張志忍，王成成，王為國，汪鐵林，王存文

武漢工程大學化工與制藥學院，湖北武漢430074

模擬微重力環(huán)境及普通環(huán)境下小球藻的培養(yǎng)

張志忍，王成成，王為國，汪鐵林*，王存文

武漢工程大學化工與制藥學院，湖北武漢430074

利用旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)模擬微重力場，考察模擬微重力場及添加不同質(zhì)量密度葡萄糖對小球藻（Chlorella sp.）生長情況的影響.研究結(jié)果表明，以BG-11為基礎培養(yǎng)基，模擬微重力環(huán)境對小球藻生長有明顯促進作用.當小球藻細胞接種密度為1.42×107個/毫升，培養(yǎng)時間為12 d時，普通環(huán)境下培養(yǎng)的小球藻最高細胞密度僅為5.80×107個/毫升，而在相同培養(yǎng)條件下模擬微重力環(huán)境下生長的小球藻細胞密度達到1.58×108個/毫升.在培養(yǎng)基中添加葡萄糖作為額外碳源后，微藻生長周期顯著縮短，適宜小球藻生長的葡萄糖質(zhì)量密度為10 g/L.當添加10 g/L葡萄糖，小球藻接種密度為5.76×107個/毫升，培養(yǎng)時間為5 d時，普通環(huán)境和模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)的小球藻的最高細胞密度分別可達3.85×108個/毫升和5.42×108個/毫升.

模擬微重力；小球藻；葡萄糖

1 引言

由于對傳統(tǒng)化石能源的過分依賴，能源安全和氣候變化已成為當今人類社會所關注的兩大熱點問題［1-2］.推行低碳經(jīng)濟已成為全球共識，生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已成為“后石油時代”世界能源發(fā)展戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變的方向.微藻生物質(zhì)與其他陸生生物質(zhì)相比，由于具有光合作用效率高、油脂含量高［3］、生長周期短、生長速度快、生態(tài)分布廣［4］、不占耕地等優(yōu)勢，因此作為一種生物質(zhì)能源原料倍受關注.利用富油微藻不僅可以制取生物燃料，而且微藻在培養(yǎng)過程中還可以吸收大氣中的二氧化碳，有利于環(huán)境保護.

篩選出大量優(yōu)良的微藻品種是發(fā)展由微藻制取綠色生物質(zhì)能源的首要前提.已篩選出的微藻品種主要有斜生柵藻、葡萄藻、鹽生杜氏藻、小球藻、灰色念珠藻等，其中小球藻是一種公認的大規(guī)模培養(yǎng)制備微藻燃料的優(yōu)良藻種.

能否大規(guī)模、高密度、低成本培養(yǎng)是制約富油微藻產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一.近年來，為了加強對富油微藻生長特性的了解，優(yōu)化其生長條件，探索短耗時、低成本的培養(yǎng)途徑，已開展了關于光照強度、溫度、pH值、鹽度等環(huán)境因子影響微藻生長的研究［5-9］.研究結(jié)果表明，若環(huán)境因子發(fā)生變動，微藻會對其做出相應的反應.改變培養(yǎng)方法、培養(yǎng)基的類型、所添加營養(yǎng)物質(zhì)種類與含量、微藻生長時的外界環(huán)境（如溫度、光照、pH值）等條件，都會使微藻細胞內(nèi)產(chǎn)生酶、藻蛋白、藻多糖、多不飽和脂肪酸（PUFAs）等物質(zhì)的能力受到影響［10］，進而影響到微藻細胞密度和細胞組成.

微重力環(huán)境可能會對輪藻、杜氏鹽藻等微藻的代謝、發(fā)育、生殖、衰老等各方面生理生化過程產(chǎn)生影響［11-13］.太空飛行和地面回轉(zhuǎn)器的實驗結(jié)果似乎說明，微重力改變了微藻機體與介質(zhì)環(huán)境的相互聯(lián)系，從而影響微藻的代謝.為探索高密度、短耗時的大規(guī)模微藻培養(yǎng)途徑，本研究以小球藻（Chlorella sp.）為培養(yǎng)對象，以BG-11為基礎培養(yǎng)基，利用旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)（the rotary cell culture system，RCCS）模擬微重力場，考察了模擬微重力場對小球藻生長的影響，并在pH值、溫度、光照強度等培養(yǎng)條件相同的情況下，考察了添加不同濃度葡萄糖對小球藻生長的影響.

2 實驗部分

2.1 材料與試劑

本實驗中使用的微藻藻種是小球藻（Chlorella sp.），其編號為FACHB-9，由武漢水生生物所提供.采用BG-11培養(yǎng)基作為基礎培養(yǎng)基；實驗中所用試劑均為分析純.

