平板光生物反应器光径对金藻生长及有机物质积累的影响_吴电云

摘要 ［目的］为金藻( Isochrysis galbana Parke) 的大规模培养、药用研究及开发利用提供参考。［方法］在不同光径平板生物反应器中培 养金藻，并对藻细胞的生长状况和细胞内的有机物质含量进行了分析。［结果］藻细胞的生长速率及单位体积产量随光径的减小而增 大; 单位面积产量随光径的增大而增大; 光径越小的生物反应器中培养的金藻藻细胞内的总脂、蛋白质及多糖占细胞干重的总量越高。 ［结论］根据生产需要选择合适的生物反应器，可有效提高生产效率、降低生产成本。 关键词 金藻; 光径; 光生物反应器; 产率; 有机物质 中图分类号 O 819 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611( 2011) 09 － 05229 － 02
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安徽农业科学
2011 年
1． 3 数据处理 采用 SPSS13． 0 软件进行数据分析。 2 结果与分析 2． 1 不同光径条件下金藻藻细胞的生长动力学 由图 1 可 见，在接种的前 4 d，藻细胞数目基本保持不变，处于延滞生 长期。4 d 后，已适应新环境的细胞开始增殖，细胞密度开始 上升，且不同光径平板反应器中藻细胞密度开始出现显著差 异，其中 5 cm 光径反应器中的藻细胞密度明显高于 8、10 cm 光径反应器。接种后第 9 天到第 12 天，各反应器中的细胞 密度基本保持不变，5 cm 光径反应器藻细胞密度维持在 6． 4 × 106 个 / ml，8 cm 光径反应器为 5． 5 × 106 个 / ml，10 cm 光径 反应器为 5． 2 × 106 个 / ml。可以推测，由于营养物质的消耗 及细胞有害代谢产物的排放［9 －10］，此时藻细胞生长已进入平 稳期。第 12 天后补充海水，并加入藻细胞生长所需的营养 成分。细胞延迟 1 d 后，在第 14 天开始继续生长，细胞密度 进一步提高。5 cm 光径反应器细胞密度在第 18 天达到 1． 1 × 107 个 / ml，8、10 cm 光径反应器细胞密度在第 19 天达到最 高，分别为 8． 275 × 106 、7． 45 × 106 个 / ml，之后细胞开始进入 衰亡期。
BCD-236H 型冰箱，青岛海尔股份有限公司生产; SK-1 型快 速混匀器和 HH-S 型水浴锅，金坛市恒丰仪器厂生产; GR21G 型高速冷冻离心机，北京京立离心机有限公司生产; RE-52 型旋转蒸发器，上海隆拓仪器设备有限公司生产; 101A-1E 型电热鼓风干燥箱，上海安亭电子仪器厂生产; UV-2000 型 紫外分光光度计，上海仪器有限公司生产; 98-1-B 型电子调 温电热套，天津市泰斯特仪器有限公司生产; XB-K-25 血球 计数板，上海安信光学仪器制造有限公司生产。 1． 2 方法 1． 2． 1 金藻培养。选择无原生动物污染、生长良好的藻种， 利用气生式平板光生物反应器进行扩种培养。取指数生长 期的藻液进行试验。接种密度为 1． 45 × 106 个 / ml，培养温度 控制在 20 ～ 24 ℃ ，培养基初始 pH 值 7． 0，光照强度为 2 400 ～ 3 200 lx，通气量为 0． 5 L / ( min·L) 。 1． 2． 2 计数和计算。金藻细胞采用 XB-K-25 血球计数板计 数。采用分光光度法测定 680 nm 波长处藻液的 OD 值，同时 计算藻体生长速率，公式为: K = ( lnNt － lnN0 ) / ( t － t0 ) ［4］。 式中，Nt 为试验刚进入稳定期的细胞数目; t0 为试验刚进入 对数期的时间; N0 为试验刚进入对数期的细胞数目; t 为试验 刚进入稳定期的时间。 1． 2． 3 金藻藻细胞中有机物质含量的测定。 1． 2． 3． 1 多 糖 的 提 取 及 测 定。 取 一 定 体 积 的 藻 液， 8 000 r / min离心 5 min，弃上清，收集湿藻体加适量蒸馏水， 反复冻融 3 次，离心，收集冻融上清液。藻体碎片加一定量 蒸馏水，沸水浴加热 3 h，滤纸过滤得滤液，与冻融上清液合 并，定容，采用蒽酮法测定多糖含量［5］。 1． 2． 3． 2 蛋 白 质 的 提 取 及 测 定。取 一 定 体 积 的 藻 液， 8 000 r / min离心 5 min，弃上清，收集湿藻体加适量蒸馏水， 反复冻融 3 次，滤纸过滤得滤液，定容，采用考马斯亮蓝法测 定蛋白质含量［6-7］。 1． 2． 3． 3 粗 脂 肪 含 量 的 测 定。参 见 刘 胜 臣 等［8］ 的 方 法 进行。
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2011，39( 9) : 5229 － 5230，5398
责任编辑 乔利利 责任校对 马君叶
平板光生物反应器光径对金藻生长及有机物质积累的影响
吴电云 ，邹 宁 ，高维锡 ，黄清荣 1
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( 1． 鲁东大学生命科学学院，山东烟台 264025; 2． 烟台职业学院，山东烟台 264670)
