第18卷第6期海洋通報Vol 18. No 61999年12月MARINE SCIENCE BULLETIN999微藻及其生長動力學研究李敘鳳王長海鞠寶(煙臺大學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特性以及微藻的生長動力學研究現狀進行了比較全面的綜述,并簡要報道了研究者在實驗室進行微藻培養(yǎng),微藻生物活性物質的分離純化以及微藻的生長動力學等力面的研究進展。關鍵詞微藻光生物反應器優(yōu)化動力學引言當前,世界正面臨著資源短缺、生態(tài)危機及人口膨脹等引起的糧食短缺、營養(yǎng)失調及惡性疾病增加等諸多資源短缺性問題的困擾。因此,無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家都競相爭奪和開發(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新的代謝物有2500余種;1987年至今,新發(fā)現的具有開發(fā)價值的藥用海洋天然產物已達434余種,預示了開發(fā)和利用海洋資源的廣闊前景。海洋藻類尤其是單細胞微藻,富含蛋白質、脂肪、碳水化合物及人體所必需的EPA、DHA、AA等營養(yǎng)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,開發(fā)利用海洋微藻是人類向海洋索取食品、藥品、燃料、精細化工產品以及其它重要材料的一個新途徑。因此,以開發(fā)微藻產品為主體的微藻生物技術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(yǎng)條件、產品和活性物質的分離純化和應用技術研究以及藻體細胞的生長動力學、新型光生物反應的開發(fā)等研究內容已引起世界各國藻類學者的極大的興趣和廣泛的研究,并成為海洋生化技術中的主要研究方向。近年來,發(fā)達國家政府均把發(fā)展生物技術作為重要國策而列為關鍵性的戰(zhàn)略技術加以發(fā)展。美國、德國、日本等發(fā)達國家已把海洋生物技術列為重點發(fā)展方向,尤其是將海洋微藻的大規(guī)模培養(yǎng)及其天然活性物質等的分離提取技術放在首位。與國外相比,我國的微藻生物技術起步較晚,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展,并已開發(fā)出新型海洋微藻食品、保健品、食品添加劑及醫(yī)藥品等多種產品。但是,我國微藻生產既面臨著國外同類工廠強大的競爭對手的挑戰(zhàn),又回時遇到國外市場迅速擴大的難得的機遇,因此,必須盡快加強該研究領域的相關技術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”科技攻關資助項目(課題編號:96-C02-04-05)海洋通報18卷術相對落后、收率低及成本高的狀況。1微藻的特點因為微藻與陸地微生物非常相似,所以有與微生物反應過程相似的特征;同時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單細胞生物。1.1微藻反應過程的主要特征1.1.1微藻是生化反應過程的主體a)微藻如同一微小的反應器,原料中的反應物透過微藻細胞壁和細胞膜進入體內轉化為產物,如蛋白質,多糖等。b)微藻也是反應過程的催化劑,它攝取了原料中的養(yǎng)分,通過體內特定的酶系進行復雜的生化反應,把原料轉化為產品。1.12微藻反應的本質是復雜的酶催化反應體系微藻反應過程中,一方面從外界攝取營養(yǎng)物質,在體內經過各種化學變化,把這些物質轉化為微藻自身的組成物質,即同化過程;另一方面,微藻體內的組成物質又不斷地分解成為代謝物而排出體外,即異化過程。1.1.3微藻反應過程是非常復雜的,主要表現為)反應體系中有藻體細胞的生長、營養(yǎng)物質的消耗和代謝產物的形成,三者之間既有聯系又有差別。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明顯的不同,從而使其內部的反應過程更加復雜。b)微藻反應過程中,細胞的形態(tài)、組成、活性等都處在動態(tài)變化過程中,細胞也經過生長、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微藻的主要生物學特性由于微藻是介于陸地微生物與植物細胞之間的一類單細胞生物,因此,微藻與陸地微生物相比具有如下特點a)微藻通常無復雜的生殖器官,其繁殖的方式比較簡單,細胞生長周期較短,因此易于進行大規(guī)模培養(yǎng)和藻體生物量的采收和利用。