微藻及其生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究

第18卷第6期海洋通報Vol 18. No 61999年12月MARINE SCIENCE BULLETIN999微藻及其生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究李敘鳳王長(cháng)海鞠寶(煙臺大學(xué)海洋生化工程研究所,煙臺264005)摘要對微藻的主要反應特征和生物學(xué)特性以及微藻的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究現狀進(jìn)行了比較全面的綜述,并簡(jiǎn)要報道了研究者在實(shí)驗室進(jìn)行微藻培養,微藻生物活性物質(zhì)的分離純化以及微藻的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)等力面的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞微藻光生物反應器優(yōu)化動(dòng)力學(xué)引言當前,世界正面臨著(zhù)資源短缺、生態(tài)危機及人口膨脹等引起的糧食短缺、營(yíng)養失調及惡性疾病增加等諸多資源短缺性問(wèn)題的困擾。因此,無(wú)論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家都競相爭奪和開(kāi)發(fā)海洋資源。據統計,從1977年至1981年,從海洋生物中提取到各類(lèi)新的代謝物有2500余種;1987年至今,新發(fā)現的具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的藥用海洋天然產(chǎn)物已達434余種,預示了開(kāi)發(fā)和利用海洋資源的廣闊前景。海洋藻類(lèi)尤其是單細胞微藻,富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物及人體所必需的EPA、DHA、AA等營(yíng)養成分以及可燃性油料、多種維生素、抗生素、高不飽和脂肪酸和其它多種生物活性物質(zhì),開(kāi)發(fā)利用海洋微藻是人類(lèi)向海洋索取食品、藥品、燃料、精細化工產(chǎn)品以及其它重要材料的一個(gè)新途徑。因此,以開(kāi)發(fā)微藻產(chǎn)品為主體的微藻生物技術(shù)已成為生物工程的重要發(fā)展方向。目前,海洋微藻的育苗、光合作用機理、培養條件、產(chǎn)品和活性物質(zhì)的分離純化和應用技術(shù)研究以及藻體細胞的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)、新型光生物反應的開(kāi)發(fā)等研究?jì)热菀岩鹗澜绺鲊孱?lèi)學(xué)者的極大的興趣和廣泛的研究,并成為海洋生化技術(shù)中的主要研究方向。近年來(lái),發(fā)達國家政府均把發(fā)展生物技術(shù)作為重要國策而列為關(guān)鍵性的戰略技術(shù)加以發(fā)展。美國、德國、日本等發(fā)達國家已把海洋生物技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展方向,尤其是將海洋微藻的大規模培養及其天然活性物質(zhì)等的分離提取技術(shù)放在首位。與國外相比,我國的微藻生物技術(shù)起步較晚,雖然在微藻基礎研究、光生物反應器的研制等方面也取得了較大的進(jìn)展,并已開(kāi)發(fā)出新型海洋微藻食品、保健品、食品添加劑及醫藥品等多種產(chǎn)品。但是,我國微藻生產(chǎn)既面臨著(zhù)國外同類(lèi)工廠(chǎng)強大的競爭對手的挑戰,又回時(shí)遇到國外市場(chǎng)迅速擴大的難得的機遇,因此,必須盡快加強該研究領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)的中國煤化工效地改變目前技CNMHG收稿日期:1999-02-24*國家“九五”科技攻關(guān)資助項目(課題編號:96-C02-04-05)海洋通報18卷術(shù)相對落后、收率低及成本高的狀況。1微藻的特點(diǎn)因為微藻與陸地微生物非常相似,所以有與微生物反應過(guò)程相似的特征;同時(shí)又由于它具有與陸地植物細胞相近的光合反應器官,因此,可以認為微藻是介于陸地微生物與植物細胞之間的一類(lèi)單細胞生物。1.1微藻反應過(guò)程的主要特征1.1.1微藻是生化反應過(guò)程的主體a)微藻如同一微小的反應器,原料中的反應物透過(guò)微藻細胞壁和細胞膜進(jìn)入體內轉化為產(chǎn)物,如蛋白質(zhì),多糖等。