張 帆, 韓笑天, 李巋然, 冀曉青

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院, 山東 青島, 266003; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實驗室, 山東 青島, 266071)

微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)及應(yīng)用研究

Heterotrophic culture of microalgae and application

張 帆1,2, 韓笑天2, 李巋然1, 冀曉青2

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院, 山東 青島, 266003; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實驗室, 山東 青島, 266071)

微藻(microalgae)是一大類微觀的以個體、鏈狀或群體形式存在的單細(xì)胞藻類, 大小從幾微米到幾百微米不等。微藻種類繁多, 據(jù)估計大約有200 000～800 000種, 其中已有記錄的有35 000多種[1]。自20世紀(jì)60年代起, 日本首先開始進(jìn)行商業(yè)化大規(guī)模的微藻培養(yǎng)[2], 至今人們已經(jīng)能夠在保健食品、醫(yī)藥原料、美容、飼料等多種領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)微藻的商業(yè)化生產(chǎn)[3]。目前, 微藻的大規(guī)模商業(yè)化培養(yǎng)主要限于在光生物反應(yīng)器中進(jìn)行, 具有占地面積大、生產(chǎn)周期長、藻類生長密度較低等缺陷, 變相增加了生產(chǎn)的成本, 限制了微藻培養(yǎng)的發(fā)展。尋找一種高密度、低成本培養(yǎng)微藻的方法, 對微藻培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展極為重要。

1953年, Lewin等[4]首先發(fā)現(xiàn)了一些藻類能利用有機(jī)物作為唯一碳源和能源進(jìn)行異養(yǎng)生長, 由此拉開了微藻異養(yǎng)培養(yǎng)研究的序幕。利用工業(yè)發(fā)酵方法異養(yǎng)培養(yǎng)微藻, 可以節(jié)省空間, 提高產(chǎn)量, 避免雜藻和細(xì)菌的污染, 且培養(yǎng)條件容易控制, 是微藻大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢, 國內(nèi)外對此的研究也越來越多。

1 微藻的異養(yǎng)方式和機(jī)理

(Anabaena variabilisATCC29413)[7]等也可以進(jìn)行化能異養(yǎng)生長。

(2)光異養(yǎng)生長(Photoheterotrophy)是在光照強(qiáng)度不足以支持光合自養(yǎng)生長的低光照下, 利用有機(jī)碳進(jìn)行異養(yǎng)生長。例如, 微芒藻(Micratinium pusillum)能夠在 8 μmol/(m2·s)的光照條件下, 利用乙酸鈉作為碳源進(jìn)行異養(yǎng)生長[8]。另一種途徑是在含有機(jī)碳源的培養(yǎng)基中加入一定濃度的二氯苯基二甲基脲(dichlorophenyl dimethylures, DCMU), 此時細(xì)胞光系統(tǒng)Ⅱ的活性被抑制, 光和自養(yǎng)生長不再進(jìn)行, 但光系統(tǒng)I仍在起作用, 細(xì)胞仍可通過環(huán)式磷酸化進(jìn)行ATP的合成, 進(jìn)行異養(yǎng)生長。如隱球藻(Aphanocapsasp.)在濃度為10-5mol/L 的DCMU中, 弱光照條件下培養(yǎng), 可以進(jìn)行異養(yǎng)生長[9]。

(3)光激活異養(yǎng)生長(Light-activated heterotrophic growth, LAHG)是對藻細(xì)胞每天施以不足以支持其光合自養(yǎng)生長的脈沖式短暫光照, 此時的光并沒有被當(dāng)做能源利用, 而是起到一種調(diào)控作用。如集胞藻(Synechocystissp., PCC6803)在每天5～10 min 40μmol/(m2·s)的光照條件下, 能夠利用葡萄糖進(jìn)行異養(yǎng)生長。此時光作為一種環(huán)境信號在代謝或基因水平上調(diào)控著集胞藻的異養(yǎng)代謝和細(xì)胞分裂, 而其異養(yǎng)生長的碳源及能源仍然來源于有機(jī)物[10]。

