outline to the axis. Cryptostomata lacking. Aerocysts present in axes of branches of higher order, sometimes in chains; seasonal, particularly numerous in autumn. Receptacles 1‐5 cm long, formed from axes of ultimate ramuli, irregularly nodose and bearing simple, filiform appendages. 

BIOTECHNOLOGY

No biotechnological use known, except at research level (contaminant biosorption, production of bioactive metabolites). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=92 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 206 of 258 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Sánchez  I.,  Fernández C., Arrontes  J.  (2005)  Long‐term  changes  in  the  structure of  intertidal  assemblages  following  invasion by 

Sargassum muticum (Phaeophyta). Journal of Phycology 41: 942‐949. 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 207 of 258 

9.3.7 Halidrys siliquosa 

 

Figure 84 ‐ Halidrys siliquosa (Linnaeus) Lyngbye 

Spanish Point, Co. Clare, Ireland; lower intertidal pools © M.D. Guiry 

                SYMBOLS:                        B  

TAXONOMY 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Sargassaceae Genus  Halidrys Species  Halidrys siliquosa 

Related species  

H. dioica, H. murmanica  

BIOLOGY

Thallus to 2 m long, compressed tough and leatherly, attached by strong holdfast. Branches distichous and regularly  alternate.  Air  bladders,  up  to  5  cms  long,  are  oblong  and  stalked  towards  the  ends  of  the branches. The air bladders are divided by cross walls visible when sectioned  longitudinally. Common. Low littoral  rock pools and upper  sub‐littoral. Widespread around  the British  Isles. Europe: Portugal, Atlantic coasts of Spain and France, Netherlands, Baltic Sea, Norway and the Faroes. 

BIOTECHNOLOGY

No biotechnological use known, except at research level (production of bioactive metabolites). 

References 

Braune W. (2008). Meeresalgen. Ein Farbbildführer zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere., A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Morton  O.,  Picton  B.E.  (2010)  Halidrys  siliquosa.  In:  Encyclopedia  of  Marine  Life  of  Britain  and  Ireland 

http://www.habitas.org.uk/marinelife/species.asp?item=ZR7160  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 208 of 258 

 

9.3.8 Sargassum muticum 

 

 Figure 854 ‐ Sargassum muticum (Yendo) Fensholt 

Finavarra, Co. Clare, Ireland; © M.D. Guiry 

                 SYMBOLS:                       B 

 

TAXONOMY     

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Fucales Family  Sargassaceae Genus  Sargassum Species  Sargassum muticum 

Related species  

The genus Sargassum contains 345 related species. 

 

BIOLOGY

Thallus to 10‐200 cm or more in length, with one to a few simple, terete to compressed, stipes 1‐20 cm long arising from a discoid‐conical holdfast. Stipes bearing radially or distichously borne, long primary branches, produced seasonally from the stipe apices and subsequently deciduous, leaving scars or other residues on the stipe. Primary branches 10 cm to 200 cm or more  long, distichously, tristichously or radially branched with a terete, angular, compressed or three‐sides axes; basal laterals simple or branched, compressed and relatively narrow  to  (in most  species)  leaf‐like,  (1‐)3‐15(‐25) mm broad, entire ot with dentate margins; upper laterals usualy branched, with slender, compressed to terete, ramuli. Air bladders (vesicles) normally present,  subspherical  to ovoid, petiolate, mutic or apiculate,  replacing  ramuli or axilliary  to  the  laterals. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 209 of 258 

Growth from a 3‐sided cell in an apical depression. Structure of a central medulla of elonagate cells in the stipe and branch axes, with a core of isodiametric cells and a surface of phaeoplastic meristoderm, active in the  larger  branched.  Reproduction.  Thallus monoecious  or  dioecious. Receptacles  unisexual  or  bisexual, developed  in  axils  of  laterals  or  ramuli,  simple  or  usually  in  branched  clusters,  terete  or  compressed, smooth, verrucose or spinous, with scattered conceptacles and ostioles, growing apically with conceptacles maturing below; conceptacles unisexual or bisexual. 

BIOTECHNOLOGY

Sargassum is used as food in many countries in Asia as well as in Hawaii. It is also used for the production of alginate and, in few countries, for agricultural purposes. Annual production , all from wild harvesting, is of 5,000 t dry weight in the Philippines, 2,249 in India and 400 in Vietnam (Zemke‐White and Ohno, 1999). 

References 

AlgaeBase: http://www.algaebase.org/search/genus/detail/?genus_id=77 Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere, 

A.R.G. Gantner Verlag., Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls.  Cho G.Y, Rousseau F., Reviers B. De, Boo S.M. (2006) Phylogenetic relationships within the Fucales (Phaeophyceae) assessed by the 

photosystem I coding psaA sequences. Phycologia 45: 512‐519. Connan S., Delisle F., Deslandes E., Gall E.A. (2006). Intra‐thallus phlorotannin content and antioxidant activity in Phaeophyceae of 

temperate waters. Botanica Marina 49: 39‐46. Farnham W.F., Fletcher R.L., Irvine L.M. (1973) Attached Sargassum found in Britain. Nature 243: 231‐232. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Kilar J.A., Hanisak M.D., Yoshida T. (1992) On the expression of phenotypic variability: why is Sargassum so taxonomically difficult?. 

In:  Abbott  I.A.  (ed.)  Taxonomy  of  Economic  Seaweeds  with  reference  to  Pacific  and Western  Atlantic  species,  Vol.3, California Sea Grant College, La Jolla, California, pp. 95‐117. 

Lee K., Yoo S.A. (1992) Korean species of Sargassum subgenus Bactrophycus J. Agardh (Sargassaceae, Fucales In: Abbott I.A. (ed.) Taxonomy of Economic Seaweeds with reference to Pacific and Western Atlantic species, Vol.3, California Sea Grant College, La Jolla, California, pp. 139‐147 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. Pedroche P.F., Silva P.C., Aguilar Rosas L.E., Dreckmann K.M., Aguilar Rosas R. (2008) Catálogo de las algas benthónicas del Pacífico 

de  México  II.  Phaeophycota,  Universidad  Autónoma  Metropolitana  and  University  of  California  Berkeley,  Mexicali  & Berkeley,  pp. i‐vi, 15‐146. 

Phillips N. (1995) Biogeography of Sargassum (Phaeophyta) in the Pacific basin. Fucales In: Abbott I.A. (ed.) Taxonomy of Economic Seaweeds with reference to Pacific and Western Atlantic species, Vol.5, California Sea Grant College, La Jolla, California, pp. 107‐145. 

Stiger  V.,  Horiguchi  T.,  Yoshida  T.,  Coleman  A.W., Masuda M.  (2003)  Phylogenetic  relationships within  the  genus  Sargassum (Fucales, Phaeophyceae), inferred from it ITS nrDNA, with an emphasis on the taxonomic revision of the genus. Phycological Research 51: 1‐10. 

Tseng  C.K.,  Yoshida  T.,  Chiang  Y.M.  (1985)  East  Asiatic  species  of  Sargassum  subgenus  Bactrophycus  J.Agardh  (Sargassaceae, Fucales), with  keys  to  the  sections and  species.  In: Abbott  I.A., Norris  J.N.  (eds.) Taxonomy of Economic  Seaweeds with reference to some Pacific and Caribbean species, Vol.I, California Sea Grant College, La Jolla, California, pp. 1‐14.  

Varela‐Alvarez E., Andreakis N., Lago‐Leston A., Pearson G.A., Serrao E.A., Procaccini G., Duarte C.M., Marba N.  (2006) Genomic DNA isolation from green and brown algae (Caulerpales and Fucales) for microsatellite library construction (Note). Journal of Phycology 42: 741‐745. 

Yoshida T., Stiger V., Horiguchi T. (2000) Sargassum boreale sp. nov. (Fucales, Phaeophyceae) from Hokkaido, Japan. Phycological Research 48: 125‐132. 

Zemke‐White W.L., Ohno M. (1999) World seaweed utilisation: an end‐of‐century summary. Journal of Applied Phycology 11: 369‐376. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 210 of 258 

9.3.9 Laminaria, Saccharina, Saccorhiza 

TAXONOMY 

Laminaria sp. 

Related species  

L. abyssalis,  L. agardhii,  L. angustata,  L. appressirhiza,  L. bongardiana  f.  taeniata,  L.  bongardiana  f.  sub simplex,  L.  brasiliensis,  L.  bulbosa  var.  nodipes,  L.  bulbosa  var.  gymnopoda,  L.  bulbosa  var.  brevipes,  L. bulbosa var. linearis, L. bullata, L. complanata, L. cordata, L. digitata, L. digitata var. ligulata, L. digitata var. lyrata,  L.  digitata  var.  pseudosaccharina,  L.  digitata  var.  elliptica,  L.  digitata  var.  bifida,  L.  ephemera,  L. farlowii, L. hyperborea f. cucullata, L. hyperborea, L. inclinatorhiza, L. japonica f. membranacea, L. japonica f.  longipes, L.  longipes, L. multiplicata, L. nigripes, L. ochroleuca, L. pallida, L. platymeris, L. rodriguezii, L. ruprechtii, L. saccharina var. vividissima, L. saccharina var. vittata, L. saccharina var. vividissima, L. setchellii, L. sinclairii, L. solidungula, L. yezoensis.   

Laminaria digitata 

 Figure 86 ‐ Laminaria digitata (Hudson) J.V. Lamouroux 

Spiddal, Co. Galway, Ireland; plants on rocks at MLWS  © M.D. Guiry 

                  SYMBOLS:                                     B, PIV  

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Laminariales Family  Laminariaceae Genus  Laminaria Species  Laminaria digitata 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 211 of 258 

Varieties 

L. digitata var. ligulata, L. digitata var.  lyrata, L. digitata var. pseudosaccharina, L. digitata var. elliptica, L. digitata var. bifida. 

 

Laminaria hyperborea 

 Figure 87 ‐ Laminaria hyperborea (Gunnerus) Foslie 

Dog's Bay, Roundstone, Co. Galway, Ireland; plants at low water; 10.5 mm lens © M.D. Guiry 

               SYMBOLS:                                             B, PIV  

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Laminariales Family  Laminariaceae Genus  Laminaria Species  Laminaria hyperborea 

Varieties 

Laminaria hyperborea f. cucullata  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 212 of 258 

Laminaria ochroleuca 

 Figure 88 ‐ Laminaria ochroleuca Bachelot de la Pylaie 

Spain, Galicia, A Coruña, Ría de A Coruña, 2004, lower intertidal  © Ignacio Bárbara 

 

                 SYMBOLS:                                     B, PIV  

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Laminariales Family  Laminariaceae Genus  Laminaria Species  Laminaria ochroleuca 

   

Saccharina latissima 

 Figure 89 ‐ Saccharina latissima (Linnaeus) C.E. Lane, C. Mayes, L.D. Druehl & G.W. Saunders 

New Quay, Co. Clare, Ireland; plants at MLWS © M.D. Guiry 

                

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 213 of 258 

  SYMBOLS:                                        B, PIV 

 

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Laminariales Family  Laminariaceae Genus  Saccharina Species  Saccharina latissima 

Related species 

S.  angustata,  S.  angustata  subsp.  siberica,  S.  bongardiana  f.  taeniata,  S.  bongardiana  f.  subsimplex,  S. bongardiana  f.  subsessilis,  S.  bongardiana  f.  bifurcata,  S.  bongardiana,  S.  cichorioides  f.  sikotanensis,  S. cichorioides f. sachalinensis, S. cichorioides f. coriacea, S. cichorioides, S. cichorioides f. sinuicola, S. coriacea, S. crassifolia, S. dentigera, S. groenlandica, S. gurjanovae f. lanciformis, S. gurjanovae, S. gyrata, S. japonica, S.  japonica  f. diabolica, S.  japonica  f.  longipes, S. kurilensis, S.  longicruris, S.  longipedalis, S.  longissima, S. ochotensis, S. plana, S. religiosa, S. sculpera, S. sessilis, S. yendoana.  

Saccorhiza polyschides 

 Figure 90 – Saccorhiza polyschides (Lightfoot) Batters 

Cooliva Quay, Co. Clare, Ireland; plants on sandy rocks at low water © M.D. Guiry 

                 SYMBOL:                                          B, PIV     

   

Phylum  Heterokontophyta Class  Phaeophyceae Order  Tilopteridales Family  Phyllariaceae Genus  Saccorhiza Species  Saccorhiza polyschides 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 214 of 258 

Related species  

S. dermatodea    

BIOLOGY 

General Description of Major divisions and classes 

Laminaria and Saccharina are two small genera of large brown seaweeds commonly called kelps. The order of  the Laminariales share an almost  identical  life history: The sporophyte  is  the dominant phase and  the gametophyte  is a microscopic phase. There  is  therefore an alternation of  sporophyte and gametophyte. Sporophytes of both genera are differentiated into holdfast (below), stipe and lamina; the gametophyte is undifferentiated and is filamentous and creeping. 

Sexual reproduction  is oogamous; antherozoids (male gametes) are produced by a male gametophyte and eggs are produced  in oogonia by the  female gametophyte. The  female  liberates a pheromone called lamoxirene, a low molecular weight (C11), volatile hydrocarbon which, in addition to attracting the sperm, initiates their release from the antheridia of the male gametophyte. Fertilization takes place with the egg partially  extruded  from  the  oogonium  and  the  zygote  develops  in  situ  to  form  a  sporophyte  (the macroscopic kelp). The sporophyte develops sporangia on the surface of the blades in unilocular sporangia (called such because they are not divided by cross walls or locules); the contents of these sporangia divide meiotically and form numerous flagellated zoospores which are haploid. These zoospores swim away and eventually settle and develop  into the gametangial thalli. The  life history  is therefore heteromorphic; the gametophytes and the sporophyte have a different morphology. 

Laminaria and Saccharina species are found on rocky shores at low tide and in the subtidal to depths of 8‐30 m in the north Atlantic and north Pacific; some species occur at depths of up to 120 m (Mediterranean and Brazil), but this requires extraordinary water clarity. 

