生物技术研究引领中国微藻产业发展的六十年:回顾与展望

微藻是单细胞放氧光合作用微生物.据记载,早在1500年前的晋代,中国人就有食用微藻的传统,并尝试将其作为中药治疗疾病. 1959～1962年的三年困难时期,党和国家鼓励科学家开展小球藻替代粮食的研究,微藻生物技术开始得到发展. 20世纪80年代的"把螺旋藻作为全民蛋白质的补充"国家战略,为微藻生物技术的进步注入了创新活力.随着藻种选育技术、跑道式和管道式反应器的进步,以及微藻培养方式的根本性创新,我国的螺旋藻、小球藻、雨生红球藻和裸藻生物量接连取得根本性的突破,中国成为世界最大的微藻生产国.我国微藻生物技术研究将在引领产业降低生产成本、提高生产规模和效益的同时,引导建立微藻精准应用及环境治理的生物经济新模式.     

盐藻与β—胡萝卜素

微藻生物技术是近年来新兴的生物技术之一,至今有三种微藻已大规模生产,包括小球藻、螺旋藻与盐生杜氏藻(简称盐藻)。由于盐藻能生产出干重高达10％的β-胡萝卜素,现已成为微藻中占有最大市场的种类。关于盐藻养殖生物学、盐藻β-胡萝卜素的生产及应用,已成为各国科学家研究的焦点。1983年召开的第十一届国际海藻会议将盐藻及β-胡萝卜素列入大会的专题讨论,1990年世界营养学会的主题是β-胡萝卜素,1991年美联社将β-胡萝卜素的作用选为世界十大科技新成就之一。     

微藻生物质产品和生物活性物质的研究与开发

本文综述了微藻在生物质产品及活性物质开发上的研究进展。部分微藻如节旋藻、小球藻、盐生杜氏藻和雨生红球藻等已用于商业化生产生物质产品。另外,从微藻中提炼的生物活性成分如β-胡萝卜素、虾青素、藻蓝蛋白、长链多不饱和脂肪酸和活性多糖等已应用于营养保健品和化妆品的生产。基于微藻种类的多样性和基因工程、代谢工程的快速发展,微藻天然产物具有很大的开发潜力。     

微藻藻种的筛选和育种及基因工程改造

正利用微藻油脂、烷烃或微藻淀粉生产生物柴油或生物酒精已成为国际生物能源研究领域的前沿和各个国家尤其是西方发达国家能源科技竞争的热点。然而,微藻生物燃料面临用于大规模工业化培养的微藻品种较少、生产成本高而难于商业化应用的问题。文章深入研究微藻生物技术的发展,对目前微藻藻种筛选、育种和基因工程技术改造进行分析,为进一步发掘筛选新的微藻生物资源、获得富含生物燃料原料成分及多种生物活性成分的优良藻种提供指导,加快微藻的生物产品和生物燃料商业化生产。     

三种微藻对城市二级出水脱氮除磷作用的研究

利用污水培养微藻可去除废水中的氮、磷污染物, 又可以实现生物质生产的耦合。以城市二级出水做为培养基, 选取了小球藻(Chlorella sp.)、栅藻( Scenedesmus sp.)、螺旋藻(Spirulina sp.)为实验藻种, 考察3种微藻的生长特性和脱氮除磷的能力。结果表明, 所选的藻种在模拟二级出水中都能较好生长, 其中栅藻的生物量高于小球藻和螺旋藻, 最大生物量分别为0.328 g·L-1、0.264 g·L-1、0.192 g·L-1, 比生长速率为0.226 d-1、0.213 d-1、0.197 d-1。栅藻的油脂产量达97.35 mg·L-1, 高于其他两种微藻。3种微藻对模拟二级出水都具有较好的脱氮除磷效能, TP的去除率达到90%以上, TN的去除率达到80%以上。实验结果表明利用3种微藻均可达到对二级出水的深度脱氮除磷和生物质的富集。     

基于文献计量学的微藻生物技术发展趋势

微藻作为一类单细胞光合生物,具有光能利用率高、生长速度快、生物活性成分和储能物质含量高等特点,在食品、饲料、生物能源、碳减排和废水处理等领域具有广阔的应用前景。本文系统查阅了近年来国内外微藻领域发表的相关文献和专利,藉此对微藻生物技术领域的研究进展及存在问题进行了梳理和分析,并对我国微藻生物技术的科技布局、重要成果及发展瓶颈进行了概述,最后对微藻生物技术的发展趋势予以展望。     