1.1 微藻的異養(yǎng)生長方式

異養(yǎng)是利用有機(jī)碳源作為碳源和能源, 進(jìn)行的需氧發(fā)酵生長。微藻的異養(yǎng)方式主要可以分為3類[5]：(1)化能異養(yǎng)生長(chemoheterotrophy) 是在完全黑暗條件下利用有機(jī)碳進(jìn)行異養(yǎng)生長。例如, 寇氏隱甲藻(Crypthecodinium cohnii)是一種海洋異養(yǎng)型微藻,

培養(yǎng)過程中不需要光照, 細(xì)胞可利用培養(yǎng)基中的有機(jī)物質(zhì)來進(jìn)行細(xì)胞的生長和分裂[6]。異形魚腥藻

1.2 限制微藻異養(yǎng)生長的機(jī)理

不是所有微藻都可以進(jìn)行異養(yǎng)生長。導(dǎo)致微藻不能利用有機(jī)碳進(jìn)行異養(yǎng)生長的原因可能有多種,不同微藻之間其異養(yǎng)機(jī)理也有所差異。目前關(guān)于微藻的異養(yǎng)生長機(jī)理的研究還不夠深入。Lewin[4]最早提出雖然一種藻類可能會擁有代謝某些有機(jī)物的能力, 但所產(chǎn)生的能量和中間產(chǎn)物并不一定是生長所必需的。Gladue[11]針對某些微藻不能異養(yǎng)生長總結(jié)了3種假說。Kelly[12], Rittenberg[13]等對限制微藻異養(yǎng)生長的原因也分別提出了假說。這些假說主要包括以下方面：

(1) 缺乏合適的利用有機(jī)碳的機(jī)制

通透性障礙：細(xì)胞膜的通透性可以影響有機(jī)碳的吸收。小分子可以通過直接擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞, 但大部分可以作為有異養(yǎng)生長碳源的有機(jī)碳分子比較大,需要一定的攝入機(jī)制才能進(jìn)入所培養(yǎng)微藻的細(xì)胞內(nèi)部。一些藻類缺乏吸收某些有機(jī)碳的機(jī)制, 必然導(dǎo)致其無法利用相應(yīng)的有機(jī)碳[14]?？梢酝ㄟ^選取合適的碳源或者人為改變微藻對特定碳源的吸收能力來解決這一問題。例如, 三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)是一種只能進(jìn)行自養(yǎng)培養(yǎng)的微藻, 將一種能編碼葡萄糖傳遞蛋白的基因引入到該微藻后, 即實現(xiàn)了三角褐指藻的異養(yǎng)培養(yǎng)[15]。

相關(guān)酶的缺乏：與有機(jī)碳分解相關(guān)的酶系統(tǒng)可以影響有機(jī)碳的利用。一些微藻不能進(jìn)行異養(yǎng)生長的原因即在于缺乏利用某些有機(jī)碳的酶, 不能分解來合成自身物質(zhì)[14]。例如, 在硫桿菌的培養(yǎng)中, 由于一些關(guān)鍵酶不能利用, 導(dǎo)致三羧酸循環(huán)不完整, 使其不能進(jìn)行異養(yǎng)生長[16]。微藻利用有機(jī)碳的相關(guān)酶類可以是自身固有或者是經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的。缺乏針對利用某一種有機(jī)碳的酶類, 并不說明該微藻就不能進(jìn)行異養(yǎng)生長, 還可以嘗試用其他的有機(jī)碳源進(jìn)行培養(yǎng)。

(2)利用有機(jī)碳產(chǎn)能及中間產(chǎn)物的影響

限制性呼吸能力：微藻生長的能量來自于呼吸作用分解自身儲藏物所產(chǎn)生的能。但是, 在異養(yǎng)條件下, 某些藻類的有機(jī)底物氧化與ATP合成不偶聯(lián)[17],呼吸所產(chǎn)的能量不足以維持其基本的生理功能及生長需要, 無法持續(xù)地從外界獲取有機(jī)物質(zhì), 導(dǎo)致異養(yǎng)生長不能繼續(xù)。