Saccorhiza  polyschides  sporophytes  are  annual,  a  single  stipe  attached  initially  by  a  small  disc, sometimes with a few short haptera, soon covered by a discoid circumferential swelling (rhizogen) of the stipe,  which  forms  downward‐growing  hapteroid  protuberances  that  surround  the  initial  holdfast, succeeded by one or more whorls of haptera; all haptera unbranched. Stipe flattened, broadening to form a single  lanceolate  or  expanded  and  split  blade.  Hair‐pits  on  young  blades,  deciduous  with  age;  costae lacking.  Medulla  containing  long,  thick‐walled  longitudinal  conducting  cells  (solenocysts)  and  lateral connecting cells (allelocysts) rather than sieve tubes. Mucilage ducts absent. Sporangia sori discontinuous patches  at  base  of  blades,  paraphyses  lacking  a  hyaline  appendage,  zoospores  with  a  red  eyespot. Gametophytes  of  S.  polyschides  dioecious  and  sexually  dimorphic. Marine,  littoral  to  19 m,  distributed either  in  the western Mediterranean  and  the  Atlantic  from  the  Tropic  of  Cancer  to  southern  Norway (Algaebase, 2010). 

Biochemical composition 

Table 5 ‐ Biochemical composition of Phaeophyceae relevant for biotechnology.    Laminaria 

hyperborea (lamina + stipe) 

Laminaria digitata (lamina) 

Saccorhiza polyschides (lamina) 

Saccharina latissima  

References 

Water (%FW)  77‐89  73‐90  90.9‐93.0    Baardseth & Haug, 1953; Indergaard & Minsaas, 1991; Jensen et al., 1985 

Ash  16‐37  13.8‐37.6  26.58    Jensen & Haug, 1956; Ruperez, 2002; Adams et al., 2011; Sanchez‐Machado et al., 2004  

Total Carbohydrate        61  Kuppers & Kremer, 1978 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 215 of 258 

 

BIOTECHNOLOGY 

Cultivation methods/ Productivity 

Table 20 ‐ Kelp cultivation trials, methods and productivity in Europe. Extrapolated figures obtained after the design of Tseng  (1987)  (t  FW ha‐1 year‐1) and  for a  single  crop of 8 Months, 5324 m of  linear  cultivated  rope ha‐1. The extrapolated  figures  are  displayed  in  order  to  compare  values  of  productivity  but  do  not  reflect  a  scaled‐up situation. 

  Laminaria hyperborea 

(lamina + stipe) 

Laminaria digitata (lamina) 

Saccorhiza polyschides (lamina) 

Saccharina latissima  

References 

Alginic acid  17‐34  20‐45  16.2‐23.4  24‐30  Jensen  &  Haug,  1956;  Indergaard  &  Minsaas, 1991;  Jensen  et al., 1985;   Kuppers & Kremer, 1978 

Laminaran  0‐30  0‐24.6      Jensen & Haug, 1956;  Adams et al., 2011 

Mannitol  4‐25  5‐32.1  2.5‐11.1  4  Jensen  &  Haug,  1956;  Jensen  et  al.,  1985; Adams et al., 2011; Kuppers & Kremer, 1978 

Fucoidan  2‐ 4  2‐4      Indergaard & Minsaas, 1991;  Indergaard, 1983 

Fiber   10.4  6.2  5.5‐10.3    Jensen & Haug, 1956; Jensen et al., 1985; Haug & Jensen, 1954; MacArtain et al., 2007 

Other carbohydrate  traces  1.‐2      Indergaard & Minsaas, 1991;  Indergaard, 1983 

Protein  4‐14  8.‐15  9.4‐14.4  6.‐11  Jensen  &  Haug,  1956;  Indergaard  &  Minsaas, 1991;  Jensen  et  al.,  1985;  Kuppers &  Kremer, 1978 

Lipid  0.63  0.5‐5.96  0.5‐0.9  0.5  Jensen  &  Haug,  1956;    Jensen  et  al.,  1985; Kuppers & Kremer, 1978; Haug & Jensen, 1954; Marsham et al., 2007;  Schaal et al., 2010 

Phlorotannins  0.8‐3.9  0.4‐1.3    0.8‐2.4  Pedersen, 1980 

Iodine  0.74  0.3‐1.1  0.04‐0.09    Jensen  &  Haug,  1956;  Indergaard  &  Minsaas, 1991; Jensen et al., 1985; Haug & Jensen, 1954 

K  6.3‐11  1.3‐3.8  14.7    Indergaard  &  Minsaas,  1991;  Jensen  et  al., 1985; Hanssen et al., 1987; Jensen, 1954 

Na  1.6‐3.0  0.9‐2.2  4.6    Indergaard  &  Minsaas,  1991;  Jensen  et  al., 1985; Hanssen et al., 1987; Jensen, 1954 

Ca  1.4‐3.0  1.005      Ruperez,  2002;  Hanssen  et  al.,  1987;  Jensen, 1954 

Mg  0.6‐0.7  0.5‐0.8      Indergaard  &  Minsaas,  1991;  Hanssen  et  al., 1987; Jensen, 1954 

S  1.2‐1.3        Hanssen et al., 1987 

P  0.2        Hanssen et al., 1987 

  Location/Season (or culture duration) 

Production  (as published) 

Production extrapolated after Tseng (1987) design  (t FW ha‐1 year‐1)  

Keywords  Reference 

Tank / Pond / Raceway Cultivation: Integrated Salmon     Saccharina latissima 

Canada 6.5‐9 % GR day‐1   

Nutrient uptake; growth rate; biomass; flow rate; kelp density 

Subandar et al., 1993 

Sea Cultivation Laminaria saccharina 

Canada  (8months) 

3‐8  kg  FW  m‐1 rope pm 

127.8‐340.7  

Laminaria saccharina 

UK  (6 months) 

4.2‐28.4 kg FW m‐

1 rope pm 178.9‐ 1209.6 

Yield; cultivation methodology 

Druehl et al., 1988 

Laminaria saccharina 

     

Saccorhiza polyschides 

Isle of Man/UK 

    detached from ropes in strong water movement 

Kain, 1991 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 216 of 258 

Production systems 

World aquatic plant production by aquaculture was 15.1 million tonnes (US$7.2 billion)  in 2006. Japanese kelp  (Saccharina  japonica  –  4.9 million  tonnes)  showed  the  highest  production,  followed  by Wakame (Undaria pinnatifida – 2.4 million tonnes)  (FAO, 2009). Many production systems are currently  in use but they all arise from the same techniques: Fragments of adult plants, juvenile plants, sporelings or spores are seeded onto ropes or other substrata and the plants grown to maturity in the sea. To achieve this, intimate 

Alaria esculenta  5.6 kg m‐1 rope year‐1 (FW) (extrapolated from Kain & Dawes, 1987) 

29.8   

Laminaria digitata 

Ouessant/France  144 plants m‐1 rope in 8 months 

  Clean small plants for food purposes 

Perez, 1997 

Alaria esculenta  Ireland   15.6 kg m‐1 in 5 months 

132.9  hybridisation experiments  

Kraan, 2000 

Laminaria saccharina 

Kiel/Germany  0.5kg FW m‐1 after 3 months 

8 if triple the duration to make up for a year 

free floating cultures of small plants attached to ropes resulted in larger plants than seeded ropes. Ropes overseeded. Positive effects of L. saccharina culture in the Baltic Sea. 

CRM trials cited in Werner et al., 2004 

Laminaria saccharina 

Helgoland/Germany 

4kg FW m‐1 in 6 months 

28.4  Ring structure for offshore cultivation 

Buck & Buchholz, 2004 

Alaria esculenta  Ireland   3‐5 kg FW/m rope after 4‐5 months 

31.9‐ 53.2  reproducible procedure from fertilisation to offshore cultivation 

Arbona, 1997 

Sea Cultivation: Integrated Salmo salar       Laminaria saccharina 

10 kg m‐2 year ‐1 (FW) 

53.2   

Laminaria hyperborea 

2 kg m‐2 year‐1 (FW) 

10.6   

Saccorhiza polyschides 

Scotland 

17 kg m‐2 year‐1

(FW) 90.5   

Sanderson, 2006 Unpublished data (Kelly &  Dworjanyn, 2008) 

Mytilus edulis       Laminaria saccharina 

Galicia/ Spain  6.2 kg m‐1 rope  in 4 months 

66  decrease in harvestable biomass after 13 months due to loss of plants. 

Peteiro  et  al., 2006 

GR = growth rate (% of the fresh weight), FW=fresh weight, DW=dry weight, pm= per month, FCR= Food conversion ratio 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 217 of 258 

knowledge of both the biology and life history of the plants is critical. For example, kelps cannot be grown from fragments as there is a high level of specialization and fragments of sporophytes do not regenerate.  

• In Asia Culture of sporelings The  first  step consists  in  the collection of  the  zoospores onto  the  seeding cords. To do  this,  fronds with mature sporangial sori are subjected to partial drying  in the air and then placed  in a small container with seawater. The  liberated zoospores readily attach themselves to the seeding cords. The gametophytes and early sporophytes are cultured in water of 8–10°C in glasshouse for about three months, by which time the juvenile sporophytes are 2–3 cm in length.  Transplantation  When  the  water  temperature  has  dropped  to  about  20  °C,  sporeling  cords  are  removed  from  the glasshouse and on floating rafts. In a month or so, the sporelings will have grown to juveniles of 10–15 cm or  longer. These  juvenile sporophytes will be eventually brought to the transplanting room and placed  in tanks filled with seawater. Due to their fast growth on the cords they are thinned. Plants are removed from the original sporeling cord and inserted in the twists of the kelp ropes, at a density of about 30 juveniles to each rope of 2 m.  Culture methods There are two basic floating‐raft kelp cultivation methods. One is the hanging‐kelp rope (also called single‐raft) cultivation method. The other is the horizontal kelp rope (also called double‐raft) cultivation method. The floating line, is about 60 meters long floated at the surface by buoys generally made of glass or plastics and anchored terminally by anchoring lines to wooden pegs driven into the sea bottom. Each kelp rope has about 30 plants twisted in it and is about 2 m in length. In the single‐raft method, the kelp ropes are hung down from floating line and weighted down by a small piece of stone. In the double‐raft method, the two kelp ropes are linked or tied together at one end and the other ends tied to floating lines. The hanging kelp rope method has the advantage of better water movement but has the defect of uneven growth of kelps. The horizontal kelp rope method gives an even growth of kelp. However, it has the disadvantage of being more  resistant  to water motion.  Generally,  the  single‐raft method  is  better  adapted  to  comparatively clearer water regions, and the double‐raft method to turbid regions with lower water transparency, such as the Zhejiang coast (Feijiu, 1988). The use of fertilizer is still in place but now limited to the first months of development, the association with fish/shellfish farming allows to greatly reduce the adjunction of nutrient. Several type of association are applied:  Saccharina japonica + Undaria pinnatifida Saccharina japonica + Mytilus sp. Saccharina japonica + Haliotis (Abalone) Saccharina japonica + Undaria pinnatifida + Mytilus sp. Saccharina japonica + Undaria pinnatifida + Haliotis Saccharina japonica + Undaria pinnatifida + Haliotis + Mytilus sp.  The productivity  increases by 45%  and  the  income  rises by 15  to 20% when  compared  to monoculture (Perez, 1997).   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 218 of 258 

• In Europe Production systems have been investigated for research purposes in various parts of Europe since the late 1970’s.  The  technique  of  “free‐living”  culture  of  the microscopic  gametophytes  has  been  developed  in Ifremer in 1984. This technique allows the farmer to seed the ropes on demand, and after a shortened pre‐cultivation period in the hatchery, the ropes with young sporelings can be transferred at sea. The design of hollow cylindrical collectors have also simplified and hence reduced the time needed to set the culture at sea. Production at a commercial scale  is set up for Undaria pinnatifida  in France where  it peaked at 100t DW in 1995 (FAO, 2002), and reaches a saturated market for food purposes. 

In Ireland, cultivation trials have used hybridization of North‐Atlantic strains of Alaria esculenta in order to improve productivity as well as protein content to target the food and feed market (Kraan et al., 2000) Trials with rings structures compared to  longlines have also taken place to propose a design  for offshore seaweed aquaculture (Buck and Buchholz, 2004). 

The  use  of  polyculture  (Integrated Multi‐Trophic  Aquaculture),  has  been  performed  for  some  time, however recent research has focused on the use of seaweed as biofilters to take advantage of nutrient load from fish farming.   

Harvesting methods 

• In Asia 

Harvesting takes place when the fronds are mature. The time for harvesting  is  important to kelp farmers. Since Saccharina is sold on the market on the basis of dry weight, and since the wet weight to dry weight ratio changes from month to month, the criterion for selecting harvest time must take  into consideration the highest per‐unit area production rate plus the lowest wet‐to‐dry ratio. 

Harvesting is done manually, the kelp ropes are detached from the floating line, and collected in small boats, many of which are towed in a long line by a motor boat to the shores. 

• In Europe 

Manual harvesting of  longlines of kelp  is not economically viable  in a highly competitive area due  to  the high cost of the workforce  in Western Europe. Therefore mechanization and minor adaptation of mussels harvesting boats to kelps longline is necessary.  

Biomass processing 

• In Asia 

When  the boats  reach  the wharf or  shore,  the plants are  transported  to  land and dried under  the  sun. Formerly  the  kelp was  sold  on  the market  only  in  its  crude  dried  form,  but  recently  small  package  of shredded and seasoned forms with different flavours have been  introduced to the market and have been very well reveived by the Chinese people. 

• In Europe 

In some cases, the crop was used for the food market. Hence the crop was dried, sometimes flavoured and sold  as  a  snack or  sea‐vegetables.  (Laminaria  saccharina  and Alaria  esculenta  in  the  Island of Man, UK, Undaria pinnatifida in Brittany, France) (Werner et al, 2004). 

