小球藻生长的昼夜节律响应及产油技术研究

摘要

微藻在能源供应、环境治理、食品和医药等领域有着广泛的应用，但微藻的大规模培养和收集仍是制约其发展的主要因素，如何提高微藻的生物量和油脂产率并降低微藻的收集成本是广大学者研究的焦点。藻细胞通常在白天进行光合自养生长，夜间进行DNA复制和核分裂，这种昼夜节律循环是藻细胞分裂和生物量倍增的机制。通过培养条件与培养阶段调整优化以保障藻细胞生长和分裂增殖行为与昼夜节律的同步适应是培养技术优化设计的基础，在研究藻细胞生物量与生化组分等物质积累与昼夜节律的相关性之后，通过培养条件与培养阶段的优化组合，结合微藻的自絮凝优势，对小球藻的两步培养法产油技术进行优化。
　　(1)研究自养和兼养两种培养方式对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长、细胞分裂和生化组分积累的影响，探讨人工培养蛋白核小球藻的昼夜节律响应机制和优化技术。葡萄糖兼养培养对蛋白核小球藻具有显著的促生长效应。蛋白核小球藻生长增殖与生化组分积累均受昼夜节律调控，自养条件下藻细胞以光照期生长黑暗期增殖为主。兼养培养提高藻细胞生物量的机制在于缩短藻细胞生长静息期，在昼夜节律中加速藻细胞生长并显著提高通过细胞周期检查点的细胞比例，光照期效应尤其明显。藻细胞蛋白和淀粉含量昼夜节律明显，最佳收获时间分别在光照8h和12h后。
　　(2)研究了不同浓度氮素胁迫下对自养与兼养来源的蛋白核小球藻的生长与油脂含量，6mmol/L氮浓度的低氮组在转接后的前3d表现出较快的生长效应，在第4d收获藻细胞时，6mmol/L的低氮组油脂含量最高。综合藻细胞浓度与油脂产率考虑，蛋白核小球藻的氮胁迫阈值为6mmol/L。低氮胁迫下藻细胞的胞内外蛋白、淀粉均发生了显著下降，与对照组比较发现，低氮下蛋白与淀粉的合成均受到了抑制。此外，无论是自养还是兼养来源的藻细胞，低氮均提升了其絮凝能力，且随着培养时间延长，絮凝效果更好。
　　(3)以提高凯式拟小球藻(Parachlorella kessleri)的油脂产率为目的，利用藻细胞的自絮凝特性，针对两步培养法的阶段Ⅰ葡萄糖兼养培养和阶段Ⅱ元素限制处理条件进行技术优化研究。阶段Ⅰ在10g/L葡萄糖兼养条件下，10d后藻细胞浓度和干重分别达到4.74E+07cell/mL和3.54g/L。阶段Ⅱ培养中，考察三种元素限制处理对凯式拟小球藻的油脂产率的影响，结果表明，低糖处理1d后的油脂产率最高，达到了242.64mg/L/d，低糖低氮协同处理4d的油脂产量最高，达到3.08g/L。阶段Ⅰ兼养和阶段Ⅱ低糖处理下的絮凝率分别达到96.11％和93.21％，能节约收获成本并方便两步法的培养增效。
　　(4)以凯式拟小球藻为研究对象，考察了碳氮源信号对藻细胞的昼夜节律的影响。高浓度碳源信号刺激下，凯式拟小球藻昼夜节律响应发生了显著改变，表现出藻细胞分裂增殖以对照组的黑暗期为主转换为光照期为主的趋势。
　　对碳信号刺激下的种子细胞转接后，藻细胞的昼夜节律再次开始出现逆转，逐渐恢复到以黑暗期增殖为主导的趋势，碳氮源信号叠加下的响应速率和昼夜节律的相位移动最快，低糖和低氮组其次。对比2d时的藻细胞浓度，低糖低氮组的浓度最高，说明藻细胞生长在实现昼夜节律变化与环境因子协同一致过程中，加速了藻细胞的增殖。

目录

摘要

1．1 微藻生物能源

1．1．1 生物能源发展介绍

1．1．2 微藻生物能源的优势及发展

1．2 微藻培养条件优化

1．2．1 微藻的培养方式

1．2．2 激素对微藻细胞生长和油脂积累的影响

1．2．3 碳源对微藻细胞生长和油脂积累的影响

1．2．4 氮对小球藻细胞生长和油脂积累的影响

1．3 微藻的絮凝收获

1．3．1 微藻的自絮凝收获

1．3．2 微藻的胞外产物对絮凝的影响

1．4 微藻生物能源的发展前景

1．4．1 微藻生物能源生产与工农业产物处理的耦合应用

1．4．2 微藻生物能源发展前景

第2章 自养和兼养条件下蛋白核小球藻昼夜节律响应的研究

2．1 材料和方法

2．1．1 供试材料

2．1．2 主要仪器与试剂

2．1．3 实验方法

2．1．4 数据处理与统计分析

2．2 结果

2．2．1 自养和兼养培养对小球藻生长的影响

2．2．2 自养和兼养培养对小球藻细胞形态和分裂指数的影响

2．2．3 自养和兼养培养的小球藻细胞增殖的昼夜节律响应

2．2．4 自养和兼养培养的小球藻细胞大小动态迁移的昼夜节律响应

2．2．5 自养和兼养条件下蛋白核小球藻的生化组分对昼夜节律的响应

2．3 讨论

第3章 低氮胁迫对蛋白核小球藻生化组分和絮凝性能的影响

3．1 材料和方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 主要仪器与试剂

3．1．3 实验方法

3．2 结果

3．2．1 自养和兼养培养对蛋白核小球藻生长和油脂积累的影响

3．2．2 低氮胁迫处理对蛋白核小球藻生长和油脂积累的影响

3．2．3 低氮胁迫处理对蛋白核小球藻胞内外其它组分的影响

3．2．3 低氮胁迫处理下蛋白核小球藻的絮凝性能测定

3．2．4 低氮胁迫处理对絮凝相关的EPS组分的影响

3．3 讨论

第4章 一株新型自絮凝凯式拟小球藻的两步培养产油技术研究

4．1 材料和方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 主要仪器与试剂

4．1．3 实验方法

4．1．4 数据处理与统计分析

4．2 结果

4．2．1 阶段Ⅰ兼养培养对凯式拟小球藻F01生长和油脂含量的影响

4．2．2 阶段Ⅱ不同元素限制处理对凯式拟小球藻F01油脂产率的影响

4．2．3 两步培养法提高凯式拟小球藻F01油脂产率的效果评价

4．2．4 单步和两步培养法对凯氏拟小球藻F01自絮凝性能的影响

4．3 讨论

第5章 凯氏拟小球藻对碳氮源信号的昼夜节律响应研究

5．1 材料和方法

5．1．1 供试材料

5．1．2 主要仪器与试剂

5．1．3 实验方法

5．2 结果

5．2．1 有机碳源信号转换对小球藻生长和昼夜节律的影响

5．2．2 无机氮源信号转换对凯式拟小球藻昼夜节律的影响

5．2．3 碳氮源信号叠加对凯式拟小球藻昼夜节律响应的影响

5．3 讨论

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

附录

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