光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介

光合作用示意图

光语带你认识微藻 

第三篇——微藻培养简介

单位:上海光语生物科技有限公司

微信公众号:Leadingtec

作者:俞建中(微信号:Scophy117

 

虽然是简介,本篇的题目还是有些大了,不过题目大了,内容可以少点嘛!就简单讲讲微藻的营养代谢种类、培养需要的因子和常见的养殖模式。

这篇的内容多少专业性强了一点点,内行可以直接略过不看,志在做内行的外行可以扫一眼。

 

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本篇参引资料文中部分有提及,多数涉及篇幅未有列出。

都是文字不合适,准备掺点无关的图进去,如无特殊注明,图片均引自网络。

 

 

微藻的培养,首先需要了解微藻的生物学习性,尤其是它的营养方式和所需的营养和环境条件,进而根据所知的信息和所要求的目的,设计养殖设施与工艺、实施生产。

  1. 营养方式——自养、异养和兼养

微藻的营养方式主要有三种:(光合)自养、异养和兼养。

自养:微藻利用光进行光作用,将CO2(无机碳)和水,在光能的作用下合成有机物(葡萄糖),这种获取能量的营养生活方式称之为光合自养(Photoautotrophy),比如我们常见的绿色植物——花草树木这些,绝大多数是以此营养方式为主。

异养:有些微藻种类能够在不需要光的情况下,利用简单的有机碳,比如葡萄糖、氨基酸等作为碳源和能源进行生长繁殖,此称之为异养(Heterotrophy)。

兼养:而微藻有光存在的情况下,同时利用CO2和有机碳进行生长代谢的营养方式,称之为兼养(Mixotrophy)。(兼养有人称之为混养,不过一般情况下,混养指的是两种以上藻类混合培养,英文单词叫co-culture或mixed culture,讲的是培养的类型,而不是营养的方式)

图1. 光合作用示意图
图1. 光合作用示意图

光自养生物定义为只需要光和无机物就能生长,一小部分藻类具有氧化无机化合物获取能量的能力,被称之为化学自养。绝大部分微藻种类都属于光自养类别,但实际上藻类生长依然需要摄入极少量的有机物(如维生素类)。

异养生物需要通过利用其他生物生产的有机物获取能量同化外界物质,实现生长繁殖,某些藻类能耐受高浓度的有机物浓度来进行生产代谢活动,如DHA发酵藻种寇氏隐甲藻(Mendes et al., 2009)。

图2.微藻异养需要用到的发酵罐系统
图2.微藻异养需要用到的发酵罐系统

同时存在一种光异养(Photoheterotrophic)方式,生物体需要在利用光能来吸收利用有机物和/或其他营养物质。

兼养生长通常定义为光自养加异养,有机物和CO2能够同时被利用。而实际上因藻类不同而存在不同情况,有报道索罗金小球藻(C.sorokiniana)在夜间(无光)进行异养,而在白天(有光)进行兼养;但三角褐指藻在有光的情况下能实现兼养,同时利用有机物和CO2,但在无光的情况下,有机物无法被利用,即三角褐指藻的兼养过程中有机物的利用依赖光的存在,是一种光异养方式。

 

  1. 微藻生长的营养与环境因子需求

对于微藻养殖所需的最佳营养需求,几乎从微藻养殖进入研究领域之后就开始了。最初的时候,就开始利用土壤浸出液作为藻类培养的基液,学者Vonshak总结了微藻养殖所需培养基的几个基本要素:

  • 培养基的总盐度:由所养藻类原始生活地的环境决定(即尽可能模拟其生活的“土著”环境);
  • 培养基的化学组成:由K+、Mg2+、Na+、 Ca2+、SO42-和Cl等离子组成;
  • 碳源:如硝酸盐、氨、尿素等;
  • 碳源:如CO2、HCO3(异养则为葡萄糖、乙酸等有机碳源);
  • pH;
  • 微量元素与螯合剂;
  • 维生素。

此外还需要关注的是:

  • 所补充的碳源(尤其是有机碳),需要考虑产物合成所需的碳骨架的需求,以及其他一些要求,如pH调节。
  • 考虑微藻培养的目的,藻种保存,或获得生物量,还是胁迫富集高值产物,需要分别考虑培养基的营养组成。

针对光自养藻类,科学家认为有30个相对重要的因素需要考虑。但营养的供给只是微藻培养的一方面,其他环境因子和培养液搅拌混匀的因素也必须考虑。无论是光自养藻类还是异养微藻,主要的营养因子有碳(C)、氮(N)、磷(P)、硅(Si,硅藻需要)、各类微量元素和维生素,而主要的环境因子有光、温度、pH等。

图3.猜猜这是什么藻
图3.猜猜这是什么藻

 

