周文俊,鄭 立,韓笑天

(1.國家海洋局 第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心,山東 青島,266061;2.中國科學院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室,山東 青島 266071)

微藻因其富含脂類、蛋白質和多糖,且具有光合作用效率高、生長周期短、可再生等突出特點,在食品、醫(yī)藥、保健品及生物能源領域得到了廣泛應用[1-2]。但是,如何通過人工大規(guī)模培養(yǎng)技術高效率地獲得微藻生物量是微藻資源開發(fā)利用的關鍵。現(xiàn)在的微藻培養(yǎng)技術多集中于光自養(yǎng)體系,包括戶外開放式養(yǎng)殖和各種光生物反應器。然而,戶外的開放式養(yǎng)殖生產效率低、占地面積大且易染菌;光生物反應器雖然具有無污染、培養(yǎng)條件可控、密度高、易收獲等優(yōu)點[3],但其又有建設費用高、培養(yǎng)后期光合效率低[4]、生長速度不夠快等不足之處。近年來,針對目標產物,逐漸興起了利用異養(yǎng)化技術進行微藻的高細胞密度培養(yǎng)技術,該技術可以克服戶外開放式養(yǎng)殖和光生物反應器培養(yǎng)的諸多缺陷,具有生長速度更快、能實現(xiàn)純種培養(yǎng)、單位體積產率高、便于自動化控制等優(yōu)勢。因此,異養(yǎng)化培養(yǎng)技術成為近年來微藻培養(yǎng)研究的熱點。然而,微藻異養(yǎng)化也存在諸如目標產物含量低、產出成本高、大規(guī)模培養(yǎng)下如何控制雜菌污染等技術瓶頸尚待突破,針對這些問題,作者對微藻異養(yǎng)化過程中的影響因素及關鍵技術的研究進展進行介紹和總結,并就如何突破瓶頸提出了可能的方法。

1 微藻異養(yǎng)化技術的應用現(xiàn)狀

微藻異養(yǎng)化培養(yǎng)一般是指在培養(yǎng)設備中讓微藻利用添加在培養(yǎng)基中的有機碳源和(或)有機氮源而不依賴于光照進行生長增殖的過程 ,以達到較高的細胞密度和較大的生物量。當前,微藻異養(yǎng)化培養(yǎng)已經進入了一個從單純的實驗室培養(yǎng)研究到大批量產業(yè)化生產應用的過渡階段。據(jù)國內外文獻報道[5-6]已有涉及藍藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門、黃藻門、硅藻門、裸藻門和綠藻門等8門60多屬的近百種微藻可以進行異養(yǎng)生長, 其中某些微藻經過優(yōu)化培養(yǎng)后,其生物量或有用生化產物得到了較大的提高,如普通小球藻(Chlorella vulgaris)批量異養(yǎng)發(fā)酵后的平均生物量可達 46.8 g/L[7],清華大學的吳慶余等[8]通過葡萄糖的批式流加培養(yǎng)的異養(yǎng)原始小球藻(C.protothecoides),生物量超過了100 g/L。這些異養(yǎng)微藻很多都已用于產業(yè)化生產,其應用價值主要表現(xiàn)在兩個方面：作為水產餌料和提取生化產物,其中尤以后者備受關注,如用于生產多不飽和脂肪酸(PUFAs)、生物色素以及微藻多糖等。二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)是異養(yǎng)微藻PUFAs中的主要成分,它們具有獨特的生理功能,可預防心血管疾病、提高人體免疫機能,利用異養(yǎng)微藻來提取生產EPA和 DHA可以克服傳統(tǒng)從深海魚油中提取在原料來源、生產成本以及季節(jié)限制等方面的不足。如美國Martek公司利用大規(guī)模的工業(yè)化發(fā)酵異養(yǎng)培養(yǎng)微藻來生產 DHA成品,成為該行業(yè)的佼佼者[9]。微藻生物色素和微藻多糖等在醫(yī)療、食品以及保健等方面也已經形成了產業(yè)化生產,如具有抗衰老、抗突變能力的 β-胡蘿卜素,具有強抗氧化能力的蝦青素等[10]。另一方面,異養(yǎng)微藻所富含的脂肪酸也是生產環(huán)保型能源生物柴油的重要來源,如何提高藻細胞的產油率以及通過何種工藝更有效地將其轉化為廉價的生物柴油成為近年來研究的熱點[11-13]。繆曉玲等從異養(yǎng)小球藻中提取大量油脂,經酯交換反應后獲得生物柴油,其各項指標特征與傳統(tǒng)柴油相當,具有很高的應用價值[14]。