2.2 儀器與設備

紫外-可見光分光光度儀（UV-6000，上海元析儀器有限公司），旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)（美國Synthecon INC公司），二氧化碳人工氣候箱（LRH-300-GSIT，上海銀澤儀器設備有限公司），托馬細胞計數(shù)器（上海求精生化試劑儀器有限公司）.

2.3 實驗方法

2.3.1 小球藻的培養(yǎng)用經(jīng)過高壓滅菌后的BG-11培養(yǎng)基將處于成熟期的小球藻藻液稀釋10倍，再將藻液均分為多個組別，分別向其中添加不同濃度葡萄糖作為額外碳源后用于實驗.

將預處理后含不同濃度葡萄糖的藻液分別注入RCCS的回轉(zhuǎn)器中作為實驗組，同時將等體積的藻液注入100 mL的錐形瓶中作為對照組.將實驗組與對照組置于人工氣候箱中培養(yǎng)，每24 h測量一次細胞密度，以研究普通環(huán)境和微重力環(huán)境下小球藻的生長情況.以上實驗培養(yǎng)條件均為：溫度（25±2）℃、冷白熒光光照強度4 000 lx/cm2、光照時間比12∶12.

2.3.2 藻液密度的測定藻液密度的測定采用分光光度法測量，采用UV-6000紫外-可見光分光光度計在680 nm波長處測量藻液光密度（OD680，當光密度大于1.0時適當稀釋藻液），并采用托馬細胞計數(shù)器測量該藻液中的藻細胞數(shù)量.

2.3.3 比生長速率的計算測出藻細胞密度后，再按公式（1）計算出特定時間內(nèi)的比生長速率［14］.

式中K表示比生長速率（d-1），N2、N1分別表示在T2和T1時刻的小球藻的細胞密度.

3 結(jié)果與討論

3.1 普通環(huán)境下葡萄糖對小球藻生長狀況的影響

細胞生長過程中必須依靠碳源提供能量和組成碳骨架.大量研究表明，許多微藻均具有利用外加碳源進行兼養(yǎng)及異養(yǎng)的能力.在微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)研究中，葡萄糖是一種廣泛采用有機碳源，其對微藻細胞生長的促進作用明顯優(yōu)于碳酸氫鈉等無機碳源［15］.將初始藻液細胞密度為5.76×107個/毫升的小球藻在25℃、光照強度4 000 lx/cm2、光照比12∶12的普通環(huán)境下培養(yǎng)5 d.由圖1可知，添加了葡萄糖的實驗組中微藻的生長情況都較良好，最大藻細胞密度均超過3×108個/毫升，而沒有添加葡萄糖作為外加碳源的對照組中最大藻細胞密度僅為1.17×108個/毫升.

由圖1可以看出，在培養(yǎng)的第1 d，不同葡萄糖濃度培養(yǎng)基下的生長微藻細胞濃度增長均不明顯，此段時間可能是微藻生長中對環(huán)境的一個適應階段.但從第2 d開始，添加葡萄糖的實驗組中微藻細胞的數(shù)量迅速增加，該生長階段為小球藻的指數(shù)生長期，在光學顯微鏡下可以觀察到，藻細胞的體積增大并且藻體形態(tài)不一，此時對外界環(huán)境因子比較敏感.而與之相比，未添加葡萄糖的對照組中微藻的生長緩慢，藻細胞濃度幾乎沒有表現(xiàn)出明顯的增長趨勢.

微藻對葡萄糖的吸收利用可能存在兩種機制［16］：一種是低濃度下微藻的吸收就會達到飽和，在高濃度環(huán)境下微藻易死亡；另一種是較高濃度下微藻細胞吸收才能達到飽和.本實驗研究結(jié)果顯示，當葡萄糖質(zhì)量密度低于10 g/L時，小球藻最大比生長速率隨葡萄糖質(zhì)量密度增加而明顯增加，但當葡萄糖質(zhì)量密度處于10 g/L～20 g/L時，其最大比生長速率生長反而隨葡萄糖質(zhì)量密度上升而下降，說明高濃度葡萄糖對小球藻細胞生長有一定抑制作用，因此可以認為小球藻對葡萄糖的吸收為第一種機制.

由圖1可知，添加葡萄糖作為額外碳源的小球藻在普通環(huán)境下均于第5 d進入穩(wěn)定生長期，而未添加葡萄糖的對照組則保持緩慢的生長速率，說明葡萄糖的添加顯著縮短了小球藻的生長周期.7組不同處理組中5 g/L和10 g/L葡萄糖質(zhì)量密度的培養(yǎng)基的最大，比生長速率分別達到1.71/d和1.73/d，并且添加質(zhì)量密度為10 g/L的葡萄糖時，最高藻細胞密度可達到3.85×108個/毫升，細胞生長情況較其他濃度處理組都較好（見圖2），所以本實驗確定普通環(huán)境下小球藻生長的最適宜葡萄糖質(zhì)量密度為10 g/L.