代謝產(chǎn)物的影響：有機(jī)碳代謝的產(chǎn)物可以通過多種途徑對微藻的異養(yǎng)生長產(chǎn)生影響。某些代謝產(chǎn)物可以通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控影響與其代謝相關(guān)的酶活性,從而影響自身的代謝。在代謝過程中, 也可能會產(chǎn)生有毒的物質(zhì), 抑制了微藻的生長, 如某些藍(lán)藻在利用甘油進(jìn)行異養(yǎng)生長的過程中, 會產(chǎn)生致死劑量的甲基乙二醛(methyl glyoxal), 因此無法進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)[18]。

2 可異養(yǎng)微藻種類

Lewin[4]早在1953年即對42株無菌培養(yǎng)的硅藻進(jìn)行篩選, 并確定有4種13個株系可以進(jìn)行異養(yǎng)生長。Gladue等[19]對可作為水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料的部分微藻進(jìn)行了異養(yǎng)篩選。此外, Van Baalen[20], Mannan等[7]也報道了藍(lán)藻中一些可以進(jìn)行異養(yǎng)生長的種類。至今為止, 已經(jīng)有多個門類幾十種微藻被篩選出來,部分種類如小球藻(Chlorella protothecoides)[21]已經(jīng)得到較為深入的研究并達(dá)到較高產(chǎn)量。表1總結(jié)了一些可以進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)的藻種。

3 影響微藻異養(yǎng)生長及產(chǎn)物的因素

3.1 營養(yǎng)條件對異養(yǎng)生長及產(chǎn)物的影響

碳源是微藻異養(yǎng)生長最為重要的影響因素, 是微藻細(xì)胞的能量來源和主要組成部分。選擇合適的碳源, 對能否進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)及培養(yǎng)產(chǎn)量和產(chǎn)物組成起著極為關(guān)鍵的作用。不同藻類對碳源的需求不同,目前應(yīng)用最廣泛的碳源為葡萄糖, 新的更加經(jīng)濟(jì)的碳源的研究也在不斷進(jìn)行中。劉世名等[39]使用 6種不同的碳源異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻, 加入葡萄糖的一組在前期和中期生長速率最高, 加入果糖的一組在后期略高于葡萄糖。采用玉米淀粉經(jīng)雙酶法制得的酶解糖異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(Chlorella vulgaris), 平均生物量可達(dá) 46.8 g/L, 大大超過葡萄糖作為碳源時的產(chǎn)量[40]。最新研究表明, 酶解的甜高粱漿可以作為碳源異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C. protothecoides), 其細(xì)胞干質(zhì)量與含油量可分別達(dá)到 5.1g/L和 52.5%, 細(xì)胞干質(zhì)量比同等條件下使用葡萄糖作為碳源高出35.7%[41]。

氮是微藻生長必需的另一基本營養(yǎng)元素, 可分為單一氮源和復(fù)合氮源兩大類。單一氮源包括硝酸鹽和尿素等, 可以支持部分種類微藻的生長與所需產(chǎn)物合成。復(fù)雜氮源包括酵母浸出粉、蛋白胨、玉米漿等, 可以支持大部分微藻的異養(yǎng)生長。通常復(fù)雜氮源比單一氮源更有利于微藻的異養(yǎng)生長, 因為復(fù)雜氮源同時提供氨基酸、維生素、生長因子等。用低氮濃度的培養(yǎng)基培養(yǎng), 可以使微藻內(nèi)脂質(zhì)含量增加[42], 然而, 盡管隨硝酸鹽濃度的增加, 微藻中脂肪酸含量呈下降趨勢, 但總生物量上升, 使得單位水體內(nèi)的脂肪酸含量還是上升的[43]。