Biomass resulting from cultivation trials for research purposes has mostly lead to knowledge, skills and data production on  seaweed aquaculture. However,  some European projects currently uses  the biomass produced for anaerobic digestion. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 219 of 258 

Scaling up limitations 

There are no serious technological barriers (Kain, 1991) to scaling up seaweed aquaculture, as it has already been  demonstrated  spectacularly  in  Asia.  However,  limitations  in  a  European  context  rather  lie  in  the selection  of  adequate  sites  (both  regarding  the  requirement  of  the  targeted  seaweed  species  and  the competition with other coastal resource users), the development of mechanical harvesting techniques and assessment of  the environmental  impact of  large‐scale aquaculture.  Fei  (2004) advocates  for  large‐scale seaweed  cultivation  as  a way  of  solving  eutrophication  under  the  following  conditions:  (a)  Large‐scale cultivation  could be conducted within  the  region experiencing eutrophication;  (b) Fundamental  scientific and technological problems for cultivation should have been solved; (c) Cultivation should not impose any harmful ecological effects; (d) Cultivation must be economically feasible and profitable. 

References 

Adams J.M.M., Ross A.B., Anastasakis K., Hodgson E.M., Gallagher J.A., Jones J.M., Donnison  I.S.  (2011) Seasonal variation  in  the chemical  composition  of  the  bioenergy  feedstock  Laminaria  digitata  for  thermochemical  conversion.  Bioresource Technology 102: 226‐234. (Special Issue: Biofuels ‐ II: Algal Biofuels and Microbial Fuel Cells) 

Arbona J.F. (1997) A routine method for mass cultivation of Alaria esculenta (Greville 1830). M. Sc. Aquaculture, National University of Ireland, Galway. 

Baardseth E., Haug, A. (1953) Individual variation of some constituents in brown algae, and reliability of analytical results. Reports of the Norwegian Institute of Seaweed Research 2: 1‐23. 

Braune W.  (2008) Meeresalgen. Ein Farbbildführer  zu den verbreiteten benthischen Grün‐ Braun‐ und Rotalgen der Weltmeere. A.R.G. Gantner Verlag, Ruggell, pp. 1‐596, 266 pls. 

Buck B.H., Buchholz C.M. (2004) The offshore‐ring: A new system design for the open ocean aquaculture of macroalgae. Journal of Applied Phycology 16: 355‐368. 

Connan S., Delisle F., Deslandes E., Gall E.A. (2006) Intra‐thallus phlorotannin content and antioxidant activity in Phaeophyceae of temperate waters. Botanica Marina 49: 39‐46. 

Dieck  I.T., Oliveira Filho E.C. de  (1993) The section Digitatae of  the genus Laminaria  (Phaeophyta)  in  the northern and southern Atlantic: crossing experiments and temperature response. Marine Biology 115: 151‐160. 

Druehl  L.D.,  Baird  R.,  Lindwall  A.,  Lloyd  K.E.,  Pakula  S.  (1988)  Longline  cultivation  of  some  Laminariaceae  in  British  Columbia, Canada. Aquaculture and Fish Management 19: 253–263. 

FAO  (2009)  The  State  of World  Fisheries  and  Aquaculture,  FAO  Fisheries  and  Aquaculture  Department,  Food  And  Agriculture Organization of the United Nations. Rome. http://www.fao.org/docrep/011/i0250e/i0250e00.htm 

Fei, X. (2004) Solving the coastal eutrophication problem by large scale seaweed cultivation. Hydrobiologia 512: 145‐151. Guiry  M.D.,  Guiry  G.M.  (2010)  AlgaeBase.  World‐wide  electronic  publication,  National  University  of  Ireland,  Galway. 

http://www.algaebase.org; searched on 31 March 2010. Guiry M.D. (2010) Seaweed.ie. World‐wide electronic publication, National University of Ireland, Galway. http://www.seaweed.ie; 

searched on 19 November 2010. Hanssen  J.F.,  Indergaard M., Ÿstgaard K., Bêvre O.A., Pedersen T.A.,  Jensen A.  (1987) Anaerobic digestion of Laminaria spp. and 

Ascophyllum nodosum and application of end products. Biomass 14: 1‐13. Haug A.,  Jensen A.  (1954) Seasonal variations on  the chemical composition of Alaria esculenta, Laminaria saccharina, Laminaria 

hyperborea and Laminaria digitata from Northern Norway. Reports of the Norwegian Institute of Seaweed Research 4. Indergaard M., Minsaas J. (1991) Animal and human nutrition. In: Guiry M.D., Blunden G. (eds.) Seaweed Resources in Europe: Uses 

and Potential, John Wiley & Sons, Chichester, pp. 21‐64. Jensen A. (1954) Om tang og tare i husdyrf6ret. Medlemsblad for den Norske Veterinaer‐ forening 6: 1‐23. Jensen A., Haug A. (1956) Geographical and seasonal variation in the chemical composition of Laminaria hyperborea and Laminaria 

digitata from the Norwegian coast. . Reports of the Norwegian Institute of Seaweed Research 14: 1‐18. Jensen A.,  Indergaard M., Holt T.J. (1985) Seasonal variation  in the chemical composition of Saccorhiza polyschides (Laminariales, 

Phaeophyceae). Botanica Marina 28: 375‐381. Kain (Jones) J.M. (1971) Synopsis of biological data on Laminaria hyperborea. FAO Fisheries Synopsis No 87(Rev. 1): 74 pp.. Kain  J.M.  (1991)  Cultivation  of  attached  seaweeds.  In: Guiry M.D.,  Blunden G.  (eds.)  Seaweed  Resources  in  Europe: Uses  and 

Potential, John Wiley & Sons, Chichester, pp. 309‐377.  Kelly M., Dworjanyn S. (2008) The Potential of Marine Biomass for Anaerobic Biogas Production, The Crown Estate, London. Kraan  S.,  Tramullas  A.V.,  Guiry  M.D.  (2000)  The  edible  brown  seaweed  Alaria  esculenta  (Phaeophyceae,  Laminariales): 

hybridization, growth and genetic comparisons of six Irish populations. Journal of Applied Phycology 12: 577‐583. Kraan S  (2000) The genus Alaria  (Alariaceae, Phaeophyceae) explored: phylogenetics, hybridization and aquaculture. PhD  thesis. 

National University of Ireland, Galway. Kuppers U., Kremer B.P. (1978) Longitudinal profiles of carbon dioxide fixation capacities  in marine macroalgae. Plant Physiology 

62: 49‐53 Lane C.E.,  Saunders,G.W.  (2005) Molecular  investigation  reveals epi/endophytic extrageneric  kelp  (Laminariales, Phaeophyceae) 

gametophytes colonizing Lessoniopsis littoralis thalli. Botanica Marina 48: 426‐436. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 220 of 258 

Lane  C.E.,  Mayes  C.,  Druehl  L.D.,  Saunders  G.W.  (2006)  A  multi‐gene  molecular  investigation  of  the  kelp  (Laminariales, Phaeophyceae) supports substantial taxonomic re‐organization. Journal of Phycology 42: 493‐512. 

Loiseaux‐de Goër S., Noailles M.C. (2008) Algues de Roscoff, Editions de la Station Biologique de Roscoff, Roscoff, pp. 1‐215. MacArtain P., Gill C.I.R., Brooks M., Campbell R., Rowland  I.R.  (2007) Nutritional value of edible seaweeds. Nutrition Reviews 65: 

535‐543. Marsham S., Scott G.W., Tobin M.L. (2007) Comparison of nutritive chemistry of a range of temperate seaweeds. Food Chemistry 

100 :1331–1336 McHugh D.J. (2003) A guide to the seaweed industry. FAO Fisheries Technical Paper 441 Morrissey J., Kraan S., Guiry M.D. (2001) A guide to commercially important seaweeds on the Irish Coast,. Bord Iascaigh Mhara, Dun 

Laoghaire. Norton T.A. (1970) Synopsis of biological data on Sacchoriza polyschides. FAO Fisheries Synopsis 83: 11‐93. Papenfuss G.F. (1950) Review of the genera of algae described by Stackhouse. Hydrobiologia 2: 181‐208.  Pedersen A. (1980) Fenolinnhold i brunalger (Phaeophyceae) som funksjon av vekstype og salinitet. Ph. D. thesis. Inst. Marinbiol., 

Univ. Bergen. Perez R.  (1997) Ces algues qui nous entourent: conception actuelle, rôle dans  la biosphère, utilisations, culture, Edition  IFREMER 

Plouzané, France. Peteiro C., Salinas J.M., Freire Ó., Fuertes C. (2006) Cultivation of the autoctonous seaweed Laminaria saccharina off the galician 

coast (NW): production and features of the sporophytes for an annual and biennial harvest. Thalassas 22: 45‐52. Roeder V., Collén J., Rousvoal S., Corre E., Leblanc C., Boyen C. (2005) Identification of stress gene transcripts in Laminaria digitata 

(Phaeophyceae) protoplast cultures by expressed sequence tag analysis. Journal of Phycology 41: 1227‐1235. Ruperez P. (2002) Mineral content of edible marine seaweeds. Food Chemistry 79: 23‐26. Indergaard M. (1983) The aquatic resource. I. The wild marine plants: a global bioresource. In: Cote W.A. (ed.) Biomass utilization, 

Plenum Publishing Corporation, pp. 137‐168. Sánchez  I.,  Fernández C., Arrontes  J.  (2005)  Long‐term  changes  in  the  structure of  intertidal  assemblages  following  invasion by 

Sargassum muticum (Phaeophyta). Journal of Phycology 41: 942‐949. Sanchez‐Machado D.I.,  Lopez‐Cervantes  J.,  Lopez‐Hernandez  J., Paseiro‐Losada P.  (2004) Fatty acids,  total  lipid, protein and ash 

contents of processed edible seaweeds. Food Chemistry 85: 439‐444. Schaal G., Riera P., Leroux C. (2010) Trophic ecology in a Northern Brittany (Batz Island, France) kelp (Laminaria digitata) forest, as 

investigated through stable isotopes and chemical assays. Journal of Sea Research 63: 24‐35. Subandar  A.,  Petrell  R.J.,  Harrison  P.J.  (1993)  Laminaria  culture  for  reduction  of  dissolved  inorganic  nitrogen  in  salmon  farm 

effluent. Journal of Applied Phycology 5: 455‐463. Feijiu W. (1988) Marine phytoculture in China. http://www.fao.org/docrep/field/003/AB719E/AB719E02.htm. Werner A., Clarke C., Kraan S. (2004) Strategic review of the feasibility of seaweed aquaculture in Ireland. NDP Marine RTDI Desk 

Study Series, DK/01/008.2004. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 221 of 258 

10 Other aquatic biomass 

10.1 Egeria densa 

 

 Figure 91 ‐ Egeria densa Planch. 

© Jeff Schardt of the Florida Fish and Wildlife Conservation Commission 

                 SYMBOLS:                         B 

TAXONOMY    

Phylum  Magnoliophyta Class  Liliopsida Order  Alismatales Family  Hydrocharitaceae Genus  Egeria Species  Egeria densa 

 

BIOLOGY 

Egeria densa  is a submersed plant,  like a  large Elodea (up to three times the size of Elodea). Egeria grows either rooted in the bottom or free‐floating. Stems are up to 2 m or more long and 3 mm thick and may be highly branched. Wherever branches occur, two nodes (stem joints) are compacted closely together, giving the impression that the node is doubled. Fine, unbranched white roots form at the double nodes, and only fragments containing this double node can grow into new plants. Leaves, like those of Elodea, are in whorls, but typically whorls of 4 or 5, along stems. The  leaves are not strongly recurved and are 10‐30 mm  long, and up to 4mm wide; 0.5 mm below the leaf tip the width is 0.5‐1 mm. Flowers are about 2 cm. across and have 3 petals. They occur on a short stalk about an inch above the water and are produced primarily in the spring through early summer, but occasionally appear later in the growing season. This plant only flowers in warmed water (native areas). Elsewhere reproduction is vegetative. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 222 of 258 

It grows  in ponds, reservoirs, gravel pits, ditches, swamps and canals. It  is most common  in eutrophic water, and will persist  in dried‐up water bodies. Occasionally  it  is  found on  completely dry ground.  It  is known to have some frost tolerance. 

Egeria  is native  to South America.  It was  introduced by  the aquarium  trade and currently  is  the  top‐selling aquatic plant  for use  in aquaria as "oxygenators".  It has been sold under several names  including "oxygenating plant", elodea, and Anacharis. 

Egeria densa has 22% ash, 20% protein, 29% cellulose. 

BIOTECHNOLOGY 

Egeria densa has been tested for removal of nutrients and heavy metals from waters and as raw material to produce cheap and good quality organic fertilizers. 