圖1 普通環(huán)境下小球藻在含不同質(zhì)量密度葡萄糖培養(yǎng)基中的生長曲線（接種藻密度5.76×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間5 d）Fig.1Growth curves of C.sp.cultivated with different mass densities of glucose in general condition（the initial cell density=5.76×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=5 d）

圖2 普通環(huán)境下小球藻在含不同質(zhì)量濃度葡萄糖的培養(yǎng)基中的最大比生長速率（接種藻密度5.76×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間5 d）Fig.2Growth rates of C.sp.cultivated with different mass densities of glucose in the general condition（the initial cell density=5.76×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=5 d）

3.2 模擬微重力環(huán)境下葡萄糖質(zhì)量密度對微藻生長影響

自上世紀末就有實驗表明螺旋藻等微藻在經(jīng)歷微重力環(huán)境后，藻細胞的存活率、生物代謝等多種特性均發(fā)生改變，尤其是藻細胞的生長速率會明顯加快［17］.結(jié)合普通環(huán)境下葡萄糖對小球藻生長速率和細胞產(chǎn)量的明顯促進作用，本實驗進一步研究在模擬微重力環(huán)境下加入不同質(zhì)量密度葡萄糖對微藻生長情況所產(chǎn)生的影響.將初始藻液密度為5.76×107個/毫升的小球藻在25℃、光照強度4 000 lx/cm2、光照比12∶12的模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)5 d，生長情況如圖3及圖4所示.實驗結(jié)果表明添加葡萄糖后，微藻細胞濃度明顯增高.從圖3可以看出，隨著葡萄糖質(zhì)量密度的增高，獲得的藻細胞密度先增加，但當葡萄糖密度過高時其藻細胞生長速率反而會有一定的下降.RCCS在轉(zhuǎn)動的過程中使微藻能夠充分的與培養(yǎng)基接觸，吸收其中的養(yǎng)份，加快小球藻的生長，同時高質(zhì)量濃度葡萄糖刺激微藻細胞大量繁殖快速代謝，但在有限的封閉生存環(huán)境中無法容納過大的生物量以及過高溶氧，致使細胞死亡，微藻生長速率明顯下降.

圖3 模擬微重力環(huán)境下小球藻在不同質(zhì)量密度的葡萄糖培養(yǎng)基中的生長情況（接種藻密度5.76×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間5 d）Fig.3Growth curves of C.sp.cultivated with different mass densities of glucose under the simulated microgravity condition（the initial cell density=5.76×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=5 d）

圖4 模擬微重力環(huán)境下小球藻在不同質(zhì)量密度的葡萄糖培養(yǎng)基中的比生長速率（接種藻密度5.76×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間5 d）Fig.4Growth rates of C.sp.cultivated with different mass densities of glucose under the simulated microgravity conditions（the initial cell density=5.76×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=5 d）

結(jié)合圖1以及圖3，可以看出在第1 d普通環(huán)境下微藻處于調(diào)節(jié)適應期，生長速率明顯低于第2 d的到第3 d的，而在模擬微重力環(huán)境下的微藻生長并未進入微藻調(diào)節(jié)適應的階段.模擬微重力效應反應器的培養(yǎng)系統(tǒng)縮短了小球藻對高密度的葡萄糖培養(yǎng)基的適應時間，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于小球藻在RCCS中生長時，會隨回轉(zhuǎn)器繞水平軸不斷做圓周運動，在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)小球藻經(jīng)歷加速下降和減速上升等過程，導致藻細胞處于一個周期性超重和失重交錯的變化重力場中，從而產(chǎn)生一個連續(xù)的自由落體狀態(tài)，使藻細胞表現(xiàn)出微重力下的生物效應.而RCCS產(chǎn)生的微重力效應對微藻產(chǎn)生刺激，導致微藻生長分化加速.這與劉永定等［18-19］的實驗結(jié)果相似.微藻在普通環(huán)境下生長時，細胞內(nèi)微環(huán)境是平衡的，而突然進入微重力環(huán)境后，這種平衡被打破，微藻調(diào)節(jié)到新的微環(huán)境需要消耗能量，導致ATP酶活性增加并促使細胞自噬效應提高，從而引起細胞分裂分化加速.

