一種低光照條件下的微藻培養(yǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微藻培養(yǎng)技術(shù)，具體來說是在微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，以葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm為判定標(biāo)準(zhǔn)，以低通氣量下微藻Fv/Fm下降0-10％為閾值，確定最低夜間氧氣通入量，以此降低微藻夜間呼吸作用所產(chǎn)生的生物量損失，促進(jìn)微藻生物質(zhì)的積累。通氣量的降低，一方面降低了通氣的能耗，另一方面提高了生物質(zhì)積累的效率。
【專利說明】一種低光照條件下的微藻培養(yǎng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于一種微藻高效繁殖技術(shù)。

【背景技術(shù)】
:
[0002]藻歸類為自養(yǎng)型微生物，因其細(xì)胞內(nèi)存在光合作用系統(tǒng)PSII也稱為微藻植物。微藻具有高效吸收太陽能、固定CO2產(chǎn)生生物質(zhì)的能力(即光合作用能力)；同時微藻作為微生物的一種，其增殖速度較快(倍增時間約3-5天、最快8小時)。作為單細(xì)胞生物，微藻的主要組成為蛋白、脂肪、碳水化合物和核酸等。微藻油脂含量因藻種而異，一般為20-30%，最高可達(dá)60-70%。微藻作為一種固定溫室氣體CO2生產(chǎn)生物油脂提供生物柴油的原料，已日益受到科技界和工業(yè)界的廣泛重視。
[0003]微藻作為光合生物有機體具有生物量大、生長周期短、易培養(yǎng)以及含有較高的脂類等特點，是CO2減排、制備生物柴油和小分子烴的重要可再生資源。利用微藻制備生物燃料具有四個特點:
[0004](I)太陽能利用效率高、個體小為單細(xì)胞或絲狀體，直徑小于1_。在光反應(yīng)器中可以進(jìn)行高密度、高速率培養(yǎng)。在同樣條件下，微藻細(xì)胞生長倍增時間通常在24h內(nèi)，對數(shù)生長期內(nèi)細(xì)胞物質(zhì)倍增時間可縮短至3.5h。
[0005](2)微藻的油脂含量豐富，某些藻類如葡萄藻的油脂含量可達(dá)干重的80% ；
[0006](3)微藻在水中生長，培養(yǎng)面積小，與傳統(tǒng)油料作物相比占地面積很小并可不占用農(nóng)業(yè)用地，因此藻類生物能源生產(chǎn)不與農(nóng)作物生產(chǎn)爭耕地和與人爭糧。
[0007](4)微藻可利用溫室氣體二氧化碳生產(chǎn)生物能源，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)人與自然和諧社會的建設(shè)。礦物質(zhì)能源消費過程中排放大量的溫室氣體CO2，有毒氣體NO5^P SOx等。我國目前CO2的排放總量僅次于美國，位居世界第二位，隨著中國正式加入《京都議定書》，CO2減排的壓力將越來越大。面對解決我國礦物質(zhì)能源大量消費導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞的重大需求，微藻可固定大量的CO2,同時生產(chǎn)過程污染少。
[0008]微藻的上述應(yīng)用，其核心就是高效的光合固碳。通過分析自然光照(或模擬自然光照周期變化)的培養(yǎng)過程中，在無光照時，微藻需要通過呼吸作用提供生存和生長所需要的能量，這是一個消耗生物質(zhì)同時凈釋放CO2的過程。如在14:10的光暗循環(huán)微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，無光階段15-20%甚至更多的生物質(zhì)由于呼吸作用的消耗而損失。因此，微藻培養(yǎng)光合固碳效率的提高，除了在光照階段需要改善，還需要優(yōu)化無光階段的培養(yǎng)條件，使得整體效率最高。
[0009]微藻培養(yǎng)過程中，為了提高傳質(zhì)效率，大多通過通入空氣進(jìn)行混合，在氣升式和鼓泡式反應(yīng)器中，空氣還是整體循環(huán)的動力來源?？諝獾耐ㄈ胍矠橄到y(tǒng)引入了氧氣，并且大多是過量的氧氣，促進(jìn)了呼吸作用的發(fā)生。如果不通入氧氣，在無光培養(yǎng)階段，細(xì)胞由于缺乏混合動力沉降、暗發(fā)酵積累了大量有害代謝物和缺乏有效的生理準(zhǔn)備導(dǎo)致光照初期的生長停滯增加，將會對光照階段生物量的積累產(chǎn)生負(fù)面影響甚至培養(yǎng)失敗。
[0010]因此，如果可能有效的在無光照階段減少氧氣的通入，并且對細(xì)胞生存、生長無明顯負(fù)面影響，就有可能降低因呼吸作用而產(chǎn)生的生物質(zhì)損耗和CO2的釋放。不過，由于培養(yǎng)系統(tǒng)中微藻生物量、營養(yǎng)供給等條件的動態(tài)變化，如果沒有一個可靠的指標(biāo)，很難確定“無負(fù)面影響”的最低氧氣通入量。
[0011]微藻作為光合自養(yǎng)生物，同植物一樣，其光合系統(tǒng)的生理參數(shù)——葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm是細(xì)胞正常與否指標(biāo)，可以通過該值的變化判斷微藻細(xì)胞是否處于脅迫狀態(tài)以及脅迫的程度[參考文獻(xiàn):YAO C H, Al J N，CAO X P, et al.Enhancing starchproduct1n of a marine green microalga Tetraselmis subcordiformis throughnutrient limitat1n.B1resource Technology，2012，118:438-444.]。