b)微藻也是反應過(guò)程的催化劑,它攝取了原料中的養分,通過(guò)體內特定的酶系進(jìn)行復雜的生化反應,把原料轉化為產(chǎn)品。1.12微藻反應的本質(zhì)是復雜的酶催化反應體系微藻反應過(guò)程中,一方面從外界攝取營(yíng)養物質(zhì),在體內經(jīng)過(guò)各種化學(xué)變化,把這些物質(zhì)轉化為微藻自身的組成物質(zhì),即同化過(guò)程;另一方面,微藻體內的組成物質(zhì)又不斷地分解成為代謝物而排出體外,即異化過(guò)程。1.1.3微藻反應過(guò)程是非常復雜的,主要表現為)反應體系中有藻體細胞的生長(cháng)、營(yíng)養物質(zhì)的消耗和代謝產(chǎn)物的形成,三者之間既有聯(lián)系又有差別。尤其是光能的吸收與利用使微藻細胞與一般微生物細胞存在著(zhù)明顯的不同,從而使其內部的反應過(guò)程更加復雜。b)微藻反應過(guò)程中,細胞的形態(tài)、組成、活性等都處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,細胞也經(jīng)過(guò)生長(cháng)、繁殖、維持、死亡等若干階段,不同藻齡,有不同的活性,而且細胞組成如蛋白質(zhì)多糖等成分也隨環(huán)境的變化而變化。1.2微藻的主要生物學(xué)特性由于微藻是介于陸地微生物與植物細胞之間的一類(lèi)單細胞生物,因此,微藻與陸地微生物相比具有如下特點(diǎn)a)微藻通常無(wú)復雜的生殖器官,其繁殖的方式比較簡(jiǎn)單,細胞生長(cháng)周期較短,因此易于進(jìn)行大規模培養和藻體生物量的采收和利用。b)微藻富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物,有些微藻還富含可燃性油料(含量甚至高達細胞干重的40%)、微量元素和礦物質(zhì)等,是人類(lèi)未來(lái)重要的食品和油料資源。c)由于微藻生長(cháng)環(huán)境的特殊性使微藻能在生長(cháng)過(guò)程中合成一些具有特殊性質(zhì)的生物活性物質(zhì)及原料,是人類(lèi)未來(lái)醫藥品、保健品和化工原料的希望。d)微藻能有效地進(jìn)行光合作用,將光能、HO、CO和無(wú)機鹽轉化為有機化合物;因此微藻的大規模培養有利于固定和吸收大氣中的CO2中國煤化工室效應,保護人類(lèi)的生態(tài)平衡。CNMHGe)在廢水處理方面微藻具有比較獨特的作用,微藻生物技術(shù)開(kāi)發(fā)將對環(huán)境保護作出更6期李敘鳳等:微藻及其生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究大的貢獻。2微藻的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展數學(xué)模型的研究是近代工程界的一種普遍趨勢,合理而精確的數學(xué)模型能夠從本質(zhì)上反映某過(guò)程各變量間的動(dòng)態(tài)關(guān)系,因此,建立和開(kāi)發(fā)描述反應過(guò)程的數學(xué)模型,能夠全面深刻地了解過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為。有關(guān)微生物細胞的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型學(xué)研究,國內外學(xué)者已作了大量的工作,并在工業(yè)生產(chǎn)中得以成功的應用,但對微藻生長(cháng)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究則較少見(jiàn)報道。由于微藻生長(cháng)動(dòng)力學(xué)的研究與微生物的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)一樣是研究微藻的動(dòng)態(tài)生長(cháng)行為,能更精確地了解微藻生長(cháng)過(guò)程各變量間的關(guān)系,因此有必要進(jìn)行深入的研究。微藻生長(cháng)動(dòng)力學(xué)的研究是實(shí)現高密度培養、降低生產(chǎn)成本的理論基礎。研究微藻生長(cháng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,首先應該對微藻各項基本的反應條件進(jìn)行深入而細致的研究,以分解微藻細胞的敏感反應條件,得到準確的動(dòng)力學(xué)模型常數和可靠的反應途徑,為深入研究微藻細胞生長(cháng)動(dòng)力學(xué)提供必要的實(shí)驗依據。