2.营养因子

(1)碳源

微藻中,碳元素的含量一般能占到50%(除灰分外)左右。对光自养微藻而言,要保持高速生长,碳源(尤其是CO2)的供应异常重要。葡萄糖是异养中最常用的有机碳源,另外氨基酸、乙酸和甘油也被用于一些藻类的异养。

(2)氮源

氮源是微藻生长的最重要因子,在微藻细胞中,因微藻种类不同,氮元素的含量在1~10%左右,并因氮源的供给量和可利用度而异,通常情况下,氮源的缺乏导致细胞颜色褪化,叶绿素含量减少。硝酸盐、氨和尿素是最常用的三种氮源,氮源对微藻生长造成的影响因种而异,偏好不一。

(3)磷源

磷是跟微藻细胞生长和代谢密切相关的另一个的元素,尽管它在藻类细胞中所占的比例不超过1%,但它是核酸物质(DNA/ RNA)、ATP、细胞膜的基础组成元素,磷的缺乏会严重影响微藻细胞的生命活动。

(4)硅

硅元素,对硅藻而言是一种重要的元素,它构成硅藻的细胞外壳,是硅藻生长的限制因子之一。在培养中,硅一般以五水偏硅酸钠(Na2SiO3·5H2O)和九水偏硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)的形式添加,在水中形成硅酸(Si(OH)4),被细胞吸收后转化为水合氧化硅(SiO2·nH2O)。

(5)其他(微量)元素与维生素

硫(S)、镁(Mg)、钙(Ca)、钾(K)等其他一些(微量)元素也是微藻生长所必须的物质。微藻必需的微量元素还有钼(Mo)、铜(Cu)、钒(V)、钴(Co)、锰(Mn)、锌(Zn)、硼(B)、铁(Fe)等。微藻培养中所需的维生素有B12、B1、生物素等种类,通常自然水体中就有一定含量,具有提升微藻生长的速度的功能。

图4. 在适宜营养及环境因子具备的情况下,自然水域经常见到各色藻华。(澳大利亚Clovelly Beach,由夜光虫形成的藻华)
图4. 在适宜营养及环境因子具备的情况下,自然水域经常见到各色藻华。(澳大利亚Clovelly Beach,由夜光虫形成的藻华)

 

3.环境因子

(1)光照

对于光自养藻类而言,光是不可或缺的,微藻细胞对光的利用与光强度、细胞密度、光径长度/培养液层厚度和搅拌的剧烈程度都有关系。

(2)温度

温度能影响微藻对营养的需求、新陈代谢的速录和细胞内的组分,因此在微藻培养中需要对其进行控制。如果低于该藻的最适温度,会影响微藻的生长速率,而高于最适问题,则会增加其呼吸作用强度,甚至致死。

(3)pH

微藻的胞内pH依赖一个耗能系统来维持,在非最优pH环境下生长的细胞会加大能量消耗,从而减少了用于生长的能量,降低产率。而水体中CO2, HCO3和CO3的含量和比例是维持pH平衡的主要因素。pH会影响微藻对营养物质的吸收和同化。

图5.夜光虫形成的藻华在夜间如梦如幻(2015年5月8日,日本福井县)
图5.夜光虫形成的藻华在夜间如梦如幻(2015年5月8日,日本福井县)

4.微藻培养系统

微藻的商业化养殖,要求该藻种易于培养,并能够达到一个合理的养殖规模,因此微藻培养系统的建立不仅需要考虑养殖品种的生物学特性,还要考虑养殖的目的。

微藻培养系统通常分为开放系统和密闭系统,其中密闭系统包括光生物反应器(photobioreactor,PBR)和发酵罐。培养系统的选择,取决于几个因素,包括微藻种类、生长模式、产品形式、产品经济价值和预期用途。培养系统的选择还要考虑微藻的三种营养方式(光自养、异养和兼养),如开放式系统通常只用于光自养藻类,密闭式系统可用于光自养和兼养藻类,而发酵罐系统用来培养可异养的藻类。如表1,对三种培养系统的各自特点进行了罗列。

表1..不同微藻生产系统的比较
表1. 不同微藻生产系统的比较

 

1)开放式系统

开放系统(如圆池、跑道池池、敞口水箱、湖等)是最粗放的培养系统,依靠阳光作为唯一光源。开放系统最大的优势是造价低廉且运行简单。但是只有有限几种微藻可以在开发式培养系统中养殖生产,比如螺旋藻和小球藻,这些微藻通常具有克制其他微藻繁殖的特征。

