剪切力对光生物反应器培养大型海藻组织/细胞作用的研究

摘要

大型海藻是传统工农业生产的重要来源，更重要的是其体内多种生物活性物质具有抗炎、抗病毒、抗肿瘤的药用价值。但通常这些生物活性物质在藻体中含量极低，利用传统的化学抽提和化学合成方法都极为困难。光生物反应器基于经济、无限量和资源循环再利用的方式为大型海藻细胞或组织体外合成生物活性物质提供了可能。剪切力是光生物反应器内的重要参数之一，其作用直接影响生物量和活性物质产量。 本文通过理论估算二氧化碳传质速率和消耗速率，并通过实验研究大型褐藻海带（Laminaria japonica）配子体细胞在不同搅拌速率和持续搅拌时间下剪切力对细胞生物量、营养盐吸收、光合速率及细胞损伤率的影响，以及短期剪切卸载之后细胞恢复情况。本实验选择500 Ml搅拌式光生物反应器，配子体细胞起始接种密度为150 mg DCW L-1，使用改良的APSW人工海水为培养基，培养温度为13±1℃，光照强度和光暗周期分别为40μE m-1 s-1、16h : 8h，搅拌速率选择0-1000 rpm，持续搅拌时间分为60 h（短期）和21 d（长期）。通过理论估算得出，搅拌速率达180 rpm以上才能满足细胞对二氧化碳的需求。而实验结果表明，适度剪切条件有利于生物量的积累和营养盐的吸收，并且搅拌速率越大，持续搅拌时间应越短。90 rpm下细胞分别在短期和长期连续剪切实验结束时生物量达最大值2.36 mg Chl a L-1和3.331 mg Chl a L-1，说明此搅拌速率对于海带配子体细胞最为合适；120-180 rpm下细胞生物量和光合速率均随持续时间的增加呈现明显的先升后降再回升的三段态势，说明细胞对于持续的剪切环境具有一定的适应能力；而270 rpm以上持续搅拌60 h，细胞已呈现明显受损状态，继续施加连续搅拌，细胞未体现明显的适应性。恢复实验结果表明，所有组别细胞在生物量、营养盐吸收速率上均有大幅上升，说明短期高强度剪切对于配子体细胞造成的损伤可以修复。 此外，通过几项检测指标之间的比较得出，剪切实验中，胞内叶绿素浓度比干重更能有效的表达生物量浓度，胞内叶绿素浓度和氧气生成速率分别从生物量和光合能力两方面表征细胞生长状态，同时相互吻合。在连续剪切期间，磷池释放可以作为衡量细胞受损的指标之一；在恢复期间，氮源吸收速率则可以有效表征细胞生长状态。