References 

Caro  Lara  I., Romero Otalora Z.,  Lora Silva R.  (2009) Production of organic  fertilizers with elodea  (Egeria densa) present on  the Fuquene lagoon. Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica 12: 91‐100. [BIOTECHNOLOGY section] 

Champion  P.D.,  Tanner  C.C.  (2000)  Seasonality  of macrophytes  and  interaction  with  flow  in  a  New  Zealand  lowland  stream. Hydrobiologia 441: 1‐12. [BIOLOGY section] 

Dadds N., Bell S. (n.a.) Invasive non‐native plants associated with fresh waters. A Guide to their identification. Prepared on behalf of Plantlife, Royal  Botanic Garden  Edinburgh,  Scottish Natural Heritage,    Scottish  Environment  Protection Agency,  Scottish Water. [BIOLOGY section] 

Módenes A.N., Pietrobelli  J.M.T. de A.,  Espinoza‐Quiñones  F.R.  (2009) Cadmium biosorption by non‐living  aquatic macrophytes Egeria densa. Water Science and Technology 60: 293‐300. [BIOTECHNOLOGY section] 

Feijoó C., García M.E., Momo F., Toja J. (2002) Nutrient absorption by the submerged macrophyte Egeria densa Planch.: effect of ammonium  and  phosphorus  availability  in  the  water  column  on  growth  and  nutrient  uptake.  Lirnnetica  21:  93‐104. [BIOTECHNOLOGY section] 

FBIS  Freshwater  Biodata  Information  System  New  Zealand  (2005)  [BIOLOGY  section]: https://secure.niwa.co.nz/fbis/validate.do?search=common [Accessed 5 August 2005] 

Florence  J.,  Chevillotte  H., Ollier  C., Meyer  J.Y.  (2007)  Egeria  densa.  Base  de  données  botaniques Nadeaud  de  l'Herbier  de  la Polynésie  française  (PAP).  Available  from:  http://www.herbier‐tahiti.pf/Selection_Taxonomie.php?id_tax=5052  [Accessed 26 March 2008] [BIOLOGY section] 

Getsinger K.D., Dillon C.R. (1984) Quiescence, growth and senescence of Egeria densa in Lake Marion. Aquatic Botany 20: 329‐338. [BIOLOGY section] 

Haramotoa T.,  Ikusima  I. (1988) Life cycle of Egeria densa Planch., an aquatic plant naturalized  in Japan. Aquatic Botany 30: 389‐403. [BIOLOGY section] 

ITIS  (Integrated  Taxonomic  Information  System)  (2002)  Online  Database.  Egeria  densa.  http://www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt?search_topic=TSN&search_value=38972 [Accessed March 2005] [BIOLOGY section] 

Kay S., Hoyle S.(1999) Aquatic weed fact sheet. Brazilian elodea or Egeria, Egeria densa. NC State University, College of Agriculture and Life Science, Crop Sceince Department. [BIOLOGY section] 

Little E.C.S. (1979) Handbook of utilization of aquatic plants. FAO Fisheries Technical Paper No. 187, Rome. [BIOLOGY section] Macdonald  I.A.W., Reaser J.K., Bright C., Neville L.E., Howard G.W., Murphy S.J., Preston G. (eds.) (2003)  Invasive alien species  in 

southern Africa: national  reports & directory of  resources. Global  Invasive Species Programme, Cape Town, South Africa. [BIOLOGY section] 

Roy B., Popay I., Champion P., James T., Rahman A. (2004) An Illustrated Guide to Common Weeds of New Zealand, Egeria densa, 2nd Edition, New Zealand Plant Protection Society. [BIOLOGY section] 

USDA‐GRIN  (Germplasm  Resources  Information  Network)  (2003)  Egeria  densa.  National  Genetic  Resources  Program  [Online Database] National Germplasm Resources Laboratory, Beltsville, Maryland. [BIOLOGY section] 

USDA‐NRCS  (Natural  Resource  Conservation  Service)  (2002)  Egeria  densa.  The  PLANTS Database Version  3.5  [Online Database] National Plant Data Center, Baton Rouge, LA. [BIOLOGY section] 

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 223 of 258 

10.2 Eichhornia crassipes 

 

 Figure 92 ‐ Eichhornia crassipes (Mart.) Solms (1803). 

Illustration by Ohze 

                 SYMBOLS:                    B, E  

TAXONOMY 

   

Phylum  Magnoliophyta Class  Liliopsida Order  Commelinales/Liliales Family  Pontederiaceae Genus  Eichhornia Species  Eichhornia crassipes 

Related species 

E. azurea, E. diversifolia, E. heterosperma, E. paniculata, E. paradoxa 

 

BIOLOGY 

Eichhornia crassipes  is a perennial aquatic herb; rhizome and stems are normally floating, with rooting at the nodes, with long black pendant roots. Leaves are usually with inflated spongy petioles, the leaf blades are  circular  to  reniform, 4‐12  cm wide.  Inflorescence  is a  contracted panicle, 4‐15  cm  long, with  several flowers;  perianth  is  lilac,  bluish‐  purple,  or white,  the  upper  lobe  bearing  a  violet  blotch with  a  yellow center.  Stamens are 6;  stalk of  the  inflorescence  soon becomes goose‐necked,  forcing  the dead  flowers under  the  water;  capsule  is  dehiscent,  surrounded  by  the  perianth,  membraneous,  many‐seeded.  In general, seed production in temperate populations was found to be half that of tropical populations, mainly due to differences in levels of insect visitation. Seeds are 11–14,‐winged, 1.1–2.1 × 0.6–0.9 mm. The diploid number of chrmomosome is 32.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 224 of 258 

Water hyacinth is reported to tolerate annual precipitation of 8.2 to 27.0 dm (mean of 8 cases = 15.8), annual temperature of 21.1 to 27.2°C (mean of 5 cases = 24.9), and estimated pH of 5.0 to 7.5. Leaves are killed by frost, and plants cannot tolerate water temperatures >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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 225 of 258 

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.  

 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 226 of 258 

10.3 Elodea canadensis 

 

 Figure 93 ‐ Elodea canadensis Michaux (1803). 

Illustration by C. A. M. Lindman 

                 SYMBOLS:                      B  

TAXONOMY    

Phylum  Magnoliophyta Class  Liliopsida Order  Hydrocharitales Family  Hydrocharitaceae Genus  Elodea Species  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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 227 of 258 

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‐aliens.org/pdf/Elodea_canadensis.pdf (accessed on the 10th 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] 

Kews World Checklist of Selected Plant Families  http://apps.kew.org/ (accessed on the 10th 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]   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 228 of 258 

 

10.4 Lagarosiphon major 

 Figure 93 ‐ Lagarosiphon major (Ridley) Moss 

© Control of aquatic invasive species in Ireland (CAISIE Life+ project)   

               SYMBOLS:                        B   

TAXONOMY    

Phylum  Magnoliophyta Class  Liliopsida Order  Alismatales Family  Hydrocharitaceae Genus  Lagarosiphon Species  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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 229 of 258 

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. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 230 of 258 

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. 

  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 231 of 258 

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  Magnoliophyta Class  Liliopsida Order  Arales Family  Lemnaceae Genus  Lemna Species  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).   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 232 of 258 

 

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). 

  Duckweed (Lemnaceae) Water (%FW)  86‐97 Ash  12.0‐27.6 Total Carbohydrate  14.1‐43.6 Crude fiber  5.7‐16.2 Starch  6‐75 (some strains in lab condition) 

Protein  6.8‐ 45.0 Lipid  1.8 ‐9.2 K  0.03‐7.0 Na  0.03‐1.3 Ca  0.18‐4.5 Mg  0.04‐2.8 Cu  0.2‐10‐3 ‐ 3.2 Si  0.41‐5.35 S  0.33‐7.0 P  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 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 233 of 258 

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 (<300 μmol m‐2 s‐1), sucrose can be added to the medium to sustain luxuriant growth at concentrations of 0.5‐3%, with 1% being preferable. Other  carbon  sources have been  investigated  for  their ability  to  support  frond growth (Frick, 1991). 

 Table 22 ‐ Media utilized for callus induction, establishment and frond regeneration of select Lemnaceae species (Stomp, 2005). 

Species  Process  Basal Medium  Plant Growth Regulators  Reference 

L. aequinoctialis  Callus induction  MS + 3% sucrose    2,4‐D0 1 mg/L; 2‐iP 10 mg/L  Chang & Hsing, 1978   Callus maintenance  MS  same     Frond‐like structures       MS  same   

L. gibba  Callus induction  MS  2,4‐D 45 μM; 2‐iP 4.9 μM  Chang & Chui, 1976; 1978   Callus maintenance         Frond regeneration       

L. gibba  Callus induction  MS  2,4‐D or IAA‐L‐ala  Slovin & Cohen, 1985 

L. minor  Callus induction  FNO + 2% sucrose  2,4‐D 5 mg/L; 2‐iP 0.5 mg/L  Frick, 1991   Callus maintenance  FNO   2,4‐D 2 mg/L; 2‐iP 0.2 mg/L   

  Frond regeneration  FNO   2‐iP 0.2 mg/L   

L. gibba  Callus induction  MS + 3% sucrose  2,4‐D 20‐50 μM; BA 2 μM  Moon & Stomp, 1997   Callus maintenance  MS  2,4‐D 1‐20 μM; BA 2 μM     Frond regeneration  MS  BA 10 μM   

L. minor  Callus induction  MS + 3% sucrose  2,4‐D 20‐50 μM; BA 2 μM  Stomp, unpublished   Callus maintenance  MS  2,4‐D 1‐20 μM; BA 2 μM     Frond regeneration  SH  BA 10 μM   

L. gibba  Callus induction  B5 + 1% sucrose  dicamba 50 mg/L; BA 2 mg/L  Li et al., 2004   Callus maintenance  B5  PCA 10 mg/L; Picloram 2  mg/L; 2‐iP 2 mg/L     Frond regeneration  B5  TDZ 1 mg/L   

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 234 of 258 

Species  Process  Basal Medium  Plant Growth Regulators  Reference 

S. oligorrhiza  Callus induction  WP + 1.5% galactose  dicamba 50 mg/L  pre‐treatment  Li et al., 2004     WP+2% sorbitol  PCA 5 mg/L; Picloram 2  mg/L; 2‐iP 2 mg/L     Callus maintenance  WP  PCA 10 mg/L; 2‐iP 2 mg/L     Frond regeneration  WP + 0.5% sucrose  TDZ 1 mg/L   

S. punctata  Callus induction  ½ MS + 1% sorbitol  2,4‐D 3.5 mg/L; dicamba 15 mg/L; 2‐iP 2 mg/L  Li et al., 2004   Callus maintenance  WP + 2% sorbitol  2,4‐D 1 mg/L; NAA 5 mg/L; TDZ 0.5 mg/L     Frond regeneration  WP + 0.5% sucrose  2‐iP 1 mg/L   

Cultivation methods 

Culturing methods similar to those used  for microorganisms are easily adapted to grow duckweed  in the laboratory. 

Production systems  

Wetlands and ponds are the most common sites to find duckweeds, but other quiet bodies of water may harbor them. Duckweeds may also be found on the fringes of larger lakes and in quiet backwaters and sloughs cut off from mighty rivers. 

Duckweed are routinely ground on swine wastewater. Duckweeds of every genus, Spirodela, Landoltia, Lemna, Wolffia and Wolffiella are found world‐wide, although each species has certain areas and climates where it is particularly well‐adapted.  

Harvesting methods 

Duckweeds can be harvested with mechanical skimmers or with fine nets (which is labour intensive). Some of the plants will be missed by the skimmer, so in time the population will re‐grow to the original size. This is not a disadvantage if you have a good use for the plants that you will harvest (Cross, 2010). 

Biomass processing for biofuel purposes 

Enzymatic hydrolysis of the duckweed biomass with amylases has been used to yield a hydrolysate with a reducing sugar content corresponding to 50.9% of the original dry duckweed biomass. Fermentation of the hydrolysate using yeast gave an ethanol yield of 25.8% of the original dry duckweed biomass. These results indicate  that  the  duckweed  biomass  can  produce  significant  quantities  of  starch  that  can  be  readily converted  into ethanol. Duckweed biomass would require  little or no mechanical grinding because of the small size of the plants and because  it  is a green, hydrated biomass. The  lack of a milling step to prepare biomass for fermentation translates into a substantial savings in energy, one of the major costs in the corn‐to‐ethanol process (Cheng and Stomp, 2009). 

Scaling up limitations 

Since Lemnaceae grow on fresh water medium (or wastewater) and availability of water can be restricted in some parts of Europe, the cultivation of Lemnaceae should remain located where water supply is abundant.  Besides, Lemnaceae are fast growing organisms and may be disseminated by migratory birds, several water bodies might be unwillingly inoculated. 

References 

Alaerts  G.J., Mahbubar  R.,  Kelderman  P.  (1996)  Performance  analysis  of  a  full‐scale  duckweed‐covered  sewage  lagoon. Water Research 30: 843‐852. 

Appenroth K.J., Augsten H., Liebermann B., Feist H. (1982) Effects of light quality on amino acid composition of proteins in Wolffia arrhiza (L.) Wimm. using a specially modified Bradford method. Biochemie und Physiologie der Pflanzen 177: 251‐258. 

Chang W.C., Chiu P.L. (1976) Induction of callus from fronds of duckweed (Lemna gibba L.). Botanical Bulletin of Academia Sinica 17: 106‐109. 

Chang W.C., Chiu P.L. (1978) Regeneration of Lemna gibba G3 through callus culture. Zeitschrift fur Pflanzenphysiologie 89: 91‐94. Chang W.C.,Hsing  Y.I.  (1978) Callus  formation  and  regeneration of  frond‐like  structures  in  Lemna perpusilla  6746 on  a defined 

medium. Plant Science Letters 13: 133‐136. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 235 of 258 

Chang  S.M.,  Yang  C.C.,  Sung  S.C.  (1977)  The  cultivation  and  the  nutritional  value  of  Lemnaceae.  Bullettin  of  the  Institute  of Chemistry, Academia Sinica 24: 19‐30. 

Cheng J.J., Stomp A.M. (2009) Growing duckweed to recover nutrients from wastewaters and for production of  fuel ethanol and animal feed. CLEAN – Soil, Air, Water 37: 17‐26. 

Cheng J., Bergmann B.A., Classen J.J., Stomp A.M., Howard J.W. (2002a) Nutrient recovery from swine  lagoon water by Spirodela punctata. Bioresource Technology 81: 81‐85. 

Cheng  J.,  Landesman  L., Bergmann B.A., Classen  J.J., Howard  J.W., Yamamoto Y.T.  (2002b) Nutrient  removal  from  swine  lagoon liquid by Lemna minor 8627. Transactions of the ASAE 45: 1003‐1010. 