b)微藻富含蛋白質、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%)、微量元素和礦物質等,是人類未來重要的食品和油料資源。c)由于微藻生長環(huán)境的特殊性使微藻能在生長過程中合成一些具有特殊性質的生物活性物質及原料,是人類未來醫(yī)藥品、保健品和化工原料的希望。d)微藻能有效地進行光合作用,將光能、HO、CO和無機鹽轉化為有機化合物;因此微藻的大規(guī)模培養(yǎng)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,微藻生物技術開發(fā)將對環(huán)境保護作出更6期李敘鳳等:微藻及其生長動力學研究大的貢獻。2微藻的生長動力學研究進展數學模型的研究是近代工程界的一種普遍趨勢,合理而精確的數學模型能夠從本質上反映某過程各變量間的動態(tài)關系,因此,建立和開發(fā)描述反應過程的數學模型,能夠全面深刻地了解過程的動態(tài)行為。有關微生物細胞的生長動力學模型學研究,國內外學者已作了大量的工作,并在工業(yè)生產中得以成功的應用,但對微藻生長動力學的相關研究則較少見報道。由于微藻生長動力學的研究與微生物的生長動力學一樣是研究微藻的動態(tài)生長行為,能更精確地了解微藻生長過程各變量間的關系,因此有必要進行深入的研究。微藻生長動力學的研究是實現高密度培養(yǎng)、降低生產成本的理論基礎。研究微藻生長動力學過程,首先應該對微藻各項基本的反應條件進行深入而細致的研究,以分解微藻細胞的敏感反應條件,得到準確的動力學模型常數和可靠的反應途徑,為深入研究微藻細胞生長動力學提供必要的實驗依據。利用前期研究結果中篩選的優(yōu)化培養(yǎng)條件,我們在40L光生物應器中對螺旋藻的生長動力學進行了詳細的研究,并分別獲得了如下藻體細胞生長和基質NaHCO消耗的動力學模型:c()=cn-168cC、-0.189Ln1-,20∥1-e00464t01.6280.0464tC(t)=0.0464t(2)1.628實驗結果表明,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速率、基質消耗速率與藻體細胞濃度和基質濃度之間的關系2。目前,有關紫球藻的生長動力學研究也在進行之中,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(yǎng)中微藻吸收CO2與生產O的互換關系進行了研究;根據藻體細胞的生長模型,他們認為,細胞O的質量傳遞系數(Kg)和CO從培養(yǎng)液表面的解吸系數是隨溫度的升高而降低,且每產生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;同時也說明當培養(yǎng)液中的藻體細胞通過光暗區(qū)時,其產生O速率(Ro2)下降的主要原因是光限制的結果。因此,提高微藻產率的措施之一是使微藻暴露于光亮區(qū)的時間更長一些。然而有關研究表明,并非藻體細胞接受光照的時間越長越好,因為藻體細胞在光照時間內完成對光能吸收、傳遞和轉換,產生光合中國煤化工在光暗時間內繼續(xù)還原和同化CO合成有機物質,即微藻細胞在生長CNMH應過程,這一過程主要受CO和溫度等因素的影響,是固定CO的具體過程,是一個與一般化學反應過程一樣74海洋通報18卷的酶化學反應過程。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(xù)培養(yǎng)條件下的細胞ⅹ)、底物(s)及抑制性產物(c),根據質量平衡原理作出了非結構模型,并得出微藻細胞的比生長速率方程:Su=A(Ks+S+S)K+從方程(3)可以看出,微藻比生長速率在高底物濃度時是受抑制的,同樣也受產物的抑制。因此,必須選擇適量的底物濃度,以提高微藻的生長速率及產率。FG. A Fernand等對室外管式反應器培養(yǎng)微藻時太陽光的輻射進行了詳細的研究,他們認為,當營養(yǎng)條件不受限制時,微藻的生長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,由于培養(yǎng)液表面的細胞受到了光抑制作用即由于過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(yǎng)基內任一點由于微藻的彼此遮擋產生的光限制作用同時存在;因此,藻體細胞的比生長速率與日平均輻射量之間存在式(4)關系In+Ia式中A—比生長速率;}—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,培養(yǎng)過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等同時也討論了室外管式生物反應器培養(yǎng)微藻的管徑(設計變量)和稀釋度(操作變量)對微藻產量(率)的影響。