2 微藻異養(yǎng)化的影響因素

2.1 微藻自身因素

微藻能否異養(yǎng),最主要的因素是該株藻是否具備完善的吸收利用胞外有機碳和有機氮的機制。吳耀庭等[10]根據(jù)Gladue的理論以及近年來的研究結果,總結完善了三條假說：(1)通透性障礙。有些微藻因為有機物難以透過細胞膜進入細胞或者缺乏濃縮有機物的能力而不能被異養(yǎng);(2)相關酶的缺乏。有機物在細胞內進行代謝所需的酶系統(tǒng)不完善,有機物不能被有效利用,造成某些微藻難以異養(yǎng);(3)限制性的呼吸能力。在異養(yǎng)條件下,某些微藻因呼吸作用所提供的能量不足以維持其生長而不能異養(yǎng)。

目前,關于微藻異養(yǎng)這一相當復雜的過程,其機理尚未得到系統(tǒng)而確切的解析。僅以一株圓心目硅藻(Melosira nummuloides)對有機氮源氨基酸的攝取為例,已經發(fā)現(xiàn)細胞中至少有堿性、酸性和中性氨基酸的三種不同轉運體系,而其中涉及中性氨基酸吸收的載體也遠不止一個[15]。所以,一株可異養(yǎng)微藻,其藻細胞濃縮有機物能力的大小、酶的工作效率以及呼吸作用的強度等這些復雜的因素都對該株藻的異養(yǎng)效率有直接影響。

2.2 生物因素

影響微藻異養(yǎng)的生物因素主要指存在于藻液中的細菌和真菌。在光照自養(yǎng)條件下,由于藻液中缺乏充分的有機營養(yǎng)源,所以真菌和細菌不會大量繁殖和生長,它們只能通過利用微藻代謝或死亡所產生的微量有機物和有機碎屑而與微藻形成一種共生關系。但在異養(yǎng)條件下,與微藻共生的細菌或真菌將利用人為添加的有機營養(yǎng)物質進行大量繁殖,一方面,它們與微藻形成營養(yǎng)競爭關系,另一方面,它們的代謝產物可能對微藻具有抑制或殺傷作用[16],從而影響微藻的異養(yǎng)效率,甚至致使其不能生長繁殖。所以,在對微藻進行異養(yǎng)之前首先要除去微藻中的細菌和真菌,以防止它們對微藻異養(yǎng)化生長的影響。

2.3 營養(yǎng)因素

2.3.1 碳源

微藻的異養(yǎng)生長需要從外界攝取大量有機碳。有機碳的種類繁多,但可以作為微藻異養(yǎng)化的碳源卻不多,它們主要是糖類、醋酸鹽以及有機酸等,其中以糖類居多。de Swaaf等[17]人用葡萄糖作為碳源成功異養(yǎng)了寇氏隱甲藻(Crypthecodinium cohnii),并使異養(yǎng)生物量的最大值高達83g/L,遠遠高于其光合自養(yǎng)時的生物量。平滑菱形藻(Nitzschia laevis)、綠球藻(Chlorococcumsp)．以及亞心形扁藻(Platymonas subcordiformis)等都可以利用葡萄糖作為碳源進行異養(yǎng)生長,并且均可達到較高的生物量[18-20]。尹建云等[7]利用玉米淀粉經過高溫淀粉酶和糖化酶雙酶解后所產生的酶解糖來替代葡萄糖作為碳源,實現(xiàn)了普通小球藻Chlorella vulgaris高密度大批量的試驗性異養(yǎng)生產。除了使用單一碳源的方式外,研究人員也通過添加復合碳源來異養(yǎng)培養(yǎng)微藻?？姇粤岬萚21]在異養(yǎng)培養(yǎng)原始小球藻(C.Protothecoides) 時以葡萄糖、淀粉、有機廢水和二氧化碳等作為復合碳源,既實現(xiàn)了微藻的高密度培養(yǎng),又節(jié)省了異養(yǎng)成本,同時,對廢物的再利用也減輕了對環(huán)境的壓力。