利用前期研究結果中篩選的優(yōu)化培養條件,我們在40L光生物應器中對螺旋藻的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳細的研究,并分別獲得了如下藻體細胞生長(cháng)和基質(zhì)NaHCO消耗的動(dòng)力學(xué)模型:c()=cn-168cC、-0.189Ln1-,20∥1-e00464t01.6280.0464tC(t)=0.0464t(2)1.628實(shí)驗結果表明,該模型的總體相對平均誤差小于8%,模型能較好地描述螺旋藻生長(cháng)速率、基質(zhì)消耗速率與藻體細胞濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系2。目前,有關(guān)紫球藻的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究也在進(jìn)行之中,并取得了良好的初步結果。Karel等對室外微藻薄層高密度培養中微藻吸收CO2與生產(chǎn)O的互換關(guān)系進(jìn)行了研究;根據藻體細胞的生長(cháng)模型,他們認為,細胞O的質(zhì)量傳遞系數(Kg)和CO從培養液表面的解吸系數是隨溫度的升高而降低,且每產(chǎn)生1gO將有135gCO被吸收,這基本相當于二者的摩爾比。該結果與Buhr和 Miller等人的研究相一致,由此表明微藻細胞具有與植物細胞相似的特性;同時(shí)也說(shuō)明當培養液中的藻體細胞通過(guò)光暗區時(shí),其產(chǎn)生O速率(Ro2)下降的主要原因是光限制的結果。因此,提高微藻產(chǎn)率的措施之一是使微藻暴露于光亮區的時(shí)間更長(cháng)一些。然而有關(guān)研究表明,并非藻體細胞接受光照的時(shí)間越長(cháng)越好,因為藻體細胞在光照時(shí)間內完成對光能吸收、傳遞和轉換,產(chǎn)生光合中國煤化工在光暗時(shí)間內繼續還原和同化CO合成有機物質(zhì),即微藻細胞在生長(cháng)CNMH應過(guò)程,這一過(guò)程主要受CO和溫度等因素的影響,是固定CO的具體過(guò)程,是一個(gè)與一般化學(xué)反應過(guò)程一樣74海洋通報18卷的酶化學(xué)反應過(guò)程。A K Hilaly等在對微藻發(fā)酵優(yōu)化條件的研究中,分別對分批和連續培養條件下的細胞ⅹ)、底物(s)及抑制性產(chǎn)物(c),根據質(zhì)量平衡原理作出了非結構模型,并得出微藻細胞的比生長(cháng)速率方程:Su=A(Ks+S+S)K+從方程(3)可以看出,微藻比生長(cháng)速率在高底物濃度時(shí)是受抑制的,同樣也受產(chǎn)物的抑制。因此,必須選擇適量的底物濃度,以提高微藻的生長(cháng)速率及產(chǎn)率。FG. A Fernand等對室外管式反應器培養微藻時(shí)太陽(yáng)光的輻射進(jìn)行了詳細的研究,他們認為,當營(yíng)養條件不受限制時(shí),微藻的生長(cháng)主要取決于光照條件。并認為,當光照度很強、微藻密度很高時(shí),由于培養液表面的細胞受到了光抑制作用即由于過(guò)量的光照破壞了光合系統Ⅱ而造成的獲得光的能力的退化和培養基內任一點(diǎn)由于微藻的彼此遮擋產(chǎn)生的光限制作用同時(shí)存在;因此,藻體細胞的比生長(cháng)速率與日平均輻射量之間存在式(4)關(guān)系In+Ia式中A—比生長(cháng)速率;}—光輻射量;av平均值;k—光輻射量常數。但當日平均輻射量較低(低于1600HE·m2·s2)時(shí),培養過(guò)程中藻體細胞的光抑制作用和光限制作用可以忽略不計,該結果與 Molina grima等人的結論相一致。FGA. Fernandez等同時(shí)也討論了室外管式生物反應器培養微藻的管徑(設計變量)和稀釋度(操作變量)對微藻產(chǎn)量(率)的影響。其建立的數學(xué)模型表明,在較小的管徑和較大的光輻射量的培養條件下,雖然同時(shí)存在光限制作用和光抑制作用,但對藻體細胞的生長(cháng)速率影響不大。但是,當稀釋度增加即培養密度較低時(shí),微藻的生長(cháng)速率較快,可見(jiàn)在此條件下不會(huì )產(chǎn)生光抑制作用。