光合自养-异养微藻生物膜的生长产油特性研究

摘要

随着全球化石能源急剧减少及环境污染问题日益加剧，发展绿色可再生能源已经成为解决能源环境危机的重要突破口。微藻生物质作为第三代生物质能源，源于其光合效率高、生长周期短、油脂含量高、环境适应性强等优点，是一种极具潜力的新型生物质原料。由于微藻生物膜内CO2和光传输阻力相对较小，其内微藻的光合作用效率高，且生物膜具有操作稳定、采收方便等优点，相比于悬浮态微藻培养具有更大优势。因此本文以亲水性有机尼龙微孔滤膜作为微藻生物膜吸附材料，对微藻进行生物膜培养。对比了两种培养形态下光合自养与光合自养-异养生物膜在生物膜生长产油特性和生物膜微观形态方面的差异性。从光传递角度研究了培养基循环流动式培养下光强、初始接种面积密度对光合自养-异养生物膜生长产油特性的影响。从营养物质角度研究了培养基循环流动式培养下营养物质浓度、培养基间歇供给、异养加入时间对光合自养-异养生物膜生长产油特性的影响。
　　本研究主要内容包括：①光合自养与光合自养-异养微藻生物膜的细胞直径随着生长逐渐变大，光合自养-异养生物膜的细胞平均直径要比光合自养生物膜的细胞平均直径大17.1％；在生物膜形态上光合自养-异养生物膜要比光合自养生物膜疏松多孔。以琼脂固化的固体培养基为营养基底时，光合自养-异养生物膜前两天生长速率要高于光合自养生物生长速率，光合自养-异养生物膜前两天的生长速率是光合自养的2.28倍；光合自养-异养微藻生物膜的油脂产量为10.31 g/m2，是光合自养油脂产量的1.91倍。而以流动式液体培养基输送营养时，光合自养-异养生物膜第一天生长速率也要高于光合自养生物生长速率，且比固化培养基的要高但最终生物膜面积密度要低，光合自养-异养的生长速率是光合自养的4.04倍；光合自养-异养的油脂产量为20.12 g/m2，是光合自养油脂产量的2.22倍。②以琼脂固化的固体培养基为营养基底时，发现光合自养-异养微藻生物膜的光饱和点为150μmol/m2/s，过高的光强会对微藻生物膜产生抑制，使其分解色素以致细胞变白最终生物膜面积密度下降。而在物质传输阻力方面，光合自养-异养微藻细胞无法吸收固化培养厚度大于10 mm处的营养物质，光合自养-异养微藻生物膜在4倍于基底培养基的无机盐浓度下油脂产量最高，表明光合自养-异养生物膜能耐受更高倍数的无机盐；而葡萄糖这种相对无机盐离子从固化培养基靠毛细力作用扩散作用传递到滤膜上再传递到生物膜内过程中传递阻力大，致使传递进生物膜内的葡萄糖量相对较少，对生物膜内微藻异养比例小，进而油产量差别不大。③在流动的液态培养基为营养基底时，相对于琼脂固化的固体培养基为营养基底，微藻生物膜的含水量高，光传输能力降低，光合自养-异养生物膜内微藻的光饱和点提高至为190μmol/m2/s。生物膜生长初始，由于生物膜内与膜外的营养物质浓度梯度大，营养物质的传输速度快，生物膜内的营养物质充足，生长速率快，致使前1~2天微藻生物膜生长速率快，且微藻初始生长速率随初始接种面积密度的增加而增加，而由于异养代谢水增加了生物膜内物质传输阻力，后期生长速率降低，尤其是在低倍数（0.5倍）无机盐浓度低，光合作用强度相对较弱，生物膜内微藻异养比例大，异养产生的水越多，对生物膜生长越不利。④生物膜内微藻油脂含量随异养底物葡萄糖浓度从1g/L增加10g/L而增加至43.67%，且微藻生物膜生物质密度同时增加，同步光合自养-异养下实现了微藻生物质密度和油脂含量同步增加，解决了微藻生长和油脂积累相互矛盾不同步的问题。而由于异养会代谢出水，增加生物膜的含水量，使得物质传输阻力增加，因此为了减少生成水的影响，采用先光合自养富集一定的生物膜密度后再开启异养辅助的方法，发现当光合自养生物膜密度增加到57.48 g/m2时，开启异养辅助后生物膜面积密度最高达104.36 g/m2，油脂产量也最高达26.17 g/m2，也实现了高效的生物质和油脂的同时积累。培养基间歇供给对第1天的生物膜生长速率影响比较大，对细胞内的色素、油脂化合物含量影响不大。

目录

1 绪 论

1.1 概述

1.2 微藻培养技术

1.3 微藻生物膜培养的影响因素

1.4 本课题的主要工作

2 营养方式对微藻生物膜生长及产油的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 生物膜吸附材料的选择

2.4 光合自养与光合自养-异养微藻生物膜生长产油对比

2.5 光合自养与光合自养-异养微藻生物膜微观形态对比

2.6 本章小结

3 固化培养基下光合自养-异养微藻生物膜生长特性研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 光强对固化培养基下微藻生物膜生长产油的影响

3.4 营养物质浓度对固化培养基生物膜生长产油的影响

3.5 固化培养基厚度对生物膜生长产油的影响

3.6 本章小结

4 流动培养基下光合自养-异养微藻生物膜生长特性研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 光传递对流动培养基下光合自养-异养微藻生物膜生长产油的影响

4.4 营养物质对流动培养基光合自养-异养生物膜生长产油的影响

4.5 培养基间歇供给对光合自养-异养生物膜生长产油的影响

4.6 本章小结

5 结 论

6 后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目