表1 可異養(yǎng)藻種

海洋浮游生物的C、N、P具有一個特定的組成,即Redfield比率, 其值為106C：16N：1P, 這一比率受到海洋浮游植物和海洋環(huán)境相互作用的調(diào)節(jié)[44]。C/N可以通過控制蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的轉(zhuǎn)換影響細(xì)胞內(nèi)脂類的含量[45]。Chen等[46]發(fā)現(xiàn), 在異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C.sorokiniana)的實驗中, C/N比在20左右時為氮限制和碳限制的轉(zhuǎn)換點(diǎn), 在此點(diǎn)培養(yǎng)時, 細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量達(dá)到最小值, 高于或低于此值, 細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量均增加。張麗君等[47]異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C. vulgaris)的最優(yōu)C/N為4～5, 在此條件下培養(yǎng), 其蛋白質(zhì)含量可達(dá)30%, 葉綠素含量為1.2%。

磷是核酸和細(xì)胞膜的重要組分, 在細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換中起到重要作用。培養(yǎng)基中的磷源一般以正磷酸鹽的形式存在。微藻細(xì)胞中的PUFAs主要是以極性脂肪酸(如磷脂)的形式存在, 因此其含量受磷含量的影響顯著[48]。磷對微藻生物量和產(chǎn)物的影響在不同藻類之間變化。在磷不足的情況下, 異養(yǎng)培養(yǎng)雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis), 其生物量為3.5 g/L,蝦青素(astaxanthin)的產(chǎn)量15 mg/g, 均達(dá)到較高的水平[49]。對于三角褐指藻, 培養(yǎng)基中磷酸鹽質(zhì)量濃度大于0.5 g/L時, 即不能生長; 0.05～0.5g/L范圍內(nèi),對生物量影響不大; 0.1～0.5g/L范圍內(nèi), 其EPA 達(dá)到最佳水平[50]。

硅是硅藻生長所需的重要元素。硅藻的細(xì)胞壁主要由硅質(zhì)元素沉積構(gòu)成。某些海洋硅藻的油脂含量會隨著培養(yǎng)基中硅鹽的減少而呈增加趨勢[51]。同樣, 當(dāng)硅成為限制因子時, 菱形藻(Nitzschia laevis)中EPA 的含量也會增加[42]。出現(xiàn)此類現(xiàn)象是由于在硅限制的培養(yǎng)中, 硅藻細(xì)胞更傾向于改變新陳代謝,將之前消耗于硅鹽的能量轉(zhuǎn)化成油脂儲存[52]。

金屬離子、維生素和其他生長因子對微藻的異養(yǎng)生長也有一定的影響作用。在一定濃度范圍內(nèi), 隨硒濃度的增加, 異養(yǎng)小球藻(C. vulgaris)的生物量、蛋白質(zhì)、葉綠素a和類胡蘿卜素含量均呈上升趨勢,至20 mg/L時達(dá)到最大值, 隨后開始下降, 而可溶性糖、維生素C、葉綠素b的含量均呈顯著下降趨勢。當(dāng)用超過25 mg/L的硒濃度去處理異養(yǎng)小球藻時,各生理指標(biāo)均表現(xiàn)為大幅度降低[53]。質(zhì)量濃度0.1～100 mg/L的 La(NO3)3均能促進(jìn)小球藻(C. vulgaris)的異養(yǎng)生長, 在10 mg/L時達(dá)到最大值, La3+還能促進(jìn)其對葡萄糖的吸收, 提高其葉綠素含量[54]。當(dāng)小球藻(C.vulgaris)到達(dá)指數(shù)生長后期時, 向培養(yǎng)基中補(bǔ)加Fe3+,可延長指數(shù)生長期, 提高細(xì)胞終密度。高濃度的鐵對小球藻的生長有輕微的抑制作用, 但卻顯著地促進(jìn)其油脂的積累[55]。當(dāng)VB12的加量為10-5g/L時, 寇氏隱甲藻(C. cohnnii)生物量及細(xì)胞油脂產(chǎn)量均達(dá)到最大, 再增加VB12濃度時, 所受影響不大。而隨著生物素添加量的增大, 隱甲藻生物量增大, 但當(dāng)生物素添加量大于 10-4g/L時, 其生物量下降; 當(dāng)生物素添加量為 10-4g/L時, 隱甲藻油脂的產(chǎn)量達(dá)到最大[6]。植物生長物質(zhì) PP333, 能抑制異養(yǎng)小球藻生長的同時顯著提高其蛋白質(zhì)含量[56]。植物生長抑制劑(+)ABA及與其相似的免疫球蛋白anti-ABBP Pabs可以促進(jìn)小球藻的異養(yǎng)生長, 同時藻體總蛋白含量降低[57]。