其建立的數學模型表明,在較小的管徑和較大的光輻射量的培養(yǎng)條件下,雖然同時存在光限制作用和光抑制作用,但對藻體細胞的生長速率影響不大。但是,當稀釋度增加即培養(yǎng)密度較低時,微藻的生長速率較快,可見在此條件下不會產生光抑制作用。王長海在自制的40L光生物反應器中對螺旋藻和紫球藻等微藻的生長情況進行了比較詳細的研究,結果表明在微藻細胞生長的對數期、減速期和靜止期中細胞濃度(X)與培養(yǎng)底物(S)之間存在式(5)關系dx AX(5)式中S——對微藻生長影響最大的營養(yǎng)成分碳源;根據實驗可求出模型中各參數值由于該模型與螺旋藻、紫球藻的生長能很好地吻合,因此該結論進一步說明微藻與微生物具有相似的生長特點。另外該研究還表明雖然光能是微藻生長最主要的能源和限制性因素,通過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(yǎng)成功的關鍵技術。但與-般的微生物的培養(yǎng)相似,微藻在生長過程中對微量元V凵中國煤化工,碳源、氮源的濃度、比例、種類及供應方式,以及在不同的培養(yǎng)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;通過分批或連續(xù)流加主要營養(yǎng)物質、分段調節(jié)光照強度等方法優(yōu)化微藻培養(yǎng)工藝、改善微藻暗反應條件,能在一定程度上有效地促進微藻6期李敘鳳等:微藻及其生長動力學研究75生長,提高藻體細胞的生物量產量。3微藻生物技術方面的研究進展31新型光生物反應器的開發(fā)與研制從20世紀80年代,Pit等人的開創(chuàng)性研究工作為光生物反應器的設計、開發(fā)奠定了基礎,之后一些學者進一步對其相關內容進行深人的探討,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放池式培養(yǎng)系統,其突出的優(yōu)點是:結構簡單、成本低廉、操作方便,但由于開放培養(yǎng)系統易受環(huán)境污染、培養(yǎng)條件難以控制、藻體難以采收且收率低等,使微藻的大規(guī)模、高密度培養(yǎng)受到很大限制。由于密閉式光生物反應器( ClosedPhotobioreactor)有利于對培養(yǎng)系統進行較好地控制和調節(jié),并且能利用操作變量來控制生物量的產量和生化組成,因此在某些微藻的培養(yǎng)中具有很大的應用潛力。目前,國內在該領域的研究與國外有一定的差距。為此我們開發(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性。應用結果表明,由于該反應器混合環(huán)境溫和且無死角,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(yǎng)液中的營養(yǎng),因此獲得了令人滿意的培養(yǎng)效果。32微藻培養(yǎng)條件的優(yōu)化及其生物活性物質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、紫球藻進行了基礎和放大培養(yǎng)研究。結果表明除光照外,培養(yǎng)溫度、營養(yǎng)底物、pH值及微量元素、稀土元素等因素對微藻的生長均有一定的影響,通過對諸因素的優(yōu)化,可以有效地提高微藻的生長速率和生物量產量。在反應器中通過對光強、液體循環(huán)流動速度、培養(yǎng)密度等直接影響因素的優(yōu)化,也可進一步提高微藻的產量3。這些研究表明微藻在液相培養(yǎng)過程中對環(huán)境和營養(yǎng)等因素的反應與普通微生物具有相似的規(guī)律。通過對營養(yǎng)等因素和培養(yǎng)條件的優(yōu)化能有效地提高微藻的產量和產率。此外煙臺大學生化工程研究所實驗室還對微藻多糖、不飽和脂肪酸和藻膽蛋白等活性物質的分離純化進行了比較系統的研究,為今后進一步地深入研究打下了良好的基礎。參考文獻1徐徇.海洋生物技術生物工程進展,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