王長(cháng)海在自制的40L光生物反應器中對螺旋藻和紫球藻等微藻的生長(cháng)情況進(jìn)行了比較詳細的研究,結果表明在微藻細胞生長(cháng)的對數期、減速期和靜止期中細胞濃度(X)與培養底物(S)之間存在式(5)關(guān)系dx AX(5)式中S——對微藻生長(cháng)影響最大的營(yíng)養成分碳源;根據實(shí)驗可求出模型中各參數值由于該模型與螺旋藻、紫球藻的生長(cháng)能很好地吻合,因此該結論進(jìn)一步說(shuō)明微藻與微生物具有相似的生長(cháng)特點(diǎn)。另外該研究還表明雖然光能是微藻生長(cháng)最主要的能源和限制性因素,通過(guò)一定的手段使微藻合理而高效地利用光能是取得微藻培養成功的關(guān)鍵技術(shù)。但與-般的微生物的培養相似,微藻在生長(cháng)過(guò)程中對微量元V凵中國煤化工,碳源、氮源的濃度、比例、種類(lèi)及供應方式,以及在不同的培養密CNMHG強度、混合速度等各因素之間最適配合比例也有一定的要求;通過(guò)分批或連續流加主要營(yíng)養物質(zhì)、分段調節光照強度等方法優(yōu)化微藻培養工藝、改善微藻暗反應條件,能在一定程度上有效地促進(jìn)微藻6期李敘鳳等:微藻及其生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究75生長(cháng),提高藻體細胞的生物量產(chǎn)量。3微藻生物技術(shù)方面的研究進(jìn)展31新型光生物反應器的開(kāi)發(fā)與研制從20世紀80年代,Pit等人的開(kāi)創(chuàng )性研究工作為光生物反應器的設計、開(kāi)發(fā)奠定了基礎,之后一些學(xué)者進(jìn)一步對其相關(guān)內容進(jìn)行深人的探討,從而使光生物反應器的研究得到了迅猛的發(fā)展。目前使用較多的是開(kāi)放池式培養系統,其突出的優(yōu)點(diǎn)是:結構簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便,但由于開(kāi)放培養系統易受環(huán)境污染、培養條件難以控制、藻體難以采收且收率低等,使微藻的大規模、高密度培養受到很大限制。由于密閉式光生物反應器( ClosedPhotobioreactor)有利于對培養系統進(jìn)行較好地控制和調節,并且能利用操作變量來(lái)控制生物量的產(chǎn)量和生化組成,因此在某些微藻的培養中具有很大的應用潛力。目前,國內在該領(lǐng)域的研究與國外有一定的差距。為此我們開(kāi)發(fā)研制了40L氣升式內環(huán)流光生物反應器,并系統地研究了該反應器的流體力學(xué)性。應用結果表明,由于該反應器混合環(huán)境溫和且無(wú)死角,微藻細胞在反應器中的位置是處于不停的變化狀態(tài),使微藻能吏有效地利用光能和培養液中的營(yíng)養,因此獲得了令人滿(mǎn)意的培養效果。32微藻培養條件的優(yōu)化及其生物活性物質(zhì)的分離研究在搖瓶和40L光生物反應器中,我們分別對螺旋藻、紫球藻進(jìn)行了基礎和放大培養研究。結果表明除光照外,培養溫度、營(yíng)養底物、pH值及微量元素、稀土元素等因素對微藻的生長(cháng)均有一定的影響,通過(guò)對諸因素的優(yōu)化,可以有效地提高微藻的生長(cháng)速率和生物量產(chǎn)量。在反應器中通過(guò)對光強、液體循環(huán)流動(dòng)速度、培養密度等直接影響因素的優(yōu)化,也可進(jìn)一步提高微藻的產(chǎn)量3。這些研究表明微藻在液相培養過(guò)程中對環(huán)境和營(yíng)養等因素的反應與普通微生物具有相似的規律。通過(guò)對營(yíng)養等因素和培養條件的優(yōu)化能有效地提高微藻的產(chǎn)量和產(chǎn)率。此外煙臺大學(xué)生化工程研究所實(shí)驗室還對微藻多糖、不飽和脂肪酸和藻膽蛋白等活性物質(zhì)的分離純化進(jìn)行了比較系統的研究,為今后進(jìn)一步地深入研究打下了良好的基礎。參考文獻1徐徇.海洋生物技術(shù)生物工程進(jìn)展,1995,15(3)2 Ontega-Calvo JJ. 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Then, the current research findings oculture, separaration and purification of microalgal bioactive matter and microalgalgrowth kinetics in our laboratory are reported brieflyKeywords microalgae photobioreactor; opitimization kinetics中國煤化工CNMHG