Cross J.W. (2010) The Charms of Duckweed. http://www.mobot.org/jwcross/duckweed.htm (accessed 10 Nov. 2010). Den Hartog C. (1975) Thoughts about the taxonomical relationships within the lemnaceae. Aquatic Botany 1: 407‐416. Frick H. (1991) Callogenesis and carbohydrate utilization in Lemna minor. Journal of Plant Physiology 137: 397‐401. Hillman W.S. (1961) The Lemnaceae or duckweeds. A review of the descriptive and experimental literature. Botanical Review 27,: 

221‐287. ITIS (2010) http://www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt accessed on the 01/07/2010 Landolt E., Kandeler R.  (1987a) Biosystematic  investigations  in  the  family of duckweeds  (Lemnaceae). Veroff. Geobot.  Inst. ETH, 

Zurich. vol. 2, pp. 42‐43. Landolt E and Kandeler, R. (1987b). The family of Lemnaceae – a monographic study.  Volume 2. Biosystematic investigations in the 

family of duckweeds (Lemnaceae) (vol. 4). Veroff. Geobot. Inst. ETH, Zurich. Li J., Jani M., Vunsh R., Vishnevetsky J., Hannania U., Flaishman M., Perl A., Edelman M. (2004) Callus induction and regeneration in 

Spirodela and Lemna. Plant Cell Reports 22: 457‐464. Lin  Y.,  Tanaka  S.  (2006)  Ethanol  fermentation  from  biomass  resources:  current  state  and  prospects.  Applied Microbiology  and 

Biotechnology 69: 627‐642. McCombs P.J.A., Ralph R.K. (1972) Protein, nucleic acid and starch metabolism in the duckweed, Spirodela oligorrhiza, treated with 

cytokinins. Biochemistry Journal 129: 403‐417. McLaren  J.S., Smith H.  (1976) The effect of abscisic acid on growth, photosynthetic rate and carbohydrate metabolism  in Lemna 

minor. New Phytologist 76: 11‐20. Moon H.K., Stomp A.M.  (1997) Effects of medium  components and  light on  callus  induction, growth and  frond  regeneration  in 

Lemna gibba (duckweed). In Vitro Cellular and Develepmental Biology‐Plant 33: 20‐25. Oron G., de‐Vegt A., Porath D., (1988) Nitrogen removal and conversion by duckweed grown on wastewater. Water Research 22: 

179‐184. Porath D., Hepher B., Koton A. (1979) Duckweed as an aquatic crop: evaluation of clones for aquaculture. Aquatic Botany 7: 273‐

278. Reid M.S., Bieleski R.L. (1970) Response of Spirodela oligorrhiza (Rockville) to phosphorus deficiency. Plant Physiology 46: 609‐613. Slovin J.P. Cohen J.D. (1985) Generation of variant lines of Lemna gibba G3 via tissue culture, for use in selecting auxin metabolism 

mutants. Plant Physiology 77(4 suppl.): 11. Stomp A.M. (2005) The duckweeds: A valuable plant for biomanufacturing. In: El‐Gewely M.R. (ed.) Biotechnology Annual Review, 

Elsevier, Rotterdam, pp. 69‐99. Tasseron‐De‐Jong J., Veldstra H. (1971) Investigations on cytokinins. Part 2: Interaction of light and cytokinins as studied in Lemna 

minor. Physiologia Plantarum 24: 239‐241. Tillberg  E.,  Holmvall  M.,  Ericsson  T.  (1979)  Growth  cycles  in  Lemna  gibba  cultures  and  their  effects  on  growth  rate  and 

ultrastructure. Physiologia Plantarum 46: 5‐12. Venkararaman  R.,  Seth  P.N.,  Maheshwari  S.C.  (1970)  Studies  on  the  growth  and  flowering  of  a  short‐day  plant,  Wolffia 

microscopica. I. General aspects and induction of flowering by cytokinins. Zeitschrift fur Pflanzenphysiologie 62: 316‐327.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 236 of 258 

11 Concluding remarks 

Algae have been recognized as valuable resource and exploited by humans for thousands of years. The last century has  seen  intensive  research efforts  to exploit  the huge potential of micro‐ and macro algae and other aquatic plants for food, fodder, energy and biomaterials, as well as environmental applications such as waste water treatment and bioremediation that are summarized in the document above. 

While  a  significant  industry based on exploitation of macroalgae biomass has developed, microalgal biomass production  remains  restricted  to  a  few high  value nutraceutical products  such  as pigments  (β‐carotene  from Dunaliella  and  astaxanthin  from Haematococcus)  or  dried microalgal  biomass  (Chlorella, Spirulina). 

The huge efforts  invested recently  in  investigating the potential of microalgae for biofuels production have  significantly  advanced  our  understanding  in  algal  biology,  cultivation,  harvesting  and  biomass processing, but no commercially viable sustainable production pathway exists and in consequence no algal biofuels production facility is online today. 

Difficulties to be overcome are mostly in reducing production and processing costs of algal biomass, by means  of  progress  in  engineering  and  culture management,  and  by  selecting  and  improving  strains  for maximal productivity at minimal costs. Dozens of algal species and strains hold promise in this respect, and no strain may be singled out  for extraordinary suitability under  the wide variety of cultivation conditions imaginable.  Many  algae  may  besides  fuel  provide  high  value  products  or  protein  for  improving  the economic  balance  of  the  production  process.  Recent  advances  in  genomics  and  genetic  engineering, demonstrated in Chlamydomonas, Phaeodactylum and others, holds promise for targeted improvements of algal  strains  to adapt  them  specifically  for enhanced growth and productivity under  selected  conditions. Alternatively  great opportunities may  reside  in utilization of  algal biomass  cultivation  for environmental applications  such  as waste water  treatment  or  remediation,  under  recovery  of  valuable  nutrients  and biomass production. 

All  possible  schemes  proposed  have  been  demonstrated  in  the  small  scale,  but  intensive  research efforts  are  still  necessary  to  further  our  understanding  on  algal  biology  and  production  processes. Any significant  advance  in  biofuels  production  is  dependent  on  massive  funding  for  the  establishment  of multiple, different and diverse algal biomass production facilities of sufficient size for allowing gaining the necessary insights and data towards reaching sustainable and profitable production processes.  

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs‐ Taxonomy, Biology and Biotechnology     Page 237 of 258 

ANNEX I 

AVAILABILITY of ALGAE 

The main Culture Collections of alage and cyanobacteria are listed in the table below:  

Collection + website CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ CCMP (Provasoli‐Guillard National Center for Culture of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  UTEX (The Culture Collection of Algae at the University of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) http://www.pasteur.fr/ip/easysite/go/03b‐000012‐00g/collection‐of‐cyanobacteria‐pcc/ ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de  l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  CCBA (Culture Collection of Baltic Algae at the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  BCCM (Belgian Co‐ordinated Collections of Micro‐organisms) Diatom Collection at the Ghent University F&M Culture Collection, Italy  http://www.femonline.it/ CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm CCCM (Canadian Center for the Culture of Microorganisms) including: NEPCC (North East Pacific Culture Collection) FWAC (Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  CPCC (Canadian Phycological Culture Centre) (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ SERI microalgae culture collection http://www.tpub.com/content/altfuels05/3814/38140091.htm FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en Japan ‐ NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp   

The availability of each microalga and cyanobacterium considered  in the document  is reported  in the following  section. No  availability was  found  for  Parietochloris  incisa. Note  that  some  strains  are  shared between collections. Note also that many strains are owned by Research Institutes and Universities and are not deposited in Culture Collections, so that their availability is not known. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 238 of 258 

Arthrospira sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1406/1  (A.  brevis);  CCAP  1475/8  (A. fusiformis); CCAP 1475/9 (A. maxima) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 31.96 (A. massartii) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 1295 (A. platensis) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB 2720; LB 2721 (A. fusiformis) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 023; 025  (A.  fusiformis); CCALA 027  to 030 (A. maxima) 

PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) http://www.pasteur.fr/ip/easysite/go/03b‐000012‐00g/collection‐of‐cyanobacteria‐pcc/ 

PCC 7345; 7939 to 7940; 8005 to 8006; 9108; 9223 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐0966 (Arthrospira sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐328 (A. maxima) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 29408 (A. platensis) 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC 29408 (A. platensis) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 314; 350; 439; 790 to 794 (A. platensis) 

Phormidium sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1462/6;  1462/10  (P.  autumnale);  CCAP 1446/8  (P.  foveolarum);  CCAP  1462/3  (P. minnesotense);  CCAP  1462/8;  1462/11;  1462/13 (Phormidium sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  1459‐6  (P.  animale);  SAG  35.90;  78.79  (P. autumnale); SAG 60.90  (P. ectocarpi); SAG 1462‐1 (P.  foveolarum);  SAG  79.79  (P.  inundatum);  SAG 26.99  (P. molle);  SAG  80.79  (P.  persicinum);  SAG 75.79  (P.  tergestinum); SAG 81.79  (P. uncinatum); SAG  2012;  14.92;  1463‐1e;  212.80;  37.90;  47.90; 61.90; 82.79; 9.92 (Phormidium sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 2591 (P. breve); CCMP 2607 (P. janthiforum); CCMP  2544  (P.  keutzingianum);  CCMP  2574  (P. okenii); CCMP 638  (P. persicinum); CCMP 1230  to 1231  (P.  tenue);  CCMP  2068;  CCMP  2118;  2137; 2162; 2521; 2523; 2554 (Phormidium sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX  B  1580  (P.  autumnale);  UTEX  B  427  (P. foveolarum);  UTEX  LB  2426  (P.  fragile);  UTEX  LB 2517  (P.  inundatum);  UTEX  LB  SP38  (P. keutzingianum);  UTEX  LB  2425  (P.  persicinum); UTEX B 1540; B EE 19; B EE 29; B EE 38; B SP43; LB 2584 to LB 2586 (Phormidium sp.) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 239 of 258 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA  139;  140;  761  (P.  animale);    CCALA  143; 145;  697;  757;  816;  860  to  861  (P.  autumnale); CCALA  882  (P.  favosum);  CCALA  759;  815  (P. irriguum); CCALA 147 (P. nigrum); CCALA 144; 149 (P. setchellianum); CCALA 152; 154 (P. subfuscum); CCALA  849  (P.  uncinatum); CCALA  726;  771;  845; 850; 858; 881; 923 (Phormidium sp.) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk)  http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0013  (P.  amphibium);  BA‐0141  (Phormidium sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

16 strains of 12 different species of Phormidium 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC  700613  (P.  corium);  ATCC  29409  to  29410; 39161 (Phormidium sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB  239  (P.  foveolarum);  FACHB  238  (P. luridum); FACHB 723 (P. mucicola) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102691;  102696;  102724;  102728;  102751; 102835 (Phormidium sp.) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES‐2119  to  2122  (P.  ambiguum); NIES  2123  (P. angustissimus);  NIES  32  to  34;  503  to  505  (P. foveolarum); NIES 2124 (P. henningsii); NIES 506 to 507  (P.  jenkelianum); NIES 2125  (P.  luridum); NIES 509; 2126  (P. molle); NIES 510  (P. mucicola); NIES 305 (P. ramosum); NIES 2128 (Phormidium sp.) 

Anabaena sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1403/7 (A. ambigua); CCAP 1403/2; 1403/2B; 1403/30  (A.  cylindrica);  CCAP  1403/13B;  1403/3D to  1403/3G;  1446/1C  (A.  flos‐aquae);  CCAP 1446/1A  (A.  inaequalis);  CCAP  1403/10  (A. oscillaroides);  CCAP  1403/19;  1403/27  (A. solitaria);  CCAP  1403/24  (A.  spiroides);  CCAP 1403/4B;  1403/12  (A.  variabilis);  CCAP  1403/4A; 1403/13A; 1403/16; 1403/21 to 1403/23; 1403/29; 1453/30 (Anabaena sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  1403‐7  (A.  ambigua);  SAG  1403‐1  (A. catenula); SAG 1403‐2 (A. cylindrica); SAG 30.87 (A. flos‐aquae);  SAG  1403‐10  (A.  inaequalis);  SAG 25.79 (A. lutea); SAG 26.79 (A. torulosa); SAG 1403‐4b  (A.  variabilis);;  SAG  27.79  (A.  viguieri);  SAG 12.82; 25.82; 28.79; 29.79 (Anabaena sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 2066 (Anabaena sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

20 strains of 12 different species of Anabaena 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA  001  (A.  augstumnalis);  CCALA  755  (A. catenula); CCALA 758 (A. doliolum); CCALA 008 (A. gracile);  CCALA  009  (A.  klebhanii);  CCALA  805  (A. laxa); CCALA 002  (A. oscillaroides); CCALA 003  (A. torulosa); CCALA 010 (A. rivularis); CCALA 760; 006 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 240 of 258 

to 007 (Anabaena sp.) PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) http://www.pasteur.fr/ip/easysite/go/03b‐000012‐00g/collection‐of‐cyanobacteria‐pcc/ 

PCC  6309;  7108;  9217;  9109;  9208;  7122;  73105; 7938 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 163 (A. circinalis) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0097 (Anabaena sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1333 to K‐1338 (A. circinalis); K‐0544; K‐0599 (A. lemmermannii) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐337/01  to CS‐337/02; CS‐530/05; CS‐533/02  to CS‐533/03;  CS‐534/02;  CS‐534/05  to  CS‐534/06; CS‐536/01;  CS‐537/01  to  CS‐537/03;  CS‐537/05; CS‐537/11;  CS‐537/13;  CS‐538/01;  CS‐538/05  to CS‐538/06;  CS‐539;  CS‐539/08  to  CS‐539/09;  CS‐541/06;  CS‐545/17;  CS‐547  (A.  circinalis);  CS‐53; CS‐172  (A.  cylindrica);  CS‐548  to  CS‐549  (A.  flos‐aquae);  CS‐546  (A.  spiroides);  CS‐550;  CS‐542/02; CS‐542/04 (Anabaena sp.) 

