利用光生物反应器培养雨生红球藻的研究初探
摘要:用光生物反应器与光照培养箱两种培养容器培养雨生红球藻(Haematococcus pluvialis),对雨生红球藻在两种容器培养过程中细胞生长、pH值、溶解氧(DO)及虾青素积累情况进行比较,同时比较不同接种密度对光生物反应器培养效果的影响。实验表明,光生物反应器中藻细胞的调整期较短,接种1 d后即进入指数生长阶段,在胁迫阶段则仅需4 d即达到虾青素含量的峰值;将pH值控制在偏碱性条件下(7.75±0.10)有利于藻细胞更好生长;营养培养阶段DO相对饱和度上升至80%,而在胁迫阶段则迅速降
低,最低值小于6%;较高的接种密度(2.3×104个/mL)具有较短的营养培养周期(7 d),且因接种密度变化对胁迫周期长短无明显影响(均为4 d),选用较高的接种密度可望降低工业生产成本。
关键词:雨生红球藻(Haematococcus pluvialis);虾青素;光生物反应器;培养;积累
中图分类号:Q935文献标识码:A文章编号:1000-3096(2010)10-0083-07
虾青素(astaxanthin)是一种红色的酮式类胡萝卜素,因其强抗氧化能力而具有抗癌、增强免疫、抗紫外线、着色等功效[1~6]。天然虾青素具有很高的经济价值和开发前景,且需求量不断增加[2,3]。雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种单细胞绿藻,其虾青素含量约占细胞干质量的1.5%~3.0%,被公认为天然虾青素的浓缩体[2]。目前,如何利用雨生红球藻实现虾青素高产已成为国际研究的热点。然而,雨生红球藻生长缓慢、易受污染,且生长适宜温度较低等特点使得雨生红球藻的大规模高密度培养受到限制[7,8]。为进行藻细胞的大体积生产,国外学者普遍采用封闭式光生物反应器[9~11]。
光生物反应器是一种微藻培养设施或装置,目前主要分开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器两大类。前者结构简单、投资成本低、技术要求较低,但却存在培养条件难以控制、易受环境污染等缺点,比较不适合雨生红球藻的大规模培养。后者能较好地控制培养环境,保护微藻不受周围环境的污染,实现高细胞密度培养[9,12]。近年来,封闭式光生物反应器发展迅猛,国外学者关于利用封闭式光生物反应器培养雨生红球藻的研究报道已有不少,且主要集中在立柱式、平板式和管状式等3大类型,其研究重点已从反应器的应用转移至反应器的结构改进以及培养参数(通气速率、质量传输速率研究等)的优化[9,10,13~18]。国内研究则多数集中在少数反应器的应用上[19~21],总体而言,国内研究广度和深度不及国外。
光强、搅拌速率、通气速率、pH、溶解氧(DO)、接种密度等均可影响雨生红球藻生长。雨生红球藻对pH的缓冲能力较弱,培养过程中营养盐和CO2的消耗将逐渐升高藻液pH[22,23],从而影响藻细胞生长。培养过程中细胞密度逐渐增加,细胞容易发生贴壁、沉降,反应器的搅拌和充气系统可在一定程度上缓解上述现象。充气速率高低也将影响藻生长,充气可对细胞产生悬浮作用,并补充溶解氧,但若体系溶氧过高,细胞生长则会受抑制[7,24,25]。此外,选择恰当的接种密度有利于使营养盐利用与细胞生长维持在较佳的动态平衡状态,进而缩短培养周期并提高最终虾青素含量。
针对上述影响因素,本文对雨生红球藻培养过程中的细胞生长情况、虾青素、总叶绿素、pH值、DO变化及不同接种密度对细胞培养的影响进行了初步研究。
图1为不同培养条件下,雨生红球藻的细胞生长曲线图。由图1可知,光生物反应器(接种密度为2.3×104个/mL)与光照培养箱中三角烧瓶(约100 mL)的培养效果不同:前者中藻细胞调整期较短,接种1 d后即进入指数生长状态,7 d后,藻液颜色显著加深(图2a,b),细胞密度达3.04×105个/mL,为初始密度(2.3×104个/mL)的15倍,是三角烧瓶最大藻密度(2.54×105个/mL)的1.2倍;平均生长速率为0.37 d1,明显高于利用太阳光进行室外大体积(10 L)培养的平均生长速率(0.10 d1)[26];Kaewpintong等[9]利用对鼓泡塔式光生物反应器培养雨生红球藻(NIES 144),其细胞平均生长速率为0.36 d1,与本实验相近。可见,雨生红球藻在该光生物反应器中能达到快速生长的效果。
2.1.2 pH值对营养阶段细胞生长的影响实验中,光生物反应器中的pH值自动控制在7.75±0.10,三角烧瓶中pH值不控制。图3为三角烧瓶中雨生红球藻营养阶段的pH变化曲线。由图3可知,藻液pH值随培养时间逐渐升高,7 d后超过9.0,达9.35,可见雨生红球藻在培养过程中是逐渐产碱的,该现象与其他研究报道[22,27]相符。已有研究认为,红球藻游动细胞可以耐受比较广的pH值范围,在pH为5.0~10.0之间可以存活并旺盛生长,相对而言,pH值为7~8时对细胞生长更有利一些[23]。
