核诱变及碳胁迫促进微藻光合作用及生长固碳的机理研究

摘要

由于微藻具有光能利用率高、生长速率快、固碳生物质经济价值高等优点，故微藻固碳已成为温室气体CO2减排和新能源开发领域的研究热点。本文针对小球藻、节旋藻和微拟球藻三种优势固碳藻种，利用核辐射诱变及烟气高浓度CO2胁迫提高微藻生长固碳速率，通过可变荧光、闪光产氧、高通量转录组测序等手段对微藻光合固碳系统及代谢网络进行剖析，揭示了微藻强化光合特性及生长固碳过程的反应机理。 经过核辐射诱变后的节旋藻突变株ZJU9000，在空气中生长到第四天时生物质产量比未经诱变的藻株提高了176%。利用高通量测序分析节旋藻经核辐射诱变后的基因表达变化，发现在节旋藻突变株中光合作用色素：叶绿素a和类胡萝卜素的合成增强，提升了藻细胞光合固碳能力；核糖和核苷酸的合成量增加，为细胞增殖提供了遗传物质基础；糖酵解及三羧酸循环途径增强，合成更多ATP及[H]为细胞增殖提供能量基础；维生素合成增强促进了细胞增殖，碳浓缩机制增强提高了藻细胞对空气中低浓度CO2的利用能力。这些因素共同作用使节旋藻突变株获得更强的CO2吸收利用能力。 节旋藻突变株ZJU9000经过燃煤电厂烟气15vol.%浓度CO2驯化后，生物质产量和油脂含量分别提高了37.9%和32.5%。基因测序发现：微藻经过15vol.%CO2驯化后，细胞的氧化磷酸化和光反应过程中催化运输质子至膜另一侧的酶表达量发生上调，增大了膜两侧的质子浓度梯度提供了更高势能；同时ATP合成酶的表达量上调，更高效地催化了能量物质ATP合成。此外三羧酸循环增强为氧化磷酸化提供了更多原料NADH；维生素K1和K2合成通路增强促进了光反应中的电子传递，释放电子自由能来运输质子形成梯度。这些因素共同为藻细胞提供了更多能量来合成糖类和油脂，并促进细胞增殖过程提高了节旋藻的生物质产量。在脂肪酸代谢通路中，更多中间代谢产物丙酮酸盐通过乙酰辅酶a流向了丙二酰辅酶a，进入脂肪酸的延长反应中。此外由于通入高浓度CO2导致溶液中H+浓度提高，促进脂肪酸的氢化过程增强了藻细胞中的油脂合成。 经过核辐射诱变的微拟球藻生长固碳速率也得到提高，对藻液氧气释放速率测试表明其光合放氧速率显著提高了30.2%。基因测序结果表明微拟球藻突变株的天线蛋白合成增强，提高了对光能的接收利用效率；光反应相关的基因表达全面上调，合成更多的能量物质ATP供给暗反应。暗反应阶段对CO2固定作用全面增强，合成了更多的糖类等中间产物。维生素E和维生素K1、K2的合成增强促进了电子传递，进一步提高微藻的光合作用效率。 对适于海水盐度（钠镁离子浓度达3%）的小球藻进行核辐射诱变，选育出小球藻突变株MS700的生物质产量提高了25%。荧光FRR和动态放氧测试表明：叶绿素光系统II的氧气释放速率提高了104.2%，光化学效率Fv/Fm提高说明光系统II产生的电子具有更高利用效率，突变株对溶解的无机碳利用能力提高了27.7%。这些结果共同支撑了小球藻突变株的光合固碳速率大幅提高。 优化小球藻突变株MS700培养基同时提高了其固碳生物质和油脂产量。透射电镜TEM分析表明：当培养基中初始氮磷盐浓度增加时，小球藻突变株的细胞繁殖分裂速度加快导致细胞数量增加，而细胞直径和细胞壁厚度分别减小了26.6%和69.7%，油脂成分中长链不饱和脂肪酸增加，短链饱和脂肪酸减少。小球藻突变株的生长速率高于野生型小球藻，细胞壁厚度比野生型藻株减小了36.2%，油脂直接萃取率增加了33%。 对实验室选育出的节旋藻突变株ZJU9000和小球藻突变株MS700进行了中试扩大培养实验，得到其在中试跑道池中的生物质产量比野生型藻株分别提高了29.9%和25%，为微藻固碳的大规模工业应用提供了技术支撑。

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