图6. 福清新大泽公司位于海南儋州的螺旋藻养殖基地(跑道池)
图6. 福清新大泽公司位于海南儋州的螺旋藻养殖基地(跑道池)
图7. 东莞绿安奇公司位于广东河源的小球藻养殖基地(圆池)
图7. 东莞绿安奇公司位于广东河源的小球藻养殖基地(圆池)

 

开放式培养系统的劣势也非常明显,如养殖过程和周边环境的可控性差,因此容易受到污染,生物量难以达到高密度等,产率低且不稳定,成本高。

2)封闭式光生物反应器

封闭式培养系统能够降低养殖中污染的风险而提高生产的成功率,另外,养殖过程能够得到严密的检测和控制。目前得到应用的密闭式反应器有管道、平板式反应器和气升系统。

使用密闭式系统,能提高光利用效率和细胞密度,从而提高产率。但通常具有单位体积小,建设成本高,运行能耗高等问题。

就目前的技术而言,投资成本和运行成本过大限制了该系统的广泛应用,仅生产高值产物的藻类得以利用此类系统并得到推广,如利用管道式反应器生产含虾青素的雨生红球藻(云南爱生行等)。

图8. 云南石林爱生行公司雨生红球藻养殖基地(管道式)
图8. 云南石林爱生行公司雨生红球藻养殖基地(管道式)

 

(3)发酵系统与可异养微藻

发酵系统应用于可异养培养的微藻生产。此系统最初开发应用于细菌和酵母等微生物的生产,多年的发展已经使得此系统非常的完善,在世界范围内的应用非常广泛,规模巨大。异养系统的优势在于制造和运行技术成熟,可推广应用至所有可异养的种类,不需要光,系统集成度高,无地域限制,土地需求小。但发酵系统在微藻中的应用也存在一些劣势,如仅有少部分微藻种类(如小球藻、寇氏隐甲藻)能够进行异养,运行中依然存在染菌问题,微藻对有机物的耐受浓度低,容易受到抑制,异养条件下,藻类的细胞组分发生变化,尤其是一些需要有光存在的条件下才能富集的物质含量减少(如异养培养的小球藻蛋白含量偏低,且无光导致叶绿素含量明显减少)。

图9. 一张小球藻产品的宣传图片,藻粉颜色绿中带黄,明显为异养发酵生产的小球藻,纯光养的小球藻为墨绿色。
图9. 一张小球藻产品的宣传图片,藻粉颜色绿中带黄,明显为异养发酵生产的小球藻,纯光养的小球藻为墨绿色。

 

图10. 光语公司研发的实验用管道式微藻光生物反应器
图10. 光语公司研发的实验用管道式微藻光生物反应器

 

微藻异养技术已经在多种微藻中实现(如表2所列多种可异养微藻种类),甚至已经应用于部分种类的规模化生产。虽然发酵系统一向被认为建设投入大、运行成本高,但在规模达到一定程度后,依然可以将生产成本降低到可接受,甚至会低于光自养的生产成本。

表2. 可异养微藻种类及应用
表2. 可异养微藻种类及应用

 

 

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说到养殖系统的事,关心的人很多,总在比较这个好还是那个好,未来用什么模式合适之类的。在老俞看来,没这个好那个好的问题,就是个合适不合适的问题。往大了说,涉及到资源和目标关系,站国家角度可能更看中资源的利用效率,站个人和企业的角度就要考虑成本和收益,个体户、小企业和大企业各自的立足点也不同,所以采用哪种模式,真的没法一言而定。如澳大利亚养殖盐藻,有大片的天然盐湖可以利用,产率低含量低都不算个事;而以色列的盐藻养殖就得去修跑道池;以色列和云南的红球藻利用管道养殖,而日本富士甚至有采用室内人工光源的反应器;如管道培养的小球藻相对质量稳定,即使成本高,却有充足的理由喊高价。

所以在说哪种系统好,或者合适之前,先回答以下一些问题:要开发哪个藻种?该藻种有什么生物学特性?产品准备用于开发什么产品,卖给哪个客户人群?总市场容量有多少?打算占有多少市场容量?技术门槛和资金门槛准备提到多高?准备在行业内做最大还是最强?手头钱多地少,还是有现成的大片土地?水电资源及原料是否丰富?有没有可靠的技术团队作为支撑等等。

俞建中

2017年01月22日

俞建中博士系列藻类科普文章链接:

光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻

光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介

光语带你认识微藻 第四篇——紫球藻

光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻

光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效

光语带你认识微藻 第七篇——盐藻与β-胡萝卜素

光语带你认识微藻 第八篇——地木耳、发菜和葛仙米

光语带你认识微藻 第九篇——微藻与不饱和脂肪酸

光语带你认识微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光语带你认识微藻 第十一篇——螺旋藻(一)

光语带你认识微藻 第十二篇—— 小球藻

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