FWAC (Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

FWAC 1710 (Anabaena sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC  64;  67  (A.  flos‐aquae);  CPCC  437  (A. sphaerica);  CPCC  68  (A.  spiroides);  CPCC  45;  105; 342  (A.  variabilis);  CPCC  387;  426  to  427;  543  to 544; 631 (Anabaena sp.) 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC 55755 (A. affinis); ATCC 29414 (A. cylindrica); ATCC  43530  (A.  doliolum);  ATCC  22664  (A.  flos‐aquae);  ATCC  29413;  33801  (A.  variabilis);  ATCC 27898 to 27899; 29211 (Anabaena sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

46 strains of 16 different species of Anabaena 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

183  strains  of  23  different    species,  the  most represented of which are: A. crassa (49 strains); A. reniformis  (19 strains); A. circinalis  (15 strains); A. planctonica (15 strains) 

Synechococcus sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1479/7  (S.  bacillaris);  CCAP  1499/3  (S. capitatus);  CCAP  1479/1A  to  1479/1B  (S. elongatus);  CCAP  1405/1  (S.  leopoliensis);  CCAP 1479/8  (S.  linearis);  CCAP  1479/5;  1479/9  to 1479/14 (Synechococcus sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  88.79  (S.  cedrorum);  SAG  15.90;  89.79  (S. elongatus); SAG 1402‐1  (S.  leopoliensis); SAG 3.81 (S. rubescens); SAG 2156 (Synechococcus sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 1261 (S. bacillus); CCMP 1333 (S. bacillaris); CCMP  1379;  1628  to  1631  (S.  elongatus);  CCMP 1284 (S. nigra); CCMP 833; 835 to 842; 1183; 1282; 1334; 1632; 1768 to 1769; 2161; 2163; 2165; 2370; 2515;  2606;  2669;  2713;  2943  to  2946;  3074  to 3075; 3195 (Synechococcus sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of  UTEX  1191  (S.  cedrorum);  UTEX  LB  563  (S. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 241 of 258 

Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

elongatus);  UTEX  2434;  B  625  (S.  leopoliensis); UTEX  LB  2380;  LB  2389  to  LB  2390;  LB  2537;  LB 2625 (Synechococcus sp.) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA  187  (S.  bigranulatus);  CCALA  188  (S. nidulans) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 543; 712 (Synechococcus sp.) 

PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) http://www.pasteur.fr/ip/easysite/go/03b‐000012‐00g/collection‐of‐cyanobacteria‐pcc/ 

PCC 6301; 6311 to 6312; 6603; 6706 to 6709; 6715 to 6717; 6908; 7002 to 7003; 7117; 73109; 7335 to 7336;  7502;  7901  to  7902;  7917  to  7918;  7920; 7922  to 7923; 7942; 7942/1; 7943; 7951; 8806  to 8807, 8908; 8943; 8978; 8991; 9001 to 9004 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐0408 (Synechococcus sp.) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

79 strains of Synechococcus sp. 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐450  (Synechococcus  ‐like); CS‐94;  197; 197/02; 205 (Synechococcus sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

NEPCC 550 (S. lividus) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC  79  (S.  cedrorum);  CPCC  97  (S.  elongatus); CPCC 102  (S.  leopoliensis); CPCC 246; 434; 477  to 480; 660 to 661 (Synechococcus sp.) 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC  27144  to  27148;  27167  to  27168;  27177; 27180;  27192;  27194;  27264;  27344;  39138; 29140; 29203; 29403 to 29404 (Synechococcus sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB  283  (S.  cedrorum);  FACHB  347  (S. elongatus); FACHB 805 (Synechococcus sp.) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102692;  102694;  102726;  102731;  102734; 102774;  102777;  102789;  102838  to  102839; 102864  to 102865; 102908  to 102909; 102952  to 102957 (Synechococcus sp.) 

Synechocystis sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1480/5  (S.  limnetica);  CCAP  1480/1  (S. minima); CCAP 1480/4 (Synechocystis sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 90.79 (S. aquatilis); SAG 258.80 (S. minuscula); SAG 91.79  (S. pevalekii); SAG 37.92; 45.90; 51.79; 92.79 (Synechocystis sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 843 (Synechocystis sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX  LB  2587  (S.  nigrescens);  UTEX  2470 (Synechocystis sp.) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 189 to 190 (S. aquatilis); CCALA 191; 810 (S. fuscopigmentosa); CCALA 192 (S. cf. salina) 

PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) http://www.pasteur.fr/ip/easysite/go/03b‐000012‐00g/collection‐of‐cyanobacteria‐pcc/ 

PCC 6308; 6701 to 6702; 6711; 6714; 6803 to 6806; 6808;  6902;  6905  to  6906;  7008;  7201;  7338  to 7339; 7509; 7511; 7719; 7809; 7903; 7919; 7921; 8010; 8805; 8906; 8912; 8915; 8931 to 8932; 8938; 8962; 8974; 8981; 8990; 9027; 9115; 9218 to 9220; 9227 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 242 of 258 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐95 (Synechocystis sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 346; 352; 534 (Synechocystis sp.) 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC 27150; 27170 to 27171; 27175; 27178; 27184 to 27187; 27266; 29108  to 29110; 29152; 29235; 35679 to 35680; 43105 (Synechocystis sp.) 

Ostreococcus sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 2407; 2972 (Ostreococcus sp.) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC  116;  614;  745;  1108  to  1110;  1115;  1117  to 1118; 1558 to 1559; 1625 (O.taurii); RCC 343; 410; 422; 426 to 427; 429; 453 to 454; 467 to 468; 675; 690; 747; 754 to 756; 788 to 789; 796 to 797; 802; 809  to  810;  1106  to  1107;  1121  to  11123;  1521; 1565 to 1566; 1616; 1645; 1662 (Ostreococcus sp.) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 102845 (Ostreococcus sp.) 

Tetraselmis sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

73  strains  of  which  27  Tetraselmis  sp.;  other species:  T.  apiculata;  T.  chuii;  T.  convolutae;  T. gracilis;  T.  inconspicua;  T.  levis;  T.  maculata;  T. marina; T. striata; T. subcordiformis; T. suecica; T. tetrabrachia; T. tetrathele; T. verrucosa 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 1.96; 8‐6  (T.  chuii); SAG 50.87  (T.  contracta); SAG 26.82 (T. cordiformis); SAG 202.80 (T. marina); SAG  41.85  (T.  striata);  SAG  161‐1a  (T. subcordiformis);  SAG  161‐2b  to  161‐2c  (T. tetrathele);  SAG  161‐3;  3.98;  35.93  (Tetraselmis sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

119  strains  of  which  110  Tetraselmis  sp.;  other species: T. astigmatica; T. convolutae; T. marina; T. rubens; T. suecica; T. wertsteinii; T. striata 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX B 2562 (T. apiculata); UTEX LB 232 (T. chuii); UTEX B 2563 (T. gracilis); UTEX B 2565; B SP22 (T. striata); UTEX LB 2286 (T. suecica); UTEX LB 557 (T. tetrathele); UTEX 2767; LB 2767 (Tetraselmis sp.) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC  372;  372A;  581  (T.  convolutae);  PCC  429  (T. impellucida); PCC 308; 308A; 570  (T. marina); PCC 443  (T.  striata); PCC 305  (T.  suecica); PCC 272  (T. tetrathele); PCC 456 (T. verrucosa); PCC 315; 511A to 511B; 512 to 513; 514B (Tetraselmis sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC  726  (T.  chuii); AC  258  (T. marina); AC  725  (T. striata); AC 254 (T. suecica); AC 261 (T. tetrathele); AC 255; 257; 264 (Tetraselmis sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa)  K‐0011 (T. contracta); K ‐0937 (T.  levis); K‐0298 (T. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 243 of 258 

http://www.sccap.dk/search/  aff.  maculata);  K‐0377  (T.  marina);  K‐0297  (T. suecica); K‐0243; K‐0950 (T. verrucosa); K‐0296; K‐0380; K‐0524; K‐0930; K‐0935 (Tetraselmis sp.) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC  128  to  129  (T.  chuii);  RCC  1563  to  1564  (T. convolutae); RCC 132  to 133  (T.  rubens); RCC 130 to 131 (T. striata); RCC 119 to 127; 233; 235; 348; 500; 1947; 1975 to 1976 (Tetraselmis sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐691/01  (T.  antarctica);  CS‐26  (T.  chuii);  CS‐56; CS‐187  (T.  suecica);  CS‐87;  CS‐91;  CS‐317;  CS‐352 (Tetraselmis sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

NEPCC 485; 502 (T. apiculata); NEPCC 484; 501 (T. chuii); NEPCC 486 (T. convolutae); NEPCC 489; 551 (T.  gracilis);  NEPCC  503  (T.  inconspicua);  NEPCC 488  (T.  levis); NEPCC 487; 497  (T.  striata); NEPCC 494  (T.  suecica);  NEPCC  483;  500  (T.  tetrathele); NEPCC 496 (T. verrucosa); NEPCC 46; 86; 365; 498 (Tetraselmis sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 196 (Tetraselmis sp.) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102994;  102997  to  102998;  103003 (Tetraselmis sp.) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES 18; 533  (T. cordiformis); NIES 1430  (T.  levis); NIES  1019  (T.  striata);  NIES  1836  (T.  verrucosa); NIES 1421 ; 1431 to 1434 (Tetraselmis sp.) 

Botryococcus sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 807/1 to 807/2 (B. braunii) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 30.81; 807‐1 (B. braunii) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 2742 (Botryococcus sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 572; 2441; LB 572 (B. braunii); UTEX 2629 (B. sudeticus) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 220; 777 to 778; 835 (B. braunii); CCALA 779 (B. protuberans); CCALA 933 (Botryococcus sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1489 (B. braunii) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 357; 762 to 766; 768; 774; 777; 1049; 1079; 1104‐1108 (B. braunii) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES 836; 2199 (B. braunii) 

Chlamydomonas reinhardtii 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  11/32A;  11/32B;  11/32C;  11/32CW15+; 11/32D; 11/45 Other:  125  strains  of  35  different  species  of 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 244 of 258 

Chlamydomonas SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  11‐31;  11‐32a;  11‐32aM;  11‐32‐b;  11‐32c; 18.79;  23.90;  32.89;  33.89;  37.89;  38.89;  53.72; 54.72; 7.73; 73.72; 77.81; 81.72; 83.81  Other:  264  strains  of  95  different  species  of Chlamydomonas 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

29 strains of Chlamydomonas sp.  and C. euryale (1 strain) and C. parkeae (2 strains) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 89 to 90; 2243 to 2244; 2247; 2337; B 2246; LB 2607; LB 2608 Other:  134  strains  of  62  different  species  of Chlamydomonas  

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 928 Other:  20  strains  of  13  different  species  of Chlamydomonas 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

3 strains (C. reginae; C. Concordia; Chlamydomonas sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 726; 609 Other: Chlamydomonas sp. (1 strain); C. pertusa (1 strain) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1016 to K 10‐17 Other: Chlamydomonas sp. (1 strain); C. debaryana (1 strain); C. geitlerii (1 strain) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

3  strains  (C.  concordia;  C.  reginae  and Chlamydomonas sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐51 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) FWAC /Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

2 strains of Chlamydomonas sp.   

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 11 to 12; 84; 243 to 244; 532 to 533 Other:  11  strains  of  4  different  species  of Chlamydomonas 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 265; 355 to 356; 359; 479; 1121 Other:  27  strains  of  12  different  species  of Chlamydomonas 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

9 strains, of which 8 of Chlamydomonas sp.  and 1 strain of C. parkeae 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES 2235 to 2239; 2463 to 2464 Other:  71  strains  of  42  different  species  of Chlamydomonas 

Haematococcus pluvialis 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 34/1D; 34/1F; 34/6; 34/7; 34/12 to 34/14 Other:  5  strains  (H.  buetschlii;  H.  capensis;  H. droebakensis) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 192.80; 34‐1a to 34‐1f; 34‐1h; 34‐1k to 34‐1n; 44.96; 49.94 Other:  9  strains  (H.  buetschlii;  H.  capensis;  H. droebakensis; H. zimbabwensis) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of  UTEX 2505 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 245 of 258 

Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

Other: 3 strains (H. droebakensis, H. capensis)  

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 357 to 358; 793; 840 Other: Haematococcus sp. (1 strain) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 136; 143; 146; 587; 588  

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐0084 Other: Haematococcus sp. (1 strain) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

Haematococcus sp. (1 strain) 

FWAC /Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

FWAC 7039; 7072 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

Haematococcus lacustris (1 strain) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 712; 797; 847; 871 to 878; 954 to 955; 1164 Other: Haematococcus sp. (1 strain) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

Haematococcus lacustris (4 strains) 

Dunaliella sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  19/35  (D.  acidophila);  CCAP  19/4  (D. bioculata);  CCAP  19/5  (D.  minuta);  CCAP  19/1; 19/9  to  19/10;  19/26  (D.  parva);  CCAP  19/2  (D. piercei);  CCAP  19/7A  to  19/7C  (D.  polymorpha); CCAP  11/34  (D.  primolecta);  CCAP19/8  (D. quartolecta);  CCAP  19/3;  19/18;  19/20;  19/25; 19/30  to 19/31  (D. salina); CCAP 19/24; 19/27  (D. tertiolecta);  CCAP  19/12;  19/14  to  19/15;  19/19; 19/21 to 19/23; 19/32 to 19/34 (Dunaliella sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

26 strains of 12 different species of Dunaliella 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP  362  (D.  parva);  CCMP  364;  1302;  1320  (D. tertiolecta); CCMP 220; 366 to 367; 1641; 1883 to 1886; 1892; 1922 to 1925; 2545; 2575; 2577; 2589 to 2590; 2605 (Dunaliella sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB 2538 (D. bardawil); LB 199 (D. bioculata); UTEX LB 1983 (D. parva); UTEX LB 2192 (D. piercei); UTEX  LB  1000  (D.  primolecta); UTEX  LB  1644;  LB 200 (D. salina); UTEX LB 999  (D. tertiolecta); UTEX B SP20 (Dunaliella sp.) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 337  (D. bioculata); CCALA 339  to 340; 821 (D. salina) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 430  (D. minuta); PCC 81  (D. primolecta); PCC 83 (D. tertiolecta) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 144 (D. salina); AC 148 (D. tertiolecta) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐0591 (D. tertiolecta) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC 6 (D. tertiolecta); RCC 5 (Dunaliella sp.) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 246 of 258 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐265;  CS‐744/01  (D.  salina);  CS‐14;  CS‐175  (D. tertiolecta);  CS‐353;  CS‐631  to  CS‐635  (Dunaliella sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