不同氮源及氮浓度对真眼点藻纲微藻生长及油脂积累的影响

以真眼点藻纲8株微藻(类波氏真眼点藻(Eustigmatos cf. polyphem)、大真眼点藻(Eustigmatos magnus)、波氏真眼点藻(Eustigmatos polyphem)、魏氏真眼点藻(Eustigmatos vischeri)、斧形魏氏藻(Vischeria helvetica)、点状魏氏藻(Vischeria punctata)、星形魏氏藻(Vischeria stellata)和眼点拟微绿球藻(Nan-nochloropsis oculata))为研究材料, 用3种氮源(硝酸钠、碳酸氢铵或尿素)和4种氮浓度(18、9、6和3 mmol) 在改良的BG-11培养基中对藻细胞进行培养。比较分析这8株微藻在不同培养条件下的藻液pH、生物量、油脂含量、脂肪酸组成的差异, 从而筛选出适合该类微藻生长和油脂积累的最适氮源与最佳氮浓度。结果表明, 这8株微藻均能在3种氮源中生长, 但是随着培养时间延长, 以碳酸氢铵和尿素为氮源时藻液pH逐渐降低, 其变化范围为5.0—6.0, 而以硝酸钠为氮源时藻液pH保持在7.0—8.0, 变化不大。当以尿素为氮源培养时, 能获得较高的生物量, 但是不同藻株在不同尿素浓度时达到最高生物量。最高生物量是波氏真眼点藻(E. polyphem)在9 mmol时达到, 为10.96 g/L。总脂含量分析发现, 在低氮浓度下均能促进8株微藻油脂的积累, 真眼点藻属中的魏氏真眼点藻(E. vischeri)在8株藻中获得最高油脂含量, 达到59.24%。进一步对脂肪酸分析发现, 8株微藻总脂肪酸含量为细胞干重的50%—58%, 主要脂肪酸组成为豆蔻酸(C14鲶0)、棕榈酸(C16鲶0)、棕榈油酸(C16鲶1)、油酸(C18鲶1)和二十碳五烯酸(C20鲶5), 其中拟微绿球藻(N. oculata)细胞中棕榈酸的含量最高占总脂肪酸50%左右; 其他7株微藻细胞中棕榈油酸的含量较高, 其占总脂肪酸含量范围在40%—60%。8株微藻均表现出较高的生物量与油脂积累能力, 以尿素为氮源, 氮浓度为6 mmol时更有利于该类微藻生物量和油脂的积累。总体来说, 真眼点藻纲的微藻是一类极具潜力适合于微藻生物燃料生产的微藻, 而真眼点藻属藻株表现更为明显的优势。     

富油微藻的筛选及其产油能力的评价

【目的】筛选具有较快生长速率及较强产油能力的微藻,探究所获得微藻的生理生化性能及不同培养方式对其生物量、产油能力、碳消耗等生长特性的影响与藻种对pH的适应能力。【方法】通过磷酸香草醛测定法及尼罗红染色对微藻进行初筛复筛,通过设置光合自养、异养和混养等3种培养方式,并采用气质联用等方法,研究不同培养方式对所获微藻生长特性、所产油脂脂肪酸组成以及碳代谢等方面的影响。【结果】筛选出两株产油能力较强的藻株H、Z_8,其油脂产量分别可达1.14±0.05 g/L和1.33±0.10 g/L,经形态观察和分子生物学鉴定初步表明藻株H属布朗单针藻(Chlorolobion braunii)、藻株Z_8属链带藻(Desmodesmus intermedius)。构建了不同培养方式下微藻动力学模型,H、Z_8属于生长偶联型。当培养环境的pH处于6.0–9.0,对藻株H、Z_8的总脂量与生物量无明显差异(P0.05)。【结论】筛选获得的藻株H、Z_8中C16与C18脂肪酸占总脂肪酸的比率能达到90%以上。藻种在混养条件下生物量积累优于异养,但异养条件下更加有利于油脂的积累,且H、Z_8均具有较为宽泛的pH适应能力,是具有一定产业化应用潜力的优良产油藻株。     

最新专利文摘

CN102485889A紫外诱变获得的栅藻属微藻突变株及其应用本发明公开了一种栅藻属微藻突变株的方法。该菌株是由野生型栅藻属微藻0301A通过紫外诱变而获得的,是生长速度更快、产油量更高和/(或)虾青素产量更高的突变株。本发明还涉及野生型栅藻属微藻0301A及其突变株在生产生物柴油、处理污水、生产虾青素、生产鱼虾饵料或家禽家畜饲料和固定CO2中的     