選用何種有機碳源進行微藻異養(yǎng)化取決于微藻的種類、異養(yǎng)化生產的終產物以及碳源成本等。例如在異養(yǎng)寇氏隱甲藻時,葡萄糖和醋酸均可作為碳源,但為了提高不飽和脂肪酸 DHA的產率,以醋酸作為碳源則更合適,其DHA的產率可以達到1.152 g/(L·d),高于葡萄糖作為碳源時的產率[22]。

2.3.2 氮源

氮素是微藻生長所必須的基本元素之一,也是藻體內合成蛋白質、核酸以及葉綠素等的主要成分?？勺鳛槲⒃瀹愷B(yǎng)化的氮源較多,包括氨氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等無機氮源和尿素、酵母浸出粉、胰蛋白胨以及氨基酸等有機氮源。不同藻種對不同種類和形態(tài)的氮源的吸收利用各異,并直接影響微藻的生長狀況、細胞內飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的含量與比例以及胞外代謝產物的形成等[23,24]。在使用單一氮源時,有人比較了硝酸鹽、銨鹽和尿素對異養(yǎng)原始小球藻Chlorella protothecoides的生物量和葉黃素含量的影響,結果發(fā)現(xiàn),當三者氮質量濃度為0.85～1.7g/L時,它們對微藻生長的影響沒有顯著差異,氮質量濃度為1.7 g/L時可分別獲得最大生物量為18.4、18.9、19.6 g/L細胞干質量[25]。在使用復合氮源異養(yǎng)培養(yǎng)平滑菱形藻時,硝酸鹽、胰蛋白胨和酵母浸出粉的混合物可作為最佳氮源,當質量濃度分別為0.62、1.6、0.8 g/L時,微藻的生物量、EPA含量及其產量分別可達到 6.48 g/L、2.74%和 175 mg/L[26]。

一般而言,氮源濃度的增加提高了蛋白質的含量,但降低了脂類和碳水化合物的含量[27]。因此,為了既使微藻能夠有充足的碳源來吸收合成生長代謝所需的糖類物質和儲存能量的脂類物質,又不至于因為氮源的匱乏或過量而影響蛋白的合成,在高細胞密度、高目標產物產率的異養(yǎng)培養(yǎng)中很有必要考察培養(yǎng)基中初始的C/N比。Chen等[29]研究了C/N比對異養(yǎng)群孢小球藻(Chlorella sorokiniana) 生長和生化產物含量的影響,結果發(fā)現(xiàn)C/N比值為20時是其從受碳限制向氮限制轉變的一個拐點,此時細胞的脂質含量最低。當 C/N比增大或者減小都會使細胞脂質含量增加,較低的 C/N比有利于提高三烯脂肪酸的含量[28]。張麗君等在對普通小球藻的異養(yǎng)培養(yǎng)條件進行優(yōu)化時則發(fā)現(xiàn)C/N比在4：1～5：1時可以獲得最大的生物量。

2.3.3 磷源

磷是細胞中基因結構的基礎,并在生命活動中以ATP和ADP的形式對能量的產生、轉換和儲藏起到關鍵作用。磷脂是細胞中多不飽和脂肪酸的主要存在形式,因此培養(yǎng)基中磷素的水平將顯著影響微藻細胞內多不飽和脂肪酸的含量,如0.3～30 mmol/L的磷有利于紫球藻(Porphyridium purpureum) 的生長及其 EPA的積累[30],但這僅限于自養(yǎng),微藻異養(yǎng)常用磷酸鹽為磷源,但目前國內外尚沒有關于不同磷濃度對異養(yǎng)微藻的生長和生化成分的影響的研究報道。

