高溫脅迫與超聲刺激促進(jìn)微藻油脂積累的過(guò)程及機(jī)理.pdf

1、隨著化石燃料的快速消耗，能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，威脅著人類的生存健康，因此亟待尋求一種可再生、可持續(xù)的替代能源。微藻是能夠利用光能、無(wú)機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽合成自身所需物質(zhì)的光合自養(yǎng)型生物，具有生長(zhǎng)迅速、脂質(zhì)豐富、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)以及單位產(chǎn)出率高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是第三代生物質(zhì)能源，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注和研究。微藻生物柴油具有無(wú)污染、碳中性的優(yōu)點(diǎn)，能夠減少CO2排放，便于生物降解，但由于生產(chǎn)成本較高，影響了其大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用。提高微藻油脂產(chǎn)率是解決該

2、問(wèn)題的主要途徑之一，即提高微藻生物質(zhì)濃度和油脂含量，縮短培養(yǎng)時(shí)間。優(yōu)化微藻培養(yǎng)條件，促進(jìn)其快速生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)微藻在最適條件下快速繁殖，但是微藻在快速生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)影響藻細(xì)胞內(nèi)油脂的合成，造成油脂含量降低，因此如何在不影響微藻最大生物質(zhì)濃度的前提下實(shí)現(xiàn)油脂的快速積累，是提高最終油脂產(chǎn)率的關(guān)鍵。
　　本研究首先對(duì)小球藻的初始細(xì)胞密度、光照強(qiáng)度和曝氣速率進(jìn)行了優(yōu)化，考察了其對(duì)微藻生物質(zhì)濃度、油脂含量及產(chǎn)率的影響，揭示了小球藻生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)環(huán)

3、境條件的需求規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了微藻生長(zhǎng)和油脂含量的提高。其次，利用模擬兩階段培養(yǎng)方法，對(duì)快速達(dá)到對(duì)數(shù)期末期的四尾柵藻進(jìn)行高溫脅迫培養(yǎng)，探索其生物質(zhì)和油脂含量的變化規(guī)律，闡明了高溫脅迫培養(yǎng)對(duì)油脂積累的影響特性，建立了一種利用40℃高溫脅迫促進(jìn)油脂快速積累的方法;另外，利用超聲刺激方法，研究了對(duì)數(shù)期末期微藻經(jīng)不同超聲環(huán)境處理后，繼續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中生物質(zhì)干重和油脂含量的變化，明確了超聲刺激對(duì)油脂積累的影響規(guī)律及機(jī)理，獲得了一種實(shí)現(xiàn)微藻原位高效積累油脂的

4、經(jīng)濟(jì)可行的新途徑。通過(guò)本論文的研究，實(shí)現(xiàn)了微藻快速生長(zhǎng)和高效積累油脂的有機(jī)耦合，提高了微藻的油脂產(chǎn)量。本論文的主要研究結(jié)論如下:
　　(1)研究了基于微藻生長(zhǎng)狀態(tài)的小球藻生長(zhǎng)條件優(yōu)化方案，用于提高生產(chǎn)生物柴油的油脂產(chǎn)量，并與常規(guī)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。常規(guī)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，考慮到油脂產(chǎn)量和能量消耗，初始細(xì)胞密度、光照強(qiáng)度和曝氣量的最佳參數(shù)分別確定為0.45 cm-1（OD686，或0.15 g/L）、6000 lux和0.2 vvm(mL/

5、mL/min)，獲得的最大生物質(zhì)干重和油脂含量分別為1.2 g/L和33.6％。然后，探索了三組詳細(xì)的生長(zhǎng)狀態(tài)導(dǎo)向的培養(yǎng)條件調(diào)整方案，為微藻不同生長(zhǎng)階段提供不同環(huán)境條件，即方案1(S1)，初始曝氣量為0.2 vvm，光照強(qiáng)度為10，000 lux。第7天時(shí)光照強(qiáng)度減小到6000 lux。方案2(S2)，初始曝氣量為0.267 vvm，光照強(qiáng)度為10，000lux。第7天時(shí)曝氣量減小到0.2 vvm，光照強(qiáng)度減小到6000 lux。方案3