金藻由于个体小，无细胞壁，易消化，富含高能量的脂类 物质，尤其是富含贝类生长发育所需的不饱和脂肪酸，因此 它在水产经济动物生产中有着重要作用［1］。金藻对温度、光 照强度及营养等因素的要求高，且极易受其他微藻及原生动 物等的污染，因此较难实现高密度培养。而藻细胞接受的光 照强度不仅受太阳光的影响，而且当太阳光穿过反应器壁和 培养基到达藻细胞时，光照强度势必会减弱，即光照强度还 与光反应器的光径( 光反应器的厚度) 和藻细胞培养密度有 着密切关系。在传统藻反应器中大量培养微藻时，必须严格 控制藻细胞密度，培养密度低，这种培养方式中，光能得不到 充分利用，极大浪费了有效资源［2］。要想提高微藻产量，必 须确保每个藻细胞能够获得充足的光能，能充分进行光合作 用。改变反应器的光径，实现微藻的高密度培养是一种有效 利用光能的方法，并且单细胞获得的光能越多，光合作用越 充分，有机物质的积累也越多。基于此，笔者采用实验室一 次培养法研究了不同光径对金藻生长及有机物质积累的影 响，旨在为 金 藻 的 大 规 模 培 养、药 用 研 究 及 开 发 利 用 提 供 参考。 1 材料与方法 1． 1 材料 1． 1． 1 藻种。金藻藻种由鲁东大学生命科学学院经济藻种 种质库提供。 1． 1． 2 培养基。培养基配方参见邹宁等［3］，各营养成分先 配成 1 000 倍母液，121 ℃ 灭菌 20 min，备用。海水利用次氯 酸( V / V = 1 000∶1． 2) 灭菌 24 h。 1． 1． 3 主要仪器。5、8、10 cm 3 种不同光径的气升式平板光 生物反应器，自制; FD-1 型冷冻干燥机，西安德派生物科技有 限公司生产; FC-204 型电子天平，上海精科天平仪器厂生产;
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2． 2 不同光径对金藻生物产量的影响 由图 2 可见，光生 物反应器光径对藻细胞产量有明显影响。单位体积产量随 光径的增大而减小，当反应器光径由 5 cm 增大到 10 cm 时， 金藻的单位体积产量下降了近 2 倍; 与之相反，藻细胞单位
面积产量随反应器光径的增大而增大，当反应器光径由 5 cm 增大到 10 cm 时，藻细胞单位面积产量增大了 2 倍多。这是 因为藻细胞只有在靠近光生物反应器表面很近的区域内才 能接受到有效光能，在光径小的反应器内，表面积与体积的 比例大，光暗 循 环 周 期 短、频 率 快，藻 细 胞 获 得 光 照 的 机 会 多，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ充分进行光合作用，光合作用效率高，单位体积内藻细 胞密度大，所以单位体积产量随光径的减小而增大。但是在 相同表面积条件下，光径小的反应器体积小，所以光生物反 应器的光径越小，藻细胞的单位面积产量越小［11 －12］。
由表 1 可见，反应器光径越小，藻细胞生长速率越大。 藻细胞在补充新鲜海水和充足营养之后，能快速进入第 2 次 生长，但第 2 次的藻细胞生长速率明显低于第 1 次。这是因 为细胞生长过程中释放了有害代谢产物，对细胞生长产生一 定的抑制作用［9 －10］; 此外细胞密度的增大使藻细胞之间相互 遮蔽，单细胞获得的光能减少，也会一定程度上降低微藻的 生长速度。
基金项目 作者简介 收稿日期
国家科技部海洋 863 海洋生物技术计划项目( 2008AA09Z403) ; 山东高校科技计划项目( J05I03) 。 吴电云( 1985 － ) ，女，山东烟台人，硕士研究生，研究方向: 藻 类细胞工程，E-mail: sdwdyun@ 163． com。 2010-12-17
with different light-paths
反应器光径∥cm Light-path of photobioreactors 5 8 10
初始生长速率( K1 )
Initial growth rate
0． 21 0． 14 0． 11
第 2 次生长速率( K2 )
The second growth rate
Effect of Flating Photobioreactor Light-path on the Growth and Organic Matter Accumulation of Isochrysis galbana Parke WU Dian-yun et al ( School of Life Sciences，Ludong University，Yantai，Shandong 264025) Abstract ［Objective］The paper aims to provide references to cultivate I． galbana in a large scale and explore its medical value．［Method］I． galbana had been cultivated in different light-path flat plate bioreactors，and the growth condition and content of organic matter within cells of I． galbana had been analyzed．［Result］Growth rate and volumetric productivity of I． galbana cells increased as light-path of flat plate bioreactors decreased，however，daily areal output rate rose with the increasing of light path． The smaller the light path of flat plate bioreactors was，the more content of total lipids，protein and polysaccharide it had in I． galbana cells．［Conclusion］It is an effective way to improve production efficiently and reduce the cost by selecting the suitable bioreactors． Key words Isochrysis galbana Parke; Light-path; Photobioreactor; Productivity; Organic matter
图 1 不同光径对光生物反应器中金藻藻细胞生长的影响
Fig． 1 The effect of light path of reactor on the growth of I．
galbana cells
表 1 不同光径条件下金藻细胞的生长速率
Table 1 The growth rate of I． galbana cells cultivated in the reactors