3.2 環(huán)境因子對異養(yǎng)生長及產(chǎn)物的影響

溫度是控制微藻生長速度及產(chǎn)物組成的重要環(huán)境因子。Payer等[58]的調(diào)查顯示, 在所調(diào)查的 34種藻中, 有些能在很大溫度范圍內(nèi)生長, 有些只在特定溫度生長。Miao等[59]在28℃±1℃異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C. protothecoides)生產(chǎn)生物柴油, 得到較高的產(chǎn)量。通常, 低溫會抑制微藻生物量的增加, 但可以促進(jìn)微藻中一些物質(zhì)如脂類、多不飽和脂肪酸(PUFAs)、類胡蘿卜素等的積累。但并不是所有藻類在這二者上都不一致, 淡色紫球藻(Porphyridium purpureum)即在同一溫度獲得較高生物量和EPA含量[60]。因此,對于不同的藻及所需產(chǎn)物, 需要確定不同的培養(yǎng)溫度。對于高溫生長, 低溫累積所需產(chǎn)物的藻類, 可以采取變溫的培養(yǎng)方式, 以達(dá)到提高產(chǎn)率的目的[61]。

鹽度可以影響到微藻的生理特性, 調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓。NaCl會不同程度地抑制小球藻(C.vulgaris)的生長, 且濃度越高, 抑制越明顯。在濃度為0.1～0.4mol/L的NaCl培養(yǎng)基中, 藻細(xì)胞的生物量減少量不大, 但是脂肪酸含量比未添加NaCl的有了明顯的提高, 當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為0.3 mol/L時得到最高脂肪酸總產(chǎn)量 1.04 g/L[62]?？苁想[甲藻(C.cohnnii)在 NaCl濃度 0.2%～2.3%的范圍內(nèi), 隨著NaCl濃度的增大, 其最終的細(xì)胞生物量增大, 但在大于0.9%之后增幅不明顯, 細(xì)胞中的油脂含量升高,在大于1.8%后趨于平穩(wěn), 油脂中DHA含量先增后減,在0.9%時達(dá)到最高[6]。

pH在呼吸作用中影響微藻對有機(jī)碳源的利用效率, 并影響培養(yǎng)基中微藻細(xì)胞對離子的吸收和利用,以及代謝產(chǎn)物的再利用和毒性[63]。不同微藻最適pH不同, 有些微藻在培養(yǎng)過程中可以將一定范圍的 pH調(diào)整到自己的最適值, 如小球藻(C. vulgaris)在初始pH為5.0～9.0時, 穩(wěn)定期pH與生物量差別不大, 低pH時, 脂肪酸總量較大[62]。pH6～7之間, 是其取得高生長率和脂類產(chǎn)率的最適區(qū)間[39,47]。

溶氧濃度過低, 微藻的生長受到抑制。在小球藻(C. vulgaris)的發(fā)酵培養(yǎng)中, 通氣量為 8vvm以上時,微藻生物量得到顯著提高[40]。溶氧還能影響異養(yǎng)微藻產(chǎn)物及其組成。異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C. sorokiniana)時, 通氣可以明顯增加微藻的生長、脂肪酸含量及不飽和脂肪酸的比例, 但細(xì)胞的總油脂含量降低[46]。而對于隱甲藻來說, 增加溶氧量可以使其細(xì)胞生長、油脂和DHA積累均呈上升趨勢[6]。

