Ilmastonmuutos, luonnonvarojen ylikulutus ja ravinteiden kiertoon liittyvät haasteet ovat aiheuttaneet viime vuosina yhteiskunnalle suuria kysymyksiä. Näihin pyritään löytämään vastauksia erilaisten kiertotalouden ja resurssiviisaiden ratkaisujen avulla. Erityisesti biologiset ja bioteknologiset innovaatiot voivat tarjota uusia mahdollisuuksia kestävien järjestelmien kehittämiseen. Tästä syystä mikrolevät, mikroskooppisen pienet, yksisoluiset fotosynteettiset eliöt, ovat nousseet kiinnostuksen kohteeksi tutkimus- ja kehittämistyössä. Mikrolevät kiinnostavat erityisesti siksi, että niitä voidaan hyödyntää samanaikaisesti sekä hiilensidonnassa että ravinteiden talteenotossa (ks. esim. Hoque ym., 2025; Viswanathan ym., 2022).
Mikroleviä tarkastellaan tutkimustyössä usein ainoastaan niiden biologisten ominaisuuksien näkökulmasta. Jyväskylän ammattikorkeakoulun ja Jyväskylän yliopiston yhteisessä Hiili haitasta hyödyksi (HiHaCo2) -hankkeessa mikrolevät kytketään mukaan yhtenä osana bioteknistä ratkaisua, jossa yhdistyvät hiilidioksidin talteenotto ja sen ohjaus mikrolevien kasvun hiilenlähteeksi, mikrolevien kasvun optimointi sekä vedyn tuotanto. Yhtenä osana hanketta kehitetään mikroleväkasvatuksen tekoälypohjaista digitaalista kaksosta, joka yhdistää mittausdatan ja mallinnuksen kasvatusolosuhteiden optimointiin ja prosessinhallintaan. Käytännössä tämä tarkoittaa mikrolevien kasvatusolosuhteiden säätelyä ja hallintaa sekä teknisten ratkaisujen kehittämistä siten, että vedyn tuotanto on mahdollista sekä laboratorio-olosuhteissa että suuremmassakin mittakaavassa. Jyväskylän ammattikorkeakoulun rooli hankkeessa liittyy erityisesti prosessin skaalaukseen, mittausympäristön kehittämiseen ja digitaalisen kaksosen kehittämiseen.
Mikrolevien rooli hiilensidonnan välineenä
Mikrolevät ovat yksisoluisia, autotrofisia eliöitä, jotka kykenevät fotosynteesin avulla sitomaan kasvuympäristöönsä liuennutta hiilidioksidia ja muodostamaan siitä auringon valoenergian avulla kemiallisia yhdisteitä, kuten hiilihydraatteja, lipidejä ja proteiineja. Samalla ne tuottavat ilmakehään vapautuvaa happea. Fotosynteesin yhteydessä mikrolevät hyödyntävät anaboliseen aineenvaihduntaansa, elintoimintoihinsa ja jakautumiseensa vedessä olevia ravinteita, kuten typpeä ja fosforia.
Tämä mikrolevien fotosynteettinen kasvu mahdollistaa niiden käytön jätevesien puhdistuksessa ja teollisuuden biopohjaisten sivuvirtojen käsittelyssä, ja samalla ne ovat merkittäviä biologisia hiilinieluja (Frongia ym., 2023). Näiden ominaisuuksien vuoksi mikroleviä voidaan siis tarkastella sekä hiilensidonnan välineenä että resurssitehokkaina ravinteiden talteenottajina osana kiertotalousjärjestelmää (Popa ym., 2025).
HiHaCo2-hankkeessa mikrolevien hiilensidontaa tarkastellaan Jyväskylän yliopistossa laboratorio-olosuhteissa, jossa perehdytään hiilidioksidin talteenottoon kalankasvatusaltaista ja hiilidioksidi ohjataan hallitusti mikrolevien kasvun hiililähteeksi. Mikrolevät hyödyntävät hiilen fotosynteesissä orgaanisten yhdisteiden muodostamiseen, joita tarvitaan aineenvaihduntaan, solujen kasvuun ja jakautumiseen. Näin biologinen hiilensidonta yhdistyy teknisiin ratkaisuihin osana kiertotalousjärjestelmää.
Mikrolevät osana teollista symbioosia
Yksisoluiset mikrolevät lisääntyvät optimaalisissa kasvuolosuhteissa hyvinkin nopeasti mitoottisessa solunjakautumisessa, jolloin emosolu jakautuu geneettisesti identtisiksi tytärsoluiksi (Zachleder ym., 2016). Solupopulaation kasvaessa muodostuvasta solumassasta käytetään nimitystä biomassa. Biomassan biokemiallinen koostumus, esimerkiksi lipidien, proteiinien ja hiilihydraattien molekyylirakenne ja niiden määrälliset suhteet, riippuu kasvatusolosuhteista (Ugwuanyi ym., 2024).