6、(S3)，初始曝氣量為0.267 vvm，光照強(qiáng)度為10，000 lux。第7天時(shí)光照強(qiáng)度減小到6000lux并持續(xù)至第13天。第10天時(shí)曝氣量減小到0.2 vvm。以此來(lái)研究隨微藻生長(zhǎng)狀態(tài)改變培養(yǎng)環(huán)境對(duì)生物質(zhì)和油脂產(chǎn)量提高潛力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三組方案在生物質(zhì)干重和油脂產(chǎn)量方面均有顯著提高，而方案2中達(dá)到最大值分別為1.9 g/L和0.6 g/L。新的特殊培養(yǎng)方法相對(duì)于常規(guī)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，將微藻生物質(zhì)和油脂產(chǎn)量分別顯著提高了52.7％和

7、64.7％。通過(guò)GC-MS測(cè)定分析，微藻中C16-C18組分占脂肪酸比例超過(guò)90％，而且相對(duì)于常規(guī)培養(yǎng)方法，新型方案獲得的脂肪酸在生物柴油生產(chǎn)中有更優(yōu)越的性能。
　　(2)利用模擬兩階段培養(yǎng)法，探索了高溫脅迫對(duì)提高微藻油脂積累的可行性。本研究中，測(cè)試了40℃高溫作為脅迫環(huán)境來(lái)促進(jìn)在最適條件下生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期末期四尾柵藻的油脂積累，脅迫培養(yǎng)1天后，油脂含量和產(chǎn)率達(dá)到最大值33.5％和23.2 mg/L/d，相對(duì)于未處理（第0天）微藻，顯

8、著提高了39.6％和33.3％。延長(zhǎng)脅迫時(shí)間導(dǎo)致生物量和油脂含量的下降，且低于未經(jīng)高溫脅迫處理的微藻。油脂含量下降的主要原因是，微藻細(xì)胞將部分油脂轉(zhuǎn)化為蛋白，維持細(xì)胞活性，因此蛋白含量在脅迫培養(yǎng)至第6天時(shí)達(dá)到最大值58.7％。
　　(3)將處于對(duì)數(shù)期末期的四尾柵藻進(jìn)行超聲(200W，40kHz)處理，來(lái)研究其對(duì)油脂積累的刺激作用。微藻經(jīng)超聲波處理不同時(shí)間之后繼續(xù)培養(yǎng)2天時(shí)間，盡管生物質(zhì)濃度沒(méi)有增加，但在超聲20 min的實(shí)驗(yàn)組獲得

9、了最大油脂含量37.8％，相比初始狀態(tài)顯著提高了57.5％。然后，處于對(duì)數(shù)期末期的微藻經(jīng)超聲處理20 min后再繼續(xù)培養(yǎng)不同時(shí)間，檢測(cè)生物質(zhì)、油脂和其他組分的積累變化，結(jié)果表明，繼續(xù)培養(yǎng)2天后獲得了最大油脂含量38.9％，微藻表現(xiàn)出優(yōu)異的油脂積累性能，微藻脂肪酸的綜合品質(zhì)在超聲處理后也得到了提高。利用超聲刺激實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)期末期微藻油脂的高效積累，同時(shí)不影響生物質(zhì)濃度，因此是一種可應(yīng)用于實(shí)際的有效方法。
　　(4)研究了超聲處理對(duì)多變

10、魚腥藻生物質(zhì)、油脂和蛋白積累的影響。微藻培養(yǎng)11天后到達(dá)對(duì)數(shù)期末期（初始微藻），再經(jīng)不同功率的超聲波處理10 min，然后繼續(xù)培養(yǎng)3天時(shí)間。繼續(xù)培養(yǎng)1天時(shí)間后，200 W的超聲功率實(shí)驗(yàn)組獲得了最高油脂含量37.8％。固定功率200 W條件下，不同超聲時(shí)間對(duì)初始微藻的影響結(jié)果顯示，微藻經(jīng)超聲5 min繼續(xù)培養(yǎng)1天后，油脂含量和產(chǎn)率得到顯著提高，為46.9％和54.2 mg/L/d，分別為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的1.46和1.86倍。合適的超聲處理顯示