4 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的應(yīng)用

4.1 生物柴油

隨著人類對能源日益增加的需求和化石能源的短缺, 尋找一種能替代化石燃料的可再生能源已經(jīng)成為全人類的共同課題。生物柴油即是一種較為理想的可再生清潔能源。微藻油脂的主要成分為甘油三酸酯, 是制備生物柴油理想原料。目前微藻生物柴油已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn), 相比較由含油作物及動物脂肪中提取的生物柴油, 利用高效微藻生產(chǎn)的第二代生物柴油具有不可比擬的優(yōu)勢：周期短,占地少, 可以利用海水及工業(yè)廢水, 全年均可生產(chǎn)。Miao等[21]提出從培養(yǎng)到提純的一系列方法, 說明從異養(yǎng)微藻中提取高品質(zhì)生物柴油是切實可行的。許多研究也表明異養(yǎng)培養(yǎng)可以增加微藻產(chǎn)量及含油量,如小球藻(C. protothecoides)、寇氏隱甲藻(Crypthecodinium cohnni)在異養(yǎng)條件下, 其細(xì)胞干質(zhì)量與含油量均有一定程度的上升[41,6]。Chisti[64]認(rèn)為, 基于環(huán)境、油脂質(zhì)量、可能產(chǎn)量等多方面因素,一旦成本降低, 微藻生物柴油可能會成為唯一能滿足全球運(yùn)輸需要的可再生能源。異養(yǎng)培養(yǎng)微藻可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量及油脂含量, 與自養(yǎng)培養(yǎng)相結(jié)合,在控制和降低成本的前提下, 可以促進(jìn)微藻生物柴油的發(fā)展。

4.2 高附加值產(chǎn)物

多不飽和脂肪酸(PUFAs)對人體機(jī)能的調(diào)控起著重要的作用, 同時可以防治多種疾病。人體本身缺乏合成PUFAs 的酶, 只能從外界攝取PUFAs。EPA和DHA是兩種重要的PUFAs, 研究表明, 利用不同微藻可以分別生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定, 純度較高的EPA和DHA,在合適的異養(yǎng)條件下, 其產(chǎn)率也有所提升[65-66]。

類胡蘿卜素是一類天然的脂溶性色素, 可以淬滅單線態(tài)氧, 清除自由基, 在防治癌癥和免疫調(diào)節(jié)方面也有很高的活性[67]。蝦青素和葉黃素兩類重要的類胡蘿卜素, 在國際市場上價格高昂, 開發(fā)前景廣闊。異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻(C. zofingiensis),蝦青素產(chǎn)量可以達(dá)到12.6 mg/L; 而對于小球藻(C. pyrenoidosa)的異養(yǎng)化高密度培養(yǎng), 可以使葉黃素實現(xiàn) 249.4mg/L的產(chǎn)量和1.65mg/L/h的產(chǎn)率[68]。

4.3 餌料及飼料添加劑

微藻中含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、色素、多不飽和脂肪酸等, 營養(yǎng)全面, 是水產(chǎn)及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的理想原料。微藻可以作為水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動物的餌料, 具有人工餌料不具備的在水體中的良好分散性和保型性。由于微藻中色素含量豐富, 還被用作大馬哈魚培養(yǎng)中的天然食品著色劑[69]。微藻用作動物養(yǎng)殖的飼料添加劑, 可以顯著改善養(yǎng)殖動物的生理特點(diǎn)和外觀[70], 如增強(qiáng)免疫力、增加體重、使皮毛更為健康有光澤等。早在20世紀(jì)50年代, 就有使用小球藻飼養(yǎng)幼小禽類的報道[71]。限制微藻在動物養(yǎng)殖方面應(yīng)用的, 主要是其較低的產(chǎn)量和偏高的價格, 異養(yǎng)培養(yǎng)為解決這一問題提供了可能的方向。

4.4 其他應(yīng)用

微藻可以作為生物反應(yīng)器, 經(jīng)過基因工程的改造后生產(chǎn)人們需要的特定高分子產(chǎn)物。利用真核微藻作為反應(yīng)器, 可以直接獲得有活性的蛋白, 而且其培養(yǎng)體系比動物細(xì)胞更為廉價和抗污染[72]。某些可食用微藻作為反應(yīng)器, 還為獲得蛋白的利用方式提供了一種新思路。通過異養(yǎng)方式培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因微藻,將使微藻作為生物反應(yīng)器的前景更加明朗。

