1、微藻营养方式的研究进展摘 要全球的能源形式日渐严峻，未来替代能源需求迫切，微藻生物能源具有很好的发展前景。微藻的大规模培养是目前研究的重点，采用兼养的方式效果显著，但并非所有微藻均可兼养，主要原因在于微藻自身和外源有机物选择。随着技术的不断发展微藻生物能源必将成为能源领域的主角。 关键词微藻；兼养能源 中图分类号：S968.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0291-01 随着化石能源的日渐枯竭，全球的能源危机日益加剧，目前已发生了多场以石油掠夺为目的的战争，世界安全局势因能源危机而日益紧张。与此同时，化石能源的利用所造成的环境污染不断加剧，特别是近年来由于煤炭
2、燃烧和汽车尾气排放的增加，雾霾的出现愈发频繁。因此，对清洁可持续替代能源的开发迫在眉睫。目前的清洁能源有天然气、氢气和乙醇汽油等，这些替代能源主要由作物秸秆等材料经发酵制得，因此对农业生产的依赖比较强，而现在由于城市的发展和土壤污染可用耕地面积日益减少，使得这些能源的开发利用受到很大的制约。我们生活的地球约三分之一的面积为海洋，海洋中蕴含着巨大的生产力。因此，人类社会未来发展的方向必然是海洋，未来能源的开发也将来自于海洋。海洋藻类特别是海洋微藻是主要的生产者，也是未来能源生产的主要利用对象。 1.微藻营养方式的研究 目前对利用进行微藻生物能源生产的研究已有许多报道，研究主要集中在探索微藻产生如
3、氢气、甲烷和油脂等代谢产物的机理和提高代谢产物产量的方法上。无论想要获得哪种微藻代谢产物均需要对微藻进行大规模培养，微藻的生物量通常与其代谢产物的量呈正相关，因此微藻的培养是进行一切其它研究的起点和重点。微藻具有多种不同的营养方式，大多数是以光合自养的形式生长，也有部分藻具有利用外加有机物进行异养生长的能力。对于大规模的工业培养，采用光合自养方式不利于获得大量的微藻生物量这主要是由于当微藻细胞密度达到一定程度时会阻挡光的照射引起光能限制。于是研究人员发现有一些微藻可以利用有机物作为唯一碳源进行异养生长，通过异养生长可以解决光抑制及二氧化碳供应的问题，它为进一步增加微藻的细胞密度和生产力提供了可
4、能性。 但并不是所有的微藻都可以进行异养生长，针对于这种现象有研究者提出有 3 种可能的假说：一是由于缺少必要的酶，有些微藻由于缺少分解和利用某种有机碳的酶而不能在该种碳源培养基中进行异养生长，然而这并不代表其不能在其它碳源的培养基中异养生长，因此可以尝试其它碳源。二是由于部分微藻存在吸收有机碳的屏障，这些微藻的细胞膜上缺少转运有机碳的通道和载体，使微藻无法利用外界有机物。为了打破这一屏障有研究者通过向微藻中转入人的红细胞葡萄糖转运蛋白等基因帮助微藻建立吸收外源有机物的途径。三是在有机物分解代谢过程中产生的中间产物对微藻的影响，有些中间产物对微藻具有毒害作用使其无法继续生存。还有些中间产物虽然
5、对微藻无害，但其代谢过程与 ATP的合成不相偶联，无法为微藻生长提供能量，同样不能生存。 近年来报道的微藻培养系统有：自养、化能异养、光激活异养、光异养和兼养培养。化能异养是指在完全无光的条件下利用有机碳进行异养生长。光激活异养是每天对微藻进行脉冲式短暂照射，及施以光照又不足以支持微藻进行自养生长。光异养是在含有机碳源的培养液中加入合适浓度的光系统活性抑制剂二氯苯基二甲基脲（DCMU）来实现，非环式电子传递被阻止，但光系统仍可以起作用产生 ATP。或者通过在不足以支持微藻进行自养生长的光照强度下利用有机碳进行异养生长。兼养培养是在足以支持微藻进行自养生长的光照强度下利用有机碳进行异养生长。小球
6、藻 FACHB484 在不同营养方式下的生长情况为：兼养生长光异养生长光激活异养生长化能异养生长光合自养。文献报道，通常微藻兼养的比生长速率等于异养培养与自养培养比生长速率之和，兼养培养兼有光合自养与异养代谢的性质，在光合自养条件下，二氧化碳作为唯一碳源维持微藻生长，在光异养条件下，非环式电子传递被阻断，二氧化碳不能被同化吸收，微藻只能利用有机碳进行生长1。因此，或许会出现白天自养而夜晚异养的情况。 对于异养培养外加有机物的选择十分重要，这关乎微藻培养的成败。常用的碳源有葡萄糖、醋酸盐、乳酸盐和酵母提取物。而氮源主要有蛋白胨、玉米浆和尿素。这些物质各有优缺点，其中较好的是以醋酸盐作为碳源，醋酸