圖5和圖6進一步對普通環(huán)境和微重力環(huán)境下小球藻生長情況進行對比.在同樣的接種濃度及未添加葡萄糖的條件下，培養(yǎng)12 d后普通環(huán)境下生長的微藻細胞密度為5.8×107個/毫升，而模擬微重力環(huán)境下生長的微藻細胞密度達1.58×108個/毫升.在不同環(huán)境條件下微藻細胞密度的生長曲線都是隨著培養(yǎng)時間增長而逐步上升，并且無論添加葡萄糖與否，RCCS中生長的微藻均表現(xiàn)出區(qū)別于普通環(huán)境下微藻的生長優(yōu)勢.除了模擬微重力生物學效應，另外一個原因可能在于普通環(huán)境下藻細胞易在重力作用下沉降聚集在培養(yǎng)容器底部，從而抑制藻細胞生長.而在模擬微重力環(huán)境下，藻細胞均勻懸浮于三維空間中，充分與培養(yǎng)基接觸，促進藻細胞與培養(yǎng)基之間的物質(zhì)交換，提高細胞生長速率.

對比圖1和圖3可見微重力情況下添加10 g/L葡萄糖的小球藻在第3 d就達到了最高生物量，較普通環(huán)境下生長的小球藻達到最高生物量縮短了2 d.同時在微重力環(huán)境下小球藻的最大藻細胞密度和最大比生長率均高于普通環(huán)境下培養(yǎng)的小球藻.因此，模擬微重力環(huán)境時有利于微藻生長，且在微重力環(huán)境下適合小球藻生長的最適葡萄糖質(zhì)量密度約為10 g/L.該實驗結(jié)果可為小球藻的高密度、短耗時培養(yǎng)研究提供一定的依據(jù).

圖5 不添加葡萄糖的小球藻在微重力（SMG）與普通環(huán)境（GC）下的生長曲線（接種藻密度1.423×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間12 d）Fig.5Growth curves of C.sp.cultivated without glucose under the microgravity and general conditions（the initial cell density=1.423×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=12 d）

圖6 小球藻在微重力環(huán)境（SMG）下及普通環(huán)境（GC）下生長情況（10 g/L的葡萄糖）（接種藻密度5.76×107個/毫升，溫度25℃，光強4 000 lx/cm2，培養(yǎng)時間5 d）Fig.6Growth curves of C.sp.cultivated under the microgravity and general conditions in the medium with 10 g/L of glucose（the initial cell density=5.76×107cells/mL，temperature=25℃，illumination intensity=4 000 lx/cm2，culture time=5 d）

4 結(jié)語

分別對普通環(huán)境和模擬微重力環(huán)境下葡萄糖濃度對小球藻的生長特性進行了研究，結(jié)果顯示不同濃度葡萄糖作為額外碳源在兩種環(huán)境下均明顯促進了小球藻的生長，縮短了藻細胞的生長周期，使最高藻細胞密度顯著增加.并且兩種環(huán)境下，小球藻的最適葡萄糖質(zhì)量密度均為10 g/L.

模擬微重力環(huán)境對小球藻的生長具有明顯的促進作用.在相同培養(yǎng)條件下，模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)的小球藻較普通環(huán)境生長速度更快，藻細胞密度也更高.本研究結(jié)果可為小球藻高密度、短耗時的大規(guī)模培養(yǎng)提供一定的依據(jù).

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本文編輯：張瑞

Culture of Chlorella sp.in Simulated Microgravity and General Conditions

ZHANG Zhiren，WANG Chengcheng，WANG Weiguo，WANG Tielin*，WANG Cunwen
School of Chemical Engineering and Pharmacy，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The simulated microgravity condition was produced by the Rotary Cell Culture System to investigate effect of glucose mass density and simulated microgravity on the growth of Chlorella sp..The results show that the simulated microgravity has an obvious promotion effect on the growth of microalgae.The algae cell density under general environment is 5.80×107cells/mL when the initial cell density is 1.42×107cells/mL and culture time is 12 days，meanwhile the algae cell density under simulated microgravity condition can reach 1.58×108cells/mL.Furthermore，the microalgae growth circle is obviously shortened when glucose is added intotheculturemediumascarbonsource.TheoptimalglucosemassdensityfortheChlorellasp.growthis10g/L.When the initial cell density is 5.76×107cells/mL and culture time is 5 days，the maximum densities of microalgae cultured in simulated microgravity and general conditions reach 5.42×108cells/mL and 3.85×108cells/mL，respectively.

simulated microgravity；microalgae；glucose

Q949

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.002

1674-2869（2016）06-0521-06

2016-08-15

湖北省自然科學基金（2015CFB580）

張志忍，碩士研究生.E-mail：690940120@qq.com

*通訊作者：汪鐵林，博士，教授.E-mail：witwangtl@hotmail.com