告别“靠天吃饭”,微藻异养培养大显身手

  告别“靠天吃饭”,微藻异养培养大显身手

  在进入今天的主题前,首先向大家明确几个基本概念。我们知道,能源和碳源作为一切生物生长的基础,所谓的“光合自养”“光能异养”“化能自养”和“化能异养”型生物,它们的差异也主要体现在这几个方面。

  “光合自养”型生物中的能源和碳源来源分别为光和二氧化碳,与其不同的是,“光合异养”型生物中只以有机化合物而非二氧化碳作为它们的碳源。“化能自养”型生物中的能量来源是通过无机或有机化合物的氧化作用,其碳源是二氧化碳,而“化能异养”型生物生长所需的能源和碳源均为有机化合物(如葡萄糖)。

  “靠天吃饭”的光自养培养模式

  微藻是单细胞生物,可以用作生产能源、食品、饲料的原料,在工业领域有着广阔的应用前景。

  一直以来,藻类被认为像高等植物一样必须通过光合作用(利用光和二氧化碳)才能实现细胞生物质合成,即光自养培养模式。但这种培养模式基本只能“靠天吃饭”,受外界环境条件如温度、光强、日照时间等的限制,细胞浓度较低,一般只能达到0.5-1.5g/L。

微藻异养培养设备

微藻异养培养设备

  图1开放式跑道池自养培养

  此外,开放式光自养培养模式下的微藻易遭受浮游动物或细菌污染,正因如此,通过这种培养方式进行商业化生产的微藻品种极其有限,仅有耐强碱(pH9-10)螺旋藻、耐高盐(NaCl浓度高于30%)杜氏盐藻和能够快速增殖的小球藻。

微藻异养培养设备

微藻异养培养设备

  图2自养培养下小球藻被浮游动物吞噬

  异养模式虽好,但是也不是所有微藻都适用

  实际上,很多微藻可不依赖于光和二氧化碳,它们可以在完全黑暗条件下利用有机物质进行异养生长。由于这种培养方式摆脱了对光的限制,微藻的生长速率比在光照条件下快得多,优势也是显而易见:

  l微藻异养培养所需的能源及碳源均由有机碳源来提供,首先解决了能源限制问题;

  l由于异养是在密闭的发酵罐中进行,整个培养系统采用蒸汽进行灭菌,从而解决了被其它微生物污染的问题;

  l异养培养过程中的温度、pH、营养物的供应等都能得到较好的控制,细胞浓度可高达到100-200g/L。

  然而,并非所有的微藻都能够进行异养生长。不能异养培养的最主要因素是,微藻自身不具备完善的吸收利用胞外有机碳和有机氮的机制。

  具体来说,一是有些微藻因为有机物难以透过细胞膜进入细胞或者缺乏浓缩有机物的能力而不能被异养;二是有机物在细胞内进行代谢所需的酶系统不完善,有机物不能被有效利用,造成某些微藻难以异养;三是在异养条件下,某些微藻因呼吸作用所提供的能量不足以维持其生长而不能异养。

  据统计,迄今为止被业界筛选出来适合异养方式培养的微藻有多个门类几十个藻种,其中小球藻、隐甲藻、裂壶藻、部分硅藻在异养培养方式研究中及量产化方面较为成熟。同时,也有研究采用代谢工程的方式,通过转基因来扩大微藻异养培养的品种及使用范围。例如,国外学者通过转入葡萄糖转运酶基因,使不能异养培养的三角褐指藻实现了利用葡萄糖进行异养生长。

  在生化组成上,异养和自养培养所获得的微藻成分的区别主要在一些色素含量方面,例如光合自养所得的叶绿素和某些类胡萝卜素的含量会多些,但最重要的成分通常不会受到影响。研究表明,天然虾青素(一种高抗氧化活性类胡萝卜素)在微藻体内的生物合成也不一定需要光来诱导,完全可以通过施予某些胁迫因子来诱导产生。

  微藻异养,更适合工业化生产

  十多年的实践表明,微藻异养培养由于可控性强更适合工业化生产,与之相比,光合自养培养更像原始农业,可重复性差。然而,异养培养也存在建设成本大、运行成本高等缺点。目前,这种培养模式仅适用于高附加值产品的生产。例如,利用裂殖壶藻或隐甲藻来发酵生产DHA、利用蛋白核小球藻和裸藻异养发酵生产富含蛋白和β-1,3葡聚糖的食品等。

微藻异养培养设备

微藻异养培养设备

  图3微藻发酵罐异养培养

  受技术水平所限,当前微藻在异养培养条件下能够达到的生物量浓度仍然很低,制约了微藻的工业化应用。最近,中国科学院水生生物研究所的研究人员以一株可异养培养的富油栅藻为研究对象,通过有效的发酵过程优化,尤其是精准的葡萄糖浓度控制这一关键技术的突破,实现了该富油栅藻的超高密度培养,最高细胞浓度达到286g/L,比光自养培养提高了100-200倍,解决了微藻大规模工业化应用的问题。

微藻异养培养设备

微藻异养培养设备

  图4异养高密度培养后培养液离心前后比较

  微藻作为一种重要的资源,如何实现微藻的高细胞密度养殖已经成为微藻产业发展的关键问题。微藻异养培养能从根本上解决自养受光照影响的问题,已成为微藻培养的主要发展方向。

  来源:中国科学院水生生物研究所

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