Aslan等[73]的研究表明, 小球藻(C. vulgaris)可以有效去除廢水中的氮和磷。在異養(yǎng)培養(yǎng)微藻時, 可以加入一定比例的廢水作為微藻的氮源和磷源, 可以在降低成本的同時, 達(dá)到減少環(huán)境污染的目的。微藻中含有促進(jìn)皮膚緊致和皮膚細(xì)胞增殖的活性物質(zhì),可以用于化妝品的開發(fā)制造; 一些種類的微藻如小椿藻(Characium polymorphum), 綠球藻(Chlorococcum oleofacens)的油脂成分與植物油類似, 可以替代由于耕地減少等原因價格不斷上漲的植物油供人們食用[74]。

5 總結(jié)與展望

關(guān)于微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的研究方興未艾。相比傳統(tǒng)培養(yǎng), 異養(yǎng)培養(yǎng)不再受光的限制, 為微藻的大規(guī)模高密度培養(yǎng)提供了可能性。迄今為止, 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在機(jī)理假說、異養(yǎng)藻種篩選、培養(yǎng)條件優(yōu)化、產(chǎn)物應(yīng)用等諸多方面進(jìn)行了大量研究工作。然而, 由于異養(yǎng)研究相對起步較晚, 各方面還不夠成熟, 目前仍然還有很多方向亟待探索：

(1)關(guān)于異養(yǎng)機(jī)理包括碳源的吸收利用、異養(yǎng)的調(diào)控機(jī)制等的進(jìn)一步研究。目前微藻的異養(yǎng)機(jī)理仍不明確, 對機(jī)理的進(jìn)一步研究有助于理解微藻的異養(yǎng)模式, 為異養(yǎng)藻種的篩選和培養(yǎng)條件的優(yōu)化選擇提供理論依據(jù)。

(2)可異養(yǎng)培養(yǎng)藻種的篩選馴化。可以利用的微藻種類眾多, 但目前只有一小部分種類可以進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)?？梢酝ㄟ^擴(kuò)大篩選規(guī)模、改變培養(yǎng)條件、誘變和基因重組等方法獲得更多可異養(yǎng)藻株。

(3)降低異養(yǎng)培養(yǎng)的成本。偏高的成本是工業(yè)化培養(yǎng)進(jìn)展緩慢的一大原因, 可以通過適當(dāng)改變培養(yǎng)方法降低成本。如在含有機(jī)碳的廢水中異養(yǎng)培養(yǎng)微藻, 或者吸收含有 CO2的廢氣結(jié)合適當(dāng)?shù)募骛B(yǎng)培養(yǎng),既能降低成本, 對環(huán)境治理也有重要意義。

(4)活性產(chǎn)物的開發(fā)利用。相比自養(yǎng)、異養(yǎng)培養(yǎng)條件下, 微藻的產(chǎn)物及相同產(chǎn)物的產(chǎn)量會有所變化。也可通過基因工程或改變培養(yǎng)條件, 人為促進(jìn)所需產(chǎn)物的累積。

異養(yǎng)培養(yǎng)的探索與開發(fā), 將促使微藻在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用?？梢灶A(yù)見, 隨著理論研究的不斷深入和培養(yǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展完善, 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的發(fā)展空間將會進(jìn)一步增加, 為人們應(yīng)對能源、環(huán)境、糧食等全球問題提供新的解決思路。

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Q175 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)01-0117-08

2011-06-10;

2011-09-12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2011CB200901); 國家自然科學(xué)基金項目(30870247); 山東省科技發(fā)展計劃項目(2011GGF01074) ; 海洋公益性行業(yè)科研專項(200805039)

張帆(1984-), 女, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海洋微藻的研究, E-mail：13658696600@163.com; 通信作者, 韓笑天,副研究員, E-mail：xthan@qdio.ac.cn

張培新)