NEPCC 1 (D. tertiolecta) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC  307  (D.  acidophila);  CPCC  197  (D.  salina); CPCC 420 (D. tertiolecta); CPCC 457 (Dunaliella sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB  949  (D.  bioculata);  FACHB  815  (D.  parva); FACHB 818 (D. primolecta); FACHB 435 (D. salina); FACHB 821  (D.  tertiolecta); FACHB 748  (Dunaliella sp.) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES  2253  (D.  bioculata);  NIES  2254  (D.  parva); NIES 2255  (D. piercei); NIES 2256  (D. primolecta); NIES 2257 (D. salina); NIES 2258 (D. tertiolecta) 

Chlorococcum sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  213/5  (C.  echinozygotum); CCAP  213/11  (C. humicola);  CCAP  213/6;  237/1  (C.  hypnosporum); CCAP 213/2A; 213/2B (C. infusionum); CCAP 213/9 (C.  macrostigmatum);  CCAP  213/7  (C. minutum); CCAP  213/10  (C.  submarinum);  CCAP  213/12  (C. tetrasporum);  CCAP  213/8  (C.  vacuolatum);  CCAP 11/52 (Chlorococcum sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

28 strains of 16 different species of Chlorococcum 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

39 strains of 36 different species of Chlorococcum 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 281  (C. echinozygotum); CCALA 283  to 284 (C.  ellipsoideum);  CCALA  285;  772  (C. hypnosporum); CCALA 286  to 287  (C.  infusionum); CCALA  288  (C.  lobatum);  CCALA  289  (C. macrostigmatum); CCALA 290 (C. minutum); CCALA 291  to  293  (C.  scabellum);  CCALA  294  (C. vacuolatum) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 727 (Chlorococcum sp.) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0019 (Chlorococcum sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1301 to K‐1303 (Chlorococcum sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

NEPCC 478; 499; 505 (Chlorococcum sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC  178  (C.  hypnosporum);  CPCC  315;  513 (Chlorococcum sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB  21  to  23  (C.  humicola);  FACHB  1225  (C. infusionum); FACHB 957 (Chlorococcum sp.) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102705  to  102708  (C.  dorsiventrale); NBRC 102761  (C.  littorale); NBRC 102999  (Chlorococcum sp.) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 247 of 258 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES  2249  (C.  echinozygotum);  NIES  2250  (C. elkhartiense); NIES 2251 (C. humicola) 

Neochloris oleoabundans  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

10 strains of 10 different species of Neochloris 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

2 strains (N. conjuncta, N. vigensis) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 1185 Other:  10  strains  of  9  different  species  of Neochloris 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

5 strains of 5 different species of Neochloris 

Scenedesmus sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

74 strains of 29 different species of Scenedesmus, the most  represented  of which  is  S.  obliquus  (19 strains) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

29 strains of 11 different species of Scenedesmus 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 1625; 2399  (Scenedesmus sp.); CCMP 2254; 2257 (Scenedesmus ‐like) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

29 strains of 17 different species of Scenedesmus 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

20 strains of 11 different species of Scenedesmus 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 147 (S. armatus); AC 139 (S. subspicatus) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0007  (S.  acuminatus);  BA‐0008;  BA‐0147  (S. acutus);  BA‐0006  (S.  armatus);  BA‐0024 (Scenedesmus sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1010  (S.  armatus);  K‐1149;  K‐1305  (S. quadricauda) 

FWAC /Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

FWAC 276 (S. quadricauda) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 6, 8; 10; 282; 285; 353 (S. acutus); CPCC 153 (S.  denticulatus);  CPCC  5  157  (S.  obliquus);  CPCC 158; 163 (S. quadricauda); CPCC 20; 286; 297; 316 to 319; 367; 423; 531 (Scenedesmus sp.)  

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 1221; 1234 to 1235 (S. acuminatus); FACHB 76  to  77  (S.  bijuga);  FACHB  496;  959;  963;  1248; 1266 (S. dimorphus); FACHB 12 to 14; 39; 276; 416 to 417  (S. obliquus); FACHB 43  to 45; 506  to 508; 1117;  1297  (S.  quadricauda);  FACHB  1268  (S. spinosus);  FACHB  489  to  490;  492;  933;  1229 (Scenedesmus sp.) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES 92  (S. acuminatus); NIES 94 to 95; 120; 2269 to  2270  (S.  acutus);  NIES  2271  to  2272  (S. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 248 of 258 

basiliensis);  NIES  2273  (S.  bijuga);  NIES  2274  (S. chlorelloides);  NIES  2275  (S.  coelastroides);  NIES 2276  (S.  costulatus); NIES 93; 119  (S. dimorphus); NIES 2279 to 2280 (S. obliquus) 

Desmodesmus sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

298  strains  of  43  different  species  of Desmodesmus, the most represented of which are D.  armatus  (47  strains)  and  D.  communis  (34 strains); D.  opoliensis  (17  strains); D.  intermedius (15 strains) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

21 strains of 14 different species of Desmodesmus 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP  2256  (D.  ultrasquamatus);  CCMP  2450  (D. hystrix);  CCMP  2489  (D.  pikollei);  CCMP  2491 (Desmodesmus sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX  2892  (D.  brasiliensis);  UTEX  B  2894  (D. serratus) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

16 strains of 14 different species of Desmodesmus 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐899; CS‐905  (D. asymmetricus  lineage); CS‐904 (D. opoliensis lineage) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES 685 (D. abundans); NIES 97 (D. serratus); NIES 797 to 802 (D. subspicatus); NIES 96; 2277 to 2278 (Desmodesmus sp.) 

Chlorella sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

110 strains of which 31 Chlorella sp. and the others of  17  different  species  of  Chlorella,  the  most represented of which are: C. vulgaris  (21  strains); C. saccharophila (12 strains); C. protothecoides (10 strains); C. emersonii (9 strains)  

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

78  strains of 13 different  species of Chlorella,  the most  represented  of  which  are:  C.  vulgaris  (15 strains);  C.  luteoviridis  (12  strains);  C. protothecoides  (10  strains);  C.  saccharophila  (9 strains); C. sorokiniana (7 strains) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

37  strains  of  which  34  of  Chlorella  sp.  and  C. capsulata (3 strains) and C. autotrophica (1 strain) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

71 strains of which 10 Chlorella sp. and the others of  20  different  species  of  Chlorella,  the  most represented of which are: C. vulgaris (9 strains); C. sorokiniana  (9  strains);  C.  protothecoides  (8 strains);  C.  kessleri  (7  strains);  C.  luteoviridis  (6 strains) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 714; 733; 741; 884 to 885; 914 to 915; 884 to  885  (C.  homosphaera);    CCALA  250  to  255  (C. kessleri);  CCALA  723;  745;  886;  916  (C. minutissima); CCALA 257; 917 (C. mirabilis); CCALA 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 249 of 258 

258  (C. saccharophila); CCALA 259  to 560; 918  (C. sorokiniana); CCALA 256; 261  to 269; 788; 896  to 898; 902; 924 (C. vulgaris); CCALA 715 to 717; 936 (Chlorella sp.) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC  476  (C.  saccharophila);  PCC  309  (C.  salina); PCC 85 (C. stigmatophora) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 586; 628  to 629  (C.  saccharophila); AC 149  to 150; 659 (C. vulgaris) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0018 (C. fusca); BA‐0012 (C. minutissima);   BA‐0002; BA‐0043; BA‐0046; BA‐0080 (C. vulgaris); BA‐0020 to BA‐0023; BA‐0025; BA‐0059; BA‐0079; BA‐0103 (Chlorella sp.) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1006 (C. vulgaris) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC  661  (C.  stigmatophora);  RCC  288;  347;  396; 533; 537 (Chlorella sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐41  to  CS‐42  (C.  vulgaris);  CS‐122;  CS‐903 (Chlorella  sp.);  CS‐195;  CS‐247  to  CS‐248;  CS‐436 (Chlorella ‐like) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) FWAC /Freshwater Algal Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

FWAC  7066  (C.  pyrenoidosa);  NEPCC  893;  896 (Chlorella sp.) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC  86  (C.  emersonii);  CPCC  89;  394  (C.  fusca); CPCC  266  (C.  kessleri);  CPCC  87  (C.  luteoviridis); CPCC  88  (C.  miniata);  CPCC  89  to  90;  138  (C. pyrenoidosa);  CPCC  91;  272  (C.  saccharophila); CPCC 138  (C.  sorokiniana); CPCC 90; 92; 111; 139 to 147  (C. vulgaris); CPCC 23; 247; 493; 522; 560; 603 (Chlorella sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

52 strains of which 14 Chlorella sp. and the others of  8  different  species  of  Chlorella,  the  most represented  of  which  are:  C.  pyrenoidosa  (15 strains); C. vulgaris (13 strains) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 102700  to 102704; 102721; 102740; 10895 to  102896  (C.  saccharophila);  NBRC  102737; 102741;  102768;  102831;  102892  to  102894; 102897; 102902; 102949; 102951 (Chlorella sp.) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES  2150(“C.  ellipsoidea”);  NIES  640;  2352  (C. saccharophila); NIES 2167 to 2169 (C. sorokiniana); NIES  227;  641  to  642;  686;  1269;  2170;  2172  to 2173 (Chlorella sp.) 

Prototheca sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  2064  (P.  blaschkeae);  SAG  263‐11 (P.wickerhamii);  SAG 2021; 2063; 263‐1; 263‐3  to 263‐4;  263‐6  to  263‐8;  263‐10;  263‐12;  43.80; 44.80; 45.80 (P. zopfii) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 329 (P. kruegeri); UTEX 288, 1434‐1437, 1441 (P. moriformis); UTEX  289,  327  (P.  portoricensis); UTEX  14424  to1443  (P.  stagnora);  UTEX  1440, 1533 (P.wickerhamii); UTEX 1438 (P. zopfii) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains)  NBRC  6994  (P.  ciferrii);  NBRC  32449  (P. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 250 of 258 

http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

eriobotryae);  NBRC  6995  (P.  moriformis);  NBRC 6996  (P.  trispora);  NBRC  6997  (P.wickerhamii); NBRC 6998, 7532 to 7536 (P. zopfii) 

Porphyridium cruentum 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

P. marinum  (1 strain); P. purpureum  (4 strains); P. sordidum (2 strains) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

P. aerugineum (4 strains); P. purpureum (8 strains); P. sordidum (2 strains) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 675; 1328 Other:  P.  aerugineum  (2  strains);  P.  grisea  (1 strain);  P.  purpureum  (1  strain);  P.  sordidum  (1 strain); Porphyridium sp. (2 strains) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 161 Other: P. aerugineum  (3 strains); P. purpureum  (1 strain); P. sordidum  (1 strain); Porphyridium sp.  (1 strain) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 415 Other: P. aerugineum  (2 strains); P. purpureum  (1 strain); P. sordidum (1 strain) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

P. purpureum (1 strain) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

P. aerugineum (3 strains); P. purpureum (3 strains); Porphyridium sp. (9 strains) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

P. aerugineum (1 strain); P. purpureum (2 strains) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

P. purpureum (1 strain) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm 

P. purpureum (1 strain); Porphyridium sp. (1 strain) 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

P. purpureum (1 strain) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

P. aerugineum  (1  strain); P. purpureum  (1  strain); Porphyridium sp. (1 strain) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

P. sordidum (1 strain); Porphyridium sp. (5 strains) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

P. aerugineum (4 strains); P. purpureum (3 strains); Porphyridium sp. (5 strains) 

Amphora sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1001/3 CCAP1 001/1 to 1001/2 (A. coffeaeformis) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton)   https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 129; 1389; 1523; 2107; 2522; 2531; 2910; CCMP126 to 128; 1405 (A. coffeaeformis) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) 

UTEX 2038; 2080; B 2036; B 2040; B SP1; LB FD57; LB FD71; LB FD75; LB FD9 (A. coffeaeformis) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 251 of 258 

http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 545; 547 (A. coffeaeformis) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 711; AC 713 (A. coffeaeformis) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0016  (A. coffeaeformis) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1250 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐10; CS‐307; CS‐366; CS‐518 to CS‐521 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 762 to 763 (A. coffeaeformis) 

SERI microalgae culture collection http://www.tpub.com/content/altfuels05/3814/38140091.htm 

AMPHO* strains of A. coffeaeformis and  A. delicatissima 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 58 (A. coffeaeformis) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 363 (A. coffeaeformis) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 102745 

Amphiprora hyalina 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1003/4 (A. paludosa var. hyalina) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 15.83 (A. paludosa) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 467 (Amphiprora sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 266 

SERI microalgae culture collection http://www.tpub.com/content/altfuels05/3814/38140091.htm 

ENTOM1 

Chaetoceros muelleri  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1010/3 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55 

CCMP 194; 1316; 1318 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB FD74 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae)  PCC 586 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 252 of 258 

http://www.mba.ac.uk/culturelist.php   F&M Culture Collection, Italy   F&M‐M43 CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐176 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 485 

SERI microalgae culture collection  CHAET* strains 

Cyclotella cryptica  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1070/2; 1070/6 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 331 to 333 

SERI microalgae culture collection  CYCLO* strains 

Cylindrotheca sp.  

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1017/8  to  1017/11  (C.  closterium);  CCAP 1017/2 (C. fusiformis); CCAP 1017/7 (Cylindrotheca sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP  339  to  340;  1554;  1725;  1855;  2086  (C. closterium); CCMP 343 to 344 (C. fusiformis); CCMP 1989  (Cylindrotheca sp.) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX B2085 to B2087 (C. fusiformis); UTEX LB FD30 (C. gracilis) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l’Université  de  Caen  Basse‐Normandie) http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 170 (C. closterium) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1342; K‐0520 (C. closterium) 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC 782; 1937; 1950 (C. closterium) 

BCCM  (Belgian Co‐ordinated Collections of Micro‐organisms) Diatom Collection at the Ghent University 

Several strains of Cylindrotheca sp., C. fusiformis en C. closterium 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐13 (C. fusiformis) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 417; 425 (C. fusiformis) 

Japan – NIES (National Institute for Environmental Studies) http://mcc.nies.go.jp  

NIES‐1045  (C.  closterium);  NIES‐1046  (C. fusiformis); NIES‐1047  (Cylindrotheca sp.) 