微藻规模培养技术研究进展

产油微藻是最具潜力的生物能源油脂资源之一,有关微藻生物能源的技术研究开发近年来受到国内外持续重视。微藻能源生产是一个涉及到从藻种、规模培养技术与装备,到能量转化加工全产业链的复杂过程,其中以解决微藻生物量资源的规模培养是整个产业过程的核心。从微藻的产能潜力分析出发,对微藻的光自养与异养模式以及微藻的开放池和光反应器培养研究进展进行了总结,特别分析了近些年发展起来的微藻序贯式异养—稀释—光诱导和贴壁培养技术等。并对涉及微藻培养的相关技术包括光能利用、水源和二氧化碳源解决,以及污染及其控制研究进展进行了分析。在此基础上,提出微藻规模培养必须以高效抗逆工业性状和高值化学品联产特色藻种的选育,与装备创新为重点和突破口,并将废气/废水等利用与规模培养相结合,从而构建起与环境处理相耦联的微藻能源—高值化学品多联产产业技术体系。     

利用絮凝进行微藻采收的研究进展

微藻可生产不饱和脂肪酸及色素等多种高附加值产品,同时也可用来生产可再生清洁能源如生物柴油等,具有良好的应用前景。但是,目前微藻细胞的采收成本高居不下,已成为限制微藻生物技术大规模应用的重要因素之一。与其他方法相比,絮凝采收成本低、操作简便,是很有应用前景的采收方法。本文综述了国内外利用化学絮凝、物理絮凝及生物絮凝等方法对不同微藻细胞进行采收的研究,重点对生物絮凝方法进行了总结。利用微生物絮凝剂及微藻细胞的自絮凝进行微藻生物量的回收,是微藻采收技术中环境友好、低成本和行之有效的新方法之一。     

微藻生物炼制技术

积极发展以生物质原料为基础的生物炼制产业,对于解决能源危机、改善能源结构具有重大意义。微藻作为一种重要的生物质资源,具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应性强、生长周期短和产量高等突出特点,是进行生物炼制的优良材料,它在生产微藻燃料、开发微藻生物制剂和提取生物活性物质等方面具有广阔的开发前景。综述了微藻的培养特点和功能,介绍了微藻生物炼制技术的内容和领域,并对其发展前景作出展望。     

布朗葡萄藻：从二氧化碳固定到烷烃、烯烃与萜烯的生物合成

高效生物生产碳氢化合物是解决石油等液体燃料短缺的有效手段之一,而微藻油是生产可持续生物燃料的可靠选择。布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)是一种由单细胞组成的不定形群体绿藻,能够积累大量碳氢化合物,最高含量可达其干重的75%,因而受到广泛关注。近年来随着对葡萄藻生物学特性和生长生理的不断深入研究,提高了其规模化培养及其碳氢化合物工业化生产的可行性。从生物学特性、碳氢化合物合成途径及调控因子、多组学研究和规模化培养技术几方面简单叙述了布朗葡萄藻作为新型产油微藻生产碳氢化合物的潜力,为探索利用布朗葡萄藻大规模工业化生产生物燃料提供参考,从而加速该微藻资源的开发利用。     

培养基琼脂浓度及抗生素对3种海洋微藻生长的影响

目的:确定用于分离、纯化及保种所用的固体培养基中优化的琼脂浓度和利于微藻生长并抑菌的抗生素浓度。方法:设计固体培养基中的琼脂浓度以及培养液中抗生素的种类和浓度,定时测定培养体系中三种微藻的生物量及细菌菌落随培养时间的变化。结果:利于固体培养基上三种微藻生长的琼脂浓度均为0.6%~0.8%;牟氏角毛藻用200IU/ml的庆大霉素和200IU/ml的青霉素联合作用,球等鞭金藻8701和盐藻分别用300IU/ml和400IU/ml的青霉素时可保证微藻较好生长。结论:不同微藻生长所需的抗生素浓度不同,抗生素对微藻生长的影响不完全取决于抑菌作用,青霉素促进球等鞭金藻8701生长主要是产生促生长因子,庆大霉素抑制生长可能是产生抑制因子。     

富油能源微藻的筛选及产油性能评价

为了筛选具有产油潜力的能源微藻,以实验室保藏的20株淡水和海洋微藻(绿藻门18株,真眼点藻纲1株,硅藻纲1株)为研究对象,利用光径为3 cm柱状光生物反应器通气分批培养,通过测定微藻培养物的生物量和总脂含量等指标,从中筛选生长速度快、生物量和总脂含量高的微藻。结果表明:20株微藻的生物量和总脂含量分别在1.81~7.88g/L和16.0%~55.9% dw(% Dry weight)之间,筛选得到具有产油潜力的微藻9株,分别是栅藻(Scenedesmus sp.)(6.34g/L,55.9% dw)、麻织绿球藻(Chlorococcum tatrense)(5.93g/L,46.9% dw)、眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)(7.88g/L,35.0% dw)、油面绿球藻(Chlorococcum oleofaciens)(5.58g/L,45.9% dw)、多形拟绿球藻(Pseudochlorococcum polymorphum)(6.10g/L,40.0% dw)、八月衣藻(Chlamydomonas augustae)(5.78g/L,40.5% dw)、椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)(5.56g/L,40.7%dw)、椭圆绿球藻(Chlorococcum ellipsoideum)(5.41g/L,38.0% dw)、雪绿球藻(Chlorococcum nivale)(5.55g/L,36.3% dw),其中最具产业化潜力的微藻为栅藻(Scenedesmus sp.),其总脂收获量和单位体积总脂产率分别为3.5 g/L和218.7mg/L·d。     