7、盐可以调节 pH 值同时可污染的杂菌种类和数量有限，选用何种有机碳源进行微藻异养化取决于微藻的种类、异养化生产的终产物以及碳源成本等。以尿素作为氮源，尿素在微藻利用过程中的 pH 值的变化小且成本低。一般而言，氮源浓度的增加可以提高蛋白质的含量，但会降低脂类和碳水化合物的含量。因此，为了既使微藻能够有充足的碳源来吸收合成生长代谢所需的糖类物质和储存能量的脂类物质，又不至于因为氮源的不足或过量而影响蛋白的合成，在高细胞密度、高目标产物产率的异养培养中有必要确定培养基中初始的 C/N。 对于微藻营养方式可以通过一些方法进行检测，DNP 是一种疏水性质子载体，为氧化磷酸化的解偶联剂，DNP 能轻易扩
8、散穿过线粒体内膜，以质子化的形式将膜间隙的氢离子带回线粒体并释放到基质中，从而消除了线粒体内膜两侧的质子浓度梯度，破坏了激活 ATP 合成酶的质子驱动力，ATP 不能被合成，使氧化和磷酸化脱偶联，氧化释放的能量全部以热的形式散发。通过处理效果可以判断微藻生长的能量来源。验证微藻是否存在呼吸代谢途径和末端氧化系统的酶，可以采用丙二酸钠和叠氮化钠对微藻进行抑制试验。琥珀酸脱氢酶是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，具有严格的立体专一性。丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶的强有力的竞争性抑制物，可以阻断三羧酸循环。细胞色素氧化酶是电子传递链末端的酶。细胞色素和 P450 辅基中的铁原子可以与叠氮
9、化合物形成一个配位键，阻断呼吸链的电子传递。如果微藻对丙二酸钠和叠氮化钠的抑制都敏感2，则说明该微藻含有氧化呼吸的关键酶。 2.面临的问题 异养培养也面临着一些问题，首先是杂菌污染问题，由于异养培养体系中含有大量的有机物，因此特别适合微生物生长，而大部分的微生物与微藻是竞争关系，并且会产生一些有害物质抑制微藻生长。为了解决这个问题可以对微藻进行无菌化处理，纯化出无菌的微藻并在培养过程中添加抗生素抑菌，用于除菌的抗生素应具备两个特点：较强的抑菌或杀菌能力和对微藻较小的伤害性。不同的微藻种类其杂菌群落不同，所以选择的抗生素种类和给药浓度也不同。常用的抗生素有青霉素、卡那霉素、链霉素、庆大霉素以及氯
10、霉素等。单种抗生素给药往往难以完全除菌，所以通常将若干种抗生素联合使用以达到更好的除菌效果。由于大规模工业生产中保持绝对无菌十分困难，因此也可以人为添加与微藻可以共生又可抑制杂菌生长的微生物。另一个问题是确定有机物浓度的问题，随着培养的进行有机物的含量逐渐减少，而初始的浓度不能过高，因此需要不断的进行补料，同时及时排除多余的离子，维持相对稳定的培养环境。可以通过控制稀释率和乙酸的添加量，把残留的乙酸维持在较低的水平。同时一些盐和有毒的代谢产物可以利用小孔径的滤膜而被排除，而直径较大的微藻细胞被保留下来。由于营养方式的不同可使微藻所含的化学成分发生明显的变化，研究者发现在兼养时的叶绿素比值及类胡
11、罗卜素的含量都有所下降，和自养的细胞相比异养状态下的细胞的总脂含量是非常低。研究发现利用葡萄糖作为唯一的碳源进行异养生长时能比自养产生更多的多不饱和脂肪酸同时脂肪酸的种类也发生了变化。 3.结论 与光合自养和单纯异养培养相比，兼养的微藻产量提高，成产成本降低，因此是未来微藻培养的主要方式。今后的研究应主要放在兼养藻种选育，通过筛选或基因改造获得适合兼养生长的微藻；碳源氮源选择，筛选成本更低更适于工业生产的碳氮源，同时产生的中间产物对微藻没有毒害作用，利于兼养生长；兼养条件优化，优化兼养培养中的光照强度及光照周期使自养与异养更加协调；培养工艺的提升，提升生物反应器的性能，采用更适于光能利用的培养形式如生物膜贴壁培养。通过以上优化将大大提高微藻的生产效率降低生产成本，微藻的培养应用会日益增多，微藻必将在未来能源、粮食、健康和环境保护中发挥重要作用。参考文献 1 孔维宝，汪洋，杨红，葸玉琴，韩锐，牛世全. 不同营养方式对普通小球藻生长代谢及生化组分的影响J. 微生物学报，2015，03：299-310. 2 张帆，韩笑天，李岿然，冀晓青. 微藻的异养培养及应用研究J. 海洋科学，2012，01：117-124.