Japan – NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 103017 

Navicula sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa)  CCAP 1050/8 (N. hanseni); CCAP 1050/9 (N. 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 253 of 258 

http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm  pelliculosa); CCAP 1050/10 (N. incerta); CCAP1050/12 (N. radiosa) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 1050‐3 (N. pelliculosa); SAG 40.96 (N. salinicola) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55 

15 strains of which 5 of Navicula sp. 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

58 strains of which 1 of Navicula sp. 

SERI microalgae culture collection  NAVIC* strains 

Navicula saprophila 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

SERI microalgae culture collection  NAVIC* strains 

Nitzschia dissipata 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB FD253 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA0040 

SERI microalgae culture collection http://www.tpub.com/content/altfuels05/3814/38140091.htm  

NITZS13 

Phaeodactylum tricornutum 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1052/1A;  1052/1B;  1052/6;  1055/1  to 1055/8 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 1090‐1a; 1090‐1b; 1090‐6 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCMP 630 to 633; 1327; 2928; 2557 to 2561 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX B 2089; 646; L 642; 640 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC100; 670 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université de Caen Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 590 to 591; 171 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

AA‐0004; AA‐0079; AA‐0142 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1280 

RCC (Roscoff Culture Collection) http://www.sb‐roscoff.fr/Phyto/RCC  

RCC 69; 641 

F&M Culture Collection, Italy   F&M‐M40 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 254 of 258 

BCCM  (Belgian Co‐ordinated Collections of Micro‐organisms) Diatom Collection at the Ghent University 

1055/1; 1052/1A 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐29 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 31; 640; 738; 552; 860 

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 162 

SERI microalgae culture collection  PHAEO 1, 2 

Thalassiosira pseudonana 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1085/12 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 1020‐1b 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/55  

CCMP 1007; 1011 to 1015; 1335 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB FD2 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 693 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie) http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 589 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

AA‐0078 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1282 

BCCM  (Belgian Co‐ordinated Collections of Micro‐organisms) Diatom Collection at the Ghent University 

several strains  

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐20; CS‐173 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 58; 58b; 709 

Odontella aurita 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 1054/1 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  

CCMP 145; 595; 1108; 1796; 816 (O. cf. aurita) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1251; K‐1252 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐19 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 553 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 255 of 258 

Skeletonema sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  1077/1B,  1077/1C,  1077/3  to  1077/5  (S. costatum); CCAP 1077/7  (S. pesudocostatum); CCAP 1077/8 (S. subsalsum) 

SAG  (Sammlung  von  Algenkulturen  der  Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 19.99 (S. costatum), SAG 8.94 (S. subsalsum) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  

CCMP  794  (S.  ardens);  CCMP  2092  (S.  costatum); CCMP  779,  782,  785,  789,  1715,  2479  to  2481  (S. dohrnii); CCMP 775 to 776, 780, 2508 to 2509, 2801 (S.  grethae);  CCMP  1685  (S.  grevillei);  CCMP  784, 1281,  1283,  2506  (S.  japonicum);  CCMP  781,  791, 1009, 1016, 1223 to 1226, 1332, 2497, 2501 to 2505, 2507 (S. marinoi); CCMP 786 to 787, 790, 792 to 793, 795,  2799  (S.  menzelii);  CCMP  2472  to  2478  (S. pseudocostatum); CCMP 778, 788, 2070, 2157, 2798, 2800, 2802 to 2803 (S. tropicum) 

UTEX  (The Culture Collection of Algae at  the University of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX LB 2308 (S. costatum) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 612 (S. dohrnii); PCC 106, 582 (S. marinoi); PCC 627 (Skeletonema sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 174, 714 (S. marinoi); AC 715 (Skeletonema sp.) 

CCBA (Culture Collection of Baltic Algae at the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

BA‐0011, BA‐0098 (S. costatum) 

SCCAP  (Scandinavian  Culture  Collection  of  Algae  & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐0669 (S. costatum) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐347 to CS‐348 (S. ardens); CS‐408 (S. dohrnii); CS‐864  (S.  japonicum);  CS‐181  (S. marinoi);  CS‐76,  CS‐167, CS‐252 (S. pseudocostatum) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC  755;  782  (S.  costatum);  NEPCC  910  (S. marinoi); NEPCC 904 (Skeletonema sp.) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 1114 to 1115 (S. costatum) 

Monodus sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 848/1 (M. subterraneus) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 8.83 (M. unipapilla) 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

UTEX 151 (M. subterraneus); B SNO46, 76, 83‐84, 93‐95,  98‐99,  104,  110,  112,  114,  127,  131,  139,  142, 145, SNO26, 29, 34, 44 (Monodus sp.) 

CCALA (Culture Collection of Autotrophic Organisms) http://www.butbn.cas.cz/ccala/index.php 

CCALA 825 to 826; 828 (M. guttula); CCALA 830  (M. subterraneus); CCALA 827 (Monodus sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 733 (M. subterraneus) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 256 of 258 

CPCC (Canadian Phycological Culture Centre) (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 116 (M. subterraneus) 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 819 (M. subterraneus) 

Nannochloropsis sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP  849/5  (N.  gaditana);  CCAP  849/10  (N. oceanica);  CCAP  849/1,  849/7  (N.  oculata);  CCAP 849/3, 849/4, 849/6 (N. salina); CCAP 211/78, 849/8, 849/9 (Nannochloropsis sp.) 

SAG  (Sammlung  von  Algenkulturen  der  Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  2.99  (N.  gaditana);  SAG  18.99  (N.  limnetica); SAG 38.85 (N. oculata); SAG 40.85 (N. salina) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  

CCMP  526  to  527,  532,  536,  1775  (N.  gaditana); CCMP 529, 534  to 535, 1662  (N. granulata); CCMP 505, 2260, 2267, 2271 to 2272, 2392  (N.  limnetica); CCMP 525, 2195 (N. oculata); CCMP 369, 537 to 538, 1776  to  1778  (N.  salina);  CCMP  531,  821,  2001 (Nannochloropsis  sp.);  CCMP  1997  (cf. Nannochloropsis) 

UTEX  (The Culture Collection of Algae at  the University of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

LB 2164 (N. oculata) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 663 (N. oculata); PCC561 (N. salina); PCC 588 to 590 (Nannochloropsis sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l’Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 223 (N. gaditana); AC 227 to 228 (N. oculata); AC 224 (N. salina); AC 225 to 226, 593 (Nannochloropsis sp.) 

CCBA (Culture Collection of Baltic Algae at the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

AA‐0083  (N.  gaditana);  AA‐0105  (Nannochloropsis sp.) 

SCCAP  (Scandinavian  Culture  Collection  of  Algae  & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1281 (N. oculata) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐246,  CS‐702  (N.  oceanica);  CS‐179,  CS‐189,  CS‐192,  CS‐216  (N.  oculata);  CS‐190  to  CS‐191  (N. salina) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 631 (N. oculata) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102713  (N.  granulata);  NBRC  102738  (N. oceanica); NBRC 102719 (N. salina) 

Isochrysis sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 927/1  (I. galbana.); CCAP 927/14  (Isochrysis sp.) 

SAG (Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG  13.92  (I.  galbana);  SAG  927‐2,  927‐3 (Isochrysis sp.) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  

CCMP  462,  1323,  1611  (I.  galbana.);  CCMP  463, 1324 (Isochrysis sp.); CCMP 355, 1244, 1257, 1406, 2164 (cf. Isochrysis) 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 257 of 258 

UTEX  (The  Culture  Collection  of  Algae  at  the  University  of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

LB  987  (I.  galbana);  LB  1292  (Isochrysis  sp.);  LB 2307 (I. aff. galbana) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC8, 553  (I.  aff. galbana); PCC240, 506A‐C, 507, 562 (Isochrysis sp.); PCC352, 401B (cf. Isochrysis) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 102 (I. aff. galbana); AC 34, 101 (I. galbana); AC 18 (I. litoralis); AC 66, 620 (Isochrysis sp.) 

CCBA  (Culture Collection of Baltic Algae at  the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

AA‐0067, AA‐0097 (I. galbana) 

SCCAP (Scandinavian Culture Collection of Algae & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1355 (I. galbana); K‐0633 (Isochrysis sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae) http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm 

CS‐254  (cf.  Isochrysis); CS‐177 (Isochrysis sp. clone T‐ISO) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC 633 (I. galbana); NEPCC 601 (Isochrysis sp.)  

CPCC  (Canadian  Phycological  Culture  Centre)  (formerly known as UTCC) http://www.phycol.ca/cultures 

CPCC 690 (I. galbana) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 102813  (I. galbana); NBRC 102814, 102815, 102941 (Isochrysis sp.) 

Pavlova sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

CCAP (Culture Collection of Algae and Protozoa) http://www.ccap.ac.uk/cultures/cultures.htm 

CCAP 940/1C (P. gyrans); CCAP 931/1, 931/6, 931/7 (P.  lutheri); CCAP 940/2 (P. pinguis); CCAP 940/3 (P. salina) 

SAG  (Sammlung  von  Algenkulturen  der  Universität Göttingen) http://sagdb.uni‐goettingen.de/ 

SAG 926.1 (P. lutheri) 

CCMP  (Provasoli‐Guillard  National  Center  for  Culture  of Marine Phytoplankton) https://ccmp.bigelow.org/node/56  

CCMP 607  to 608, 1279  (P. gyrans); CCMP 1325  (P. lutheri);  CCMP  609  (P.  pinguis);  CCMP  611  to  613, 616 to 617, 619 to 620, 1209, 1228‐ to 1229, 1233 to 1234,  1255  to  1256,  1390,  1394,  1416  to  1417 (Pavlova  sp.); CCMP 317, 459, 583, 614, 618, 1222, 1265 (cf. Pavlova) 

UTEX  (The Culture Collection of Algae at  the University of Texas Austin) http://web.biosci.utexas.edu/utex/Search.aspx 

LB 992 (P. gyrans); LB 1293 (P. lutheri) 

PCC (The Plymouth Culture Collection of Marine Algae) http://www.mba.ac.uk/culturelist.php 

PCC 552  (P. granifera); PCC 93  (P. gyrans); PCC 75, 554  (P.  lutheri); PCC 471  (P. pinguis); PCC 154, 465, 486 (P. salina); PCC 515 (P. virescens); PCC 463, 482, 484 to 485, 487, 600 to 601 (Pavlova sp.) 

ALGOBANK  (la  collection  de  cultures  de  microalgues  de l'Université  de  Caen  Basse‐Normandie)  http://www.unicaen.fr/ufr/ibfa/algobank  

AC 89, 539  (P. granifera); AC 88  (P. noctivaga); AC 19, 696 (P. pinguis); AC 16 (P. virescens); AC 33, 35, 37, 245  to 247, 250  to 252, 538, 699‐701  (Pavlova sp.) 

CCBA (Culture Collection of Baltic Algae at the University of Gdansk) http://ocean.ug.edu.pl/~ccba/ien.php?id=ccba 

AA‐0026, AA‐0104 (P. lutheri) 

SCCAP  (Scandinavian  Culture  Collection  of  Algae  & Protozoa) http://www.sccap.dk/search/ 

K‐1308  to  K‐1310  (P.  gyrans);  K‐0013,  K‐0465 (Pavlova sp.) 

CSIRO (Collection of Living Micro‐algae)  CS‐213 (P. gyrans); CS‐23, CS‐182 (P. lutheri); CS‐286, 

 AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action FP7‐ENERGY‐2009‐1 

AquaFUELs – Taxonomy, Biology and Biotechnology    Page 258 of 258 

http://www.marine.csiro.au/algaedb/default.htm  CS‐375  (P.  pinguis);  CS‐49  (P.  salina);  CS‐50,  CS‐63 (Pavlova sp.) 

NEPCC (North East Pacific Culture Collection) http://botany.ubc.ca/cccm  

NEPCC  438  (P.  gyrans);  NEPCC  2,  5,  274,  634  (P. lutheri) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  102809  to  102810  (P. gyrans); NBRC  102808 (P. lutheri); NBRC 102807 (P. pinguis); NBRC 102727, 102742, 102764, 102773, 102776, 102787, 102848, 102856, 102912 to 102914, 103007 (Pavlova sp.) 

Crypthecodinium cohnii 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC  30021,  30334  to  30348,  30541  to  30542, 30555  to 30557, 30571  to 30572, 30772  to 30775, 30812, 40750, 50050 to 50060, 50297 to 50300 

FACHB (Freshwater Algae Culture Collection) http://www.ctcccas.ac.cn/typecc/danshui/database.html  

FACHB 272 

Schizochytrium sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC  28209  (S.  aggregatum);  MYA‐1381  (S. limacinum); ATCC 20888 to 20889 (Schizochytrium sp.) 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC 102615 to 102617 

Thraustochytrium sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

ATCC (American Type Culture Collection) http://www.lgcstandards‐atcc.org/ 

ATCC  34304  (T.  aureum);  PRA‐210,  211,  307  (T. caudivorum); PRA‐308 (T. pachydermum); ATCC 28210 (T.  roseum);  ATCC  24473  (T.  striatum);  ATCC  18907, 20891  to  20892,  26185,  PRA‐295  to  296 (Thraustochytrium sp.) 

Ulkenia sp. 

COLLECTION + WEBSITE  STRAIN NUMBERS 

Japan ‐ NITE (holding former MBIC strains) http://www.nbrc.nite.go.jp/NBRC2/NBRCDispSearchServlet?lang=en 

NBRC  104106  (U.  amoeboidea);  NRBC  104108  (U. sarkariana); NRBC 102975 (U. minuta)