Biomassaa voidaan hyödyntää monin eri tavoin esimerkiksi viljelykasvien lannoitteena, eläinrehujen raaka-aineena ja kalankasvatuksessa kalojen ravintona. Mikrolevien tuottamia molekyylejä puolestaan voidaan käyttää esimerkiksi energian tuotannossa, ravintolisissä ja kosmetiikassa (Ugwuanyi ym., 2024).
Mikrolevien hyödyntäminen mahdollistaa materiaalien uudelleenkäytön ja sivuvirtojen jalostamisen uusiomateriaaleiksi. Näin ne tukevat teollista symbioosia, jossa yhden prosessin jätteet toimivat toisen prosessin raaka-aineina. Tämä edistää suljettuja ainekiertoja, resurssitehokkuutta ja kiertotalouden mukaista arvonluontia (Ugwuanyi ym., 2024).
HiHaCo2-hankkeessa tavoitteena on, että mikroleväbiomassa toimisi hiilidioksidin sitojana, ravinteidenkierron välineenä ja vedyn tuottajana. Lisäksi tavoitteena on, että biomassaa voidaan hyödyntää myös arvokkaiden biotuotteiden lähteenä. Esimerkiksi karotenoidien kaltaisia yhdisteitä voidaan tuottaa suhteellisen pienillä biomassamäärillä, mikä tekee mikroleväprosesseista kiinnostavia myös taloudellisesta näkökulmasta.
Kasvuolosuhteiden vaikutus mikrolevien toimintaan
Kasvuolosuhteet vaikuttavat ratkaisevasti mikrolevien fysiologiseen tilaan, jakautumisnopeuteen ja molekyylien tuotantoon. Valon intensiteetti, ravinteiden saatavuus, lämpötila ja pH vaikuttavat kaikki siihen, kuinka tehokkaasti levät kasvavat ja mitä yhdisteitä ne tuottavat. (Marchese ym., 2025.)
Kasvuolosuhteiden muutokset näkyvät selkeästi myös käytännön työssä. HiHaCO2-hankkeessa on perehdytty eri mikrolevälajien biologiaan ja niiden toinen toisistaan poikkeaviin optimaalisiin kasvatusolosuhteisiin. Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi eri lajeille tyypillisten ravinneliuosten valmistusta, kasvuston seurantaa sekä olosuhdemuutosten vaikutusten arviointia mikrolevien hyvinvointiin ja kasvuun.
Mikrolevien kasvatuksessa on kohdattu myös erilaisia haasteita. Bioreaktoreissa olevat mikroleväkasvustot voivat esimerkiksi muuttua todella tiheäksi, levät voivat sakkaantua tai kasvusto voi näyttää poikkeuksellisen vaalealta. Tällaiset muutokset viittaavat usein siihen, että jokin kasvutekijä ei ole optimaalisella tasolla. Näitä tilanteita pyritään ratkaisemaan arvioimalla, mikä kasvutekijä on muuttunut ja aiheuttaa kyseisen seurauksen. Lisäksi mikrolevän hyvinvointia voidaan analysoida solutasolla tarkastelemalla näytteitä mikroskoopin avulla.
Erityisen kiinnostavaa kiertotalouden näkökulmasta on se, että mikrolevillä on kyky muuttaa aineenvaihduntaansa biologisen vasteen avulla olosuhteiden muuttuessa. Esimerkiksi valon määrä säätelee fotosynteesin tehokkuutta: liian vähäinen valo hidastaa kasvua, kun taas liian voimakas valo voi aiheuttaa fotoinhibitiota ja oksidatiivista valostressiä (Marchese ym., 2025; Sharma ym., 2023). Ravinteiden saatavuus, erityisesti typen ja fosforin pitoisuudet, puolestaan määrittää solujen jakautumisnopeuden ja vaikuttaa solujen proteiinisynteesiin ja nukleiinihappojen aineenvaihdunnan säätelyyn (Popa ym., 2025).
Kasvatusprosessin hallinta edellyttää jatkuvaa havainnointia ja mittauksia. Hankkeessa eri alojen asiantuntijoiden yhteistyönä on valittu ja testattu leväkasvun seurantaan liittyviä mittausantureita. Mittausdatan on tarkoitus auttaa ymmärtämään, miten eri olosuhteet vaikuttavat biomassan muodostumiseen. Käytännön työssä tulee jatkossa yhdistymään biologinen havainnointi ja mittausdata, joiden avulla voidaan tehdä päätelmiä kasvun tilasta ja mahdollisista ongelmakohdista. Ilman riittävän tarkkoja ja luotettavia kasvuolosuhteita kuvaavia mittaustuloksia on vaikea arvioida, mitä kasvatusprosessissa tapahtuu ja minkä vuoksi. Tästä syystä kasvatusprosessin mittauskyvykkyys on hankkeessa tällä hetkellä yksi keskeisimpiä kehityskohteita.