[0012]基于上述分析，本發(fā)明首次提出以微藻細(xì)胞光合系統(tǒng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm為指示，通過降低無光照階段氧氣的通入量，控制呼吸作用處于低水平，而實現(xiàn)生物量消耗與CO2釋放的降低，提高整體培養(yǎng)過程的光能利用效率。同時，通氣量的降低也將降低微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程的能耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]1、在正常光暗循環(huán)的微藻自養(yǎng)培養(yǎng)過程中(如綠藻、金藻、硅藻和螺旋藻)，包括自然光照或人工光照條件下，以葉綠素?zé)晒鈨x對微藻光合系統(tǒng)II的熒光動力學(xué)參數(shù)Fv/Fm進(jìn)行監(jiān)測，調(diào)節(jié)無光照階段的氧氣通入量。根據(jù)不同培養(yǎng)工藝，通入氣體指的是空氣，或者氧氣體積含量為21 %的氮氣、氧氣混合氣。使用空氣，降低氧氣通入量可以直接通過降低向培養(yǎng)體系通入空氣的量實現(xiàn)；使用氮氧混合氣，降低氧氣通入量可以通過降低向培養(yǎng)體系通入混合氣的量或者降低混合氣中氧氣的比例實現(xiàn)。
[0014]2、針對不同微藻，以光照條件下的？/?111為基準(zhǔn)，以5-10%為閾值，即當(dāng)降低通氧量后藻細(xì)胞的Fv/Fm較正常通氣情況下降5-10%為標(biāo)準(zhǔn)，確定所需的最低氧氣通入量。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0016](I)以葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm為指標(biāo)，對調(diào)控參數(shù)進(jìn)行有效可靠的確定和優(yōu)化；
[0017](2)通過降低無光照階段通氣(氧)量，部分抑制微藻呼吸作用，減少了因呼吸導(dǎo)致的生物量損失和額外的CO2釋放；
[0018](3)在提高生物量生產(chǎn)效率的同時，降低了無光照階段通氣的能耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1、典型的光暗變化培養(yǎng)條件下，微藻生物質(zhì)的變化規(guī)律。
[0020]發(fā)明原理:
[0021]葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm是表征光合系統(tǒng)II的本征能力的一個參數(shù)，能夠用來描述微藻細(xì)胞所受脅迫的程度。降低氧濃度，將不利于微藻細(xì)胞的有氧呼吸，會對藻細(xì)胞產(chǎn)生一定的脅迫；為了獲得更高的生產(chǎn)效率，需要藻細(xì)胞能夠為光照階段生長做好準(zhǔn)備，即在無光照階段保持必要的生理活性，正可以利用Fv/Fm對微藻脅迫程度的表征實現(xiàn)二者的平衡。
實施例:
[0022]實施例1、
[0023]在標(biāo)準(zhǔn)3x F/2培養(yǎng)基條件下，500mL管式光生物反應(yīng)器中按照14:10光暗比對湛江等鞭金藻進(jìn)行培養(yǎng)，其中正常光照階段通入100mL/min的含有體積比2% CO2的空氣，在無光照階段，通入同流速的空氣(不額外補充CO2)。測定不同時間點時生物量(干重，毫克/毫升)，結(jié)果見圖1。結(jié)果表明，在低光照階段結(jié)束點，培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)總生物量相對高光照結(jié)束點的生物量下降15-20%，也就是低光照階段的呼吸作用等導(dǎo)致了 15-20%生物量的損失。
[0024]實施例2、
[0025]按照實施例1所述培養(yǎng)條件，無光照段空氣通入量分別調(diào)整為正常水平的50%(50mL/min)和20% (20mL/min)，測定無光照段開始和結(jié)束點時Fv/Fm的變化比例，相比正常水平，50%和20%組分別下降1.0%和7.5%，確定20%的通氣量為最低通氣量。
[0026]因此，以無光照段通氣量調(diào)整為正常水平的20% (20mL/min)，測定無光照段開始和結(jié)束點時生物量的變化比例。結(jié)果表明，低通氣量生物質(zhì)含量0.423g/L，較對照的正常通氣組的0.389g/L高約8.7%，降低了生物質(zhì)的損失。
【權(quán)利要求】
1.一種低光照條件下的微藻培養(yǎng)方法,其特征在于: 于低光照條件下，通過降低向培養(yǎng)體系中通入氧氣的量，在維持細(xì)胞正常生理活性前提下，抑制微藻因呼吸作用產(chǎn)生的生物量損失，促進(jìn)微藻生物質(zhì)的積累。
2.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于: 所述低光照條件為微藻培養(yǎng)體系的輸入光強小于等于10 μ MnT2S'
3.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于: 所述通入氣體指的是空氣，或者氧氣體積含量為21%的氮氣、氧氣混合氣； 使用空氣，降低氧氣通入量可以直接通過降低向培養(yǎng)體系通入空氣的量實現(xiàn)；使用氮氧混合氣，降低氧氣通入量可以通過降低向培養(yǎng)體系通入混合氣的量或者降低混合氣中氧氣的比例實現(xiàn)。
4.按照權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于: 所述在維持細(xì)胞正常生理活性前提下是指，利用表征微藻光合系統(tǒng)二活性的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm為判定標(biāo)準(zhǔn)；以低光照條件下，向培養(yǎng)體系中通入正常量的氧氣時的參數(shù)^/^值為基準(zhǔn)，逐漸降低向培養(yǎng)體系中通入氧氣的量，以微藻Fv/^相對下降5-10%為閾值，即參數(shù)^/^值降低至基準(zhǔn)的90-95%時，確定為所需的氧氣通入量。
5.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于:所述微藻指的是能夠進(jìn)行自養(yǎng)培養(yǎng)的綠藻、金藻、硅藻或螺旋藻。
【文檔編號】C12N1/12GK104328074SQ201410610407
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】薛松, 曹旭鵬, 褚亞東, 陸洪斌 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所