2.4 環(huán)境因素

2.4.1 溫度

微藻異養(yǎng)過程中,溫度過高或過低都將影響與生長、合成以及代謝相關酶的活性,從而降低完成該過程的效率。對于異養(yǎng)普通小球藻,其適宜溫度范圍較大,在一定范圍內升高溫度可以提高藻細胞的比生長速率,并獲得較高的生物量[31]。而低溫則有利于微藻細胞多不飽和脂肪酸(PUFAs)的積累,如Stephen等[32]發(fā)現(xiàn)雖然溫度對于異養(yǎng)隱匿小環(huán)藻(Cyclotella cryptica)的總脂含量沒有明顯的影響,但隨著溫度的降低,不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸的比值卻在增大。同樣,異養(yǎng)寇氏隱甲藻在低溫時雖然生長較慢,但其DHA含量卻比高溫時要高[33]。在生產過程中為了獲得較高的 PUFAs產量,可以在最適生長溫度下培養(yǎng)一定時間以獲得較高的生物量,然后在合適的低溫下繼續(xù)培養(yǎng)以積累較高的PUFAs[34]。

2.4.2 pH

pH的變化將影響微藻細胞內外的酸堿環(huán)境、離子的平衡以及膜結構的滲透性等,pH過高或過低都將抑制微藻的生長。由于微藻在生長的過程中可能會產生一些代謝產物或者是由于攝取了培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分而使培養(yǎng)基的pH發(fā)生改變,所以需要不斷補料調整 pH使其處于一個穩(wěn)定的適宜微藻生長的狀態(tài)。異養(yǎng)普通小球藻可以通過自身的吸收或代謝,在一段時間內將pH調整到最適值8.5左右,為了消除堿性培養(yǎng)基滅菌后顏色加深對觀察帶來的影響,初始pH最好選擇在6～7之間[29]。此外,pH的變化也會影響微藻細胞的脂肪酸含量及其組成。有人在研究異養(yǎng)寇氏隱甲藻時發(fā)現(xiàn),當培養(yǎng)基的pH為7.2時細胞增長率最高,并可獲得最大的脂肪酸不飽和度和最高的DHA含量,當初始pH分別為4和10時細胞增長相當緩慢,脂肪酸不飽和度也隨之降低[35]。

2.4.3 溶氧量

微藻在異養(yǎng)培養(yǎng)的過程中需要攝取大量的氧進行呼吸作用產生能量,以維持細胞內正常的生命活動,如果培養(yǎng)基中溶氧不足將會影響微藻的生長和繁殖。通氣量大小應與藻密度保持一致,如尹建云等在異養(yǎng)發(fā)酵普通小球藻時藻細胞生物量隨著通氣量的增加而增加,通過階段性的增大通氣量可獲得最大生物量[7]。此外,溶氧量還會影響藻細胞中脂類的含量及組成。Chen等[28]研究發(fā)現(xiàn),當通氣量加大時會促進異養(yǎng)群孢小球藻的生長,并有利于不飽和脂肪酸的合成,但脂類的總量將會下降。這可能是因為在低溶氧量的條件下細胞內脂類代謝較慢,所以其積累量較多,但由于缺乏氧分子參與脂肪酸脫氫酶的作用,使得脂肪酸的不飽和度較低;而增加溶氧量可使脂類代謝加快、積累量降低,但有利于不飽和脂肪酸的合成,所以脂肪酸的不飽和程度明顯增高。

2.4.4 鹽度

鹽度對微藻的異養(yǎng)生長和細胞生化成分也具有一定的影響,如異養(yǎng)培養(yǎng)平滑菱形藻時,氯化鈉質量濃度為14 g/L時最適其EPA的生成,氯化鈉質量濃度為8 g/L時則最適其生長[36]。目前,關于鹽度對微藻異養(yǎng)的影響,尚沒有深入而全面的研究,這主要是因為現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的可異養(yǎng)藻株多為淡水種,在以提高生物量和有用生化成分為目的的研究中并未將鹽度這一脅迫因素考慮在內,但在以后研究海洋異養(yǎng)藻株時應充分考慮此因素的作用。