Merkittävät muutokset kasvuympäristössä aktivoivat mikrolevän stressivasteita ja aiheuttavat soluissa metabolisia muutoksia sekä säätelevät tiettyjä geeniekspressioita. Esimerkiksi ravinteiden saatavuuden, valon määrän tai happipitoisuuden vaihtelut vaikuttavat siihen, millaisia yhdisteitä leväsolu näistä muutoksista aiheutuneen stressin vuoksi tuottaa. Tällainen metabolinen joustavuus tekee mikrolevistä erityisen kiinnostavia bioteknologisssa sovelluksissa. (Marchese ym., 2025.)
Olosuhteita säätelemällä mikroleviä voidaan ohjata tietoisesti stressitilaan ja saada ne tuottamaan hiilihydraatteja, lipidejä tai myös kaasumaisia yhdisteitä. Vedyn biologinen tuotanto mikrolevissä tapahtuu anaerobisissa olosuhteissa hydrogenaasi-entsyymien katalysoimana. Tällöin fotosynteesin elektroninsiirtoketjussa syntyvät protonit pelkistyvät molekulaariseksi vedyksi sen sijaan, että ne sitoutuisivat hiilen fiksaatioon. Tämä prosessi on herättänyt kiinnostusta mahdollisena hiilineutraalina energiaratkaisuna.
Vaikka mikrolevien vedyn tuotanto on tutkimuksessa lupaava suunta, käytännön työ HiHaCo2-hankkeessa on vielä keskittynyt kasvatusolosuhteiden optimointiin ja mittausantureiden kehittämiseen. Varsinaisiin vedyn tuotantokokeisiin ei ole vielä siirrytty, mikä kertoo hyvin siitä, kuinka monivaiheinen ja haastava tällaisen bioprosessin kehittäminen on. Ennen vedyn tuotantoa on varmistettava, että mikroleväkasvatus toimii luotettavasti ja hallitusti myös muuttuvissa olosuhteissa.
Tulevaisuuden näkymät ja haasteet
Mikroleviä voidaan kasvattaa avoimissa altaissa tai suljetuissa fotobioreaktoreissa. Suomessa avoimissa altaissa kasvatus on hieman haasteellista, sillä auringonvalon määrä ja lämpötila vaihtelevat voimakkaasti vuodenaikojen mukaan. Suljetut fotobioreaktorit mahdollistavat kasvutekijöiden tarkan kontrolloinnin ja pienentävät kontaminaatioriskiä, koska reaktorin olosuhteita voidaan säädellä hallitusti, mutta niiden käyttöönotto ja käyttö vaatii merkittäviä alkuinvestointeja ja teknistä osaamista. Järjestelmien kehittäminen toimintavarmemmiksi on keskeinen edellytys mikrolevien laajemmalle hyödyntämiselle (Yahaya ym., 2025; Penloglou ym., 2024).
Mikroleväprosessien laajempaan käyttöönottoon liittyy myös skaalaushaasteita. HiHaCo2-hankkeessa skaalauksella tarkoitetaan erityisesti siirtymistä pienistä laboratoriotilavuuksista, millilitroista, kohti muutamien kymmenien litrojen luokkaa. Huomioitavaa siis on, että usein skaalauksen ajatellaan käsittävän teollisen mittakaavan ratkaisujen pilotointia.
Mikroleväprosessin kehittäminen ei siis ole pelkästään biologinen kysymys, vaan vaatii tiivistä yhteistyötä eri alojen asiantuntijoiden välillä. Biologi on mukana tukemassa mittausteknologian kehittämistä yhteistyössä insinöörien kanssa, erityisesti mitta-antureiden mittausalueisiin ja tarkkuuteen liittyvissä kysymyksissä. Lisäksi biologian ja kemian osaajat ovat mukana joidenkin mittausjärjestelmien kalibroinnissa silloin, kun se edellyttää kemiallisten liuosten valmistamista. Mikroleväprosessien kehittäminen on siis luonteeltaan poikkitieteellistä: biologinen ymmärrys ja tekninen toteutus kietoutuvat tiiviisti yhteen.
Tulevaisuudessa on myös olennaista onnistua integroimaan mikrolevät osaksi olemassa olevia tuotanto- ja kiertotalousjärjestelmiä. Erityisen lupaavia ovat ratkaisut, joissa mikroleviä jo hyödynnetään jätevesien käsittelyssä ja teollisuuden biopohjaisissa sivuvirroissa, jolloin ravinteita ja hiilidioksidia voidaan sitoa samanaikaisesti biomassan tuotannon kanssa (Viswanathan ym., 2022).