微藻叶绿素荧光值与传统生长指标的关联性研究

利用TD-700型叶绿素荧光仪测定了6种不同海洋和淡水微藻,即锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)、球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)、四列藻(Tetraselmis tetrethele)和雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)的叶绿素荧光值,同时采用经典方法同步测定其细胞密度和叶绿素a含量。统计分析结果显示,微藻细胞密度、叶绿素a含量、叶绿素荧光值三者之间具有显著或极显著的正相关关系。因此,利用叶绿素荧光仪测定微藻生物量的方法是切实可行的,具有快捷方便、灵敏度高的优点。     

微藻代谢工程改造研究进展及展望

微藻种类繁多,分布广泛,很多微藻能通过自身代谢生产油脂、色素、多糖等高价值产品.但通常情况下,微藻生产高价值产品时存在产物含量低以及细胞采收成本高等缺点,限制了微藻产品的实际应用.为了有效开发利用微藻资源,研究如何利用遗传改造技术选育藻株,提高其代谢物含量,并改善微藻采收效率十分重要.近年来,利用代谢工程改造微藻取得了显著进展,此外,微藻基因组编辑及合成生物学研究也不断深入,这些遗传改造技术的不断进步和创新,必将提高微藻重要代谢物的生产效率,以满足人类不断增长的能源、食品和制药工业需求.     

产油微藻筛选和鉴定及其产油性能的研究

为了筛选具有产油能力的微藻,从自然界水体中分离出14株微藻,根据形态特点对它们进行了初步鉴定。对其中12株微藻在自养和异养条件下的生长特性和产油性能进行了比较。通过微藻的生长曲线,生物量和油脂含量等指标,从中筛选出高产藻株并对该藻株进行了分子生物学鉴定。结果表明:藻株Y06在12种微藻中的油脂产量和产率最高,经18S rDNA鉴定确定为栅藻(Scenedesmus abundans)。藻株Y06在自养条件下的油脂产率为9.40 mg/(L.d),在异养条件下的油脂产率为201.29 mg/(L.d)。     

3种海洋赤潮微藻蛋白质和核酸合成对UV-B辐射增强的响应

应用同位素标志法, 研究了赤潮异弯藻 (Heterosigmaakashiwo) 、亚历山大藻 (Alexandriumtamarense ) 和中肋骨条藻 (Skeletonemacostatum) 核酸和蛋白质合成对紫外线B波段 (UV_B, 2 80~ 32 0nm) 辐射增强的响应变化。结果表明 :1) 按照由高到低的顺序, 3种海洋赤潮微藻对UV_B辐射增强的敏感性依次是赤潮异弯藻、亚历山大藻和中肋骨条藻。 2 ) UV_B辐射增强抑制赤潮异弯藻的生长和脱氧核糖核酸 (DNA) 的合成, 而低剂量的UV_B辐射对中肋骨条藻和亚历山大藻的生长与DNA的合成表现出刺激作用, 高剂量则表现出抑制作用。 3) 随着UV_B辐射的增强, 3种海洋赤潮微藻核糖核酸 (RNA) 和蛋白质的合成速度下降, 其中赤潮异弯藻合成速度的下降幅度明显大于中肋骨条藻和亚历山大藻, 表明赤潮异弯藻RNA和蛋白质的合成对UV_B辐射增强的敏感性高于中肋骨条藻和亚历山大藻。     

应用叶绿素荧光法测定微藻生物量的方法

为了探求叶绿素荧光值与海洋微藻生物量的关系,利用TD-700型叶绿素荧光仪测定了6种典型海洋赤潮藻在不同生长期(指数生长期和稳定生长期)时的叶绿素荧光值,同时用传统方法测定细胞密度,且利用Leica Qwin软件测量细胞大小。结果显示:微藻在同一生长时期细胞密度与叶绿素荧光值存在极显著的正相关关系,不同生长时期细胞密度也与单位叶绿素荧光值存在较显著正相关关系。因此,利用叶绿素荧光仪测定微藻生物量的方法是切实可行的,具有快捷方便、灵敏度高、可靠性强的优点。