3 微藻異養(yǎng)化關鍵技術

3.1 微藻無菌化處理

在對微藻進行異養(yǎng)培養(yǎng)前必須先獲得無菌藻株。傳統(tǒng)的物理方法如離心洗滌法、毛細吸管法和稀釋涂布法等都難以獲得完全無菌的藻株[37]。射線輻照法,即利用微藻和雜菌對紫外等射線抗性的差異而選用合適的輻照對藻液進行處理雖可除去雜菌,但由于輻照對微藻的生理特性具有很明顯的影響[38],所以該法只適用于一些抗輻照能力較強的具膠質鞘微藻。

目前,微藻的無菌藻株一般是通過化學方法獲得的?；瘜W方法主要是指抗生素法,即利用抗生素的抑菌或殺菌作用將藻液中的雜菌除去。但抗生素也會對微藻的細胞形態(tài)、生理特性以及生化成分造成影響,所以用于除菌的抗生素應具備兩個特點：較強的抑菌或殺菌能力和對微藻較小的傷害性[39]。不同的微藻種類其雜菌群落不同,所以選擇的抗生素種類和給藥濃度也不同。常用的抗生素有青霉素、卡那霉素、鏈霉素、慶大霉素以及氯霉素等。單種抗生素給藥往往難以完全除菌,所以通常將若干種抗生素聯(lián)合使用以達到更好的除菌效果。林偉用青霉素等五種抗生素對若干種微藻進行無菌化處理,抗生素濃度從50 IU/mL到1000 IU/mL,單獨或混合給藥,最終獲得了中肋骨條藻(Skeletonema costatum) 、微小原甲藻(Prorocentrum minimum)、錐狀斯克利普藻(Scrippsiella trochoidea)、前溝藻(Amphidiniumsp．)和扁藻(Platymonassp.)的無菌藻株[40]。由于上面這些抗生素都是針對細菌的,而藻液中往往存在一些真菌或其孢子,使用兩性霉素 B可有效地除去[41]。作者在無菌化處理球等鞭金藻(Isochrysis galbana)時發(fā)現(xiàn)用鏈霉素、青霉素以及卡那霉素聯(lián)合處理后雖可除去藻液中的細菌,但仍有真菌存在,在使用兩性霉素 B進行后繼處理之后最終獲得無菌藻株。另外,還可使用某些化學消毒劑(如次氯酸鈉等)殺滅細菌,但由于這些化學消毒劑對微藻細胞傷害很大[37],所以一般很少使用。

物理方法對藻細胞傷害小但除菌效果不理想,化學方法除菌較為理想但對藻細胞有影響,所以可以將物理方法和化學方法適當?shù)慕Y合起來以減小對藻株的影響。經過無菌化處理的藻株,可以采用培養(yǎng)檢測法和熒光染色鏡檢法來進行檢測[40],確定是否達到除菌目的。

3.2 微藻異養(yǎng)化改造

3.2.1 通過異養(yǎng)培養(yǎng)條件進行微藻的篩選

雖然有文獻報道在富營養(yǎng)化廢水中篩選到可異養(yǎng)的小球藻[42],但異養(yǎng)型微藻藻株主要是通過對大量藻種于異養(yǎng)條件下進行篩選而獲得的。Gladue等[5]用添加了適量葡萄糖的異養(yǎng)培養(yǎng)基在黑暗條件下培養(yǎng)微藻,最終從大量藻株中篩選出57株具有異養(yǎng)能力的微藻。但那些未篩選出來的藻株未必一定不能異養(yǎng),因為很難確定它們是否能利用除實驗中所添加的葡萄糖之外的其他有機碳源進行生長。Gladue給出了3個微藻異養(yǎng)培養(yǎng)基配方(表1),被認為是目前用于異養(yǎng)培養(yǎng)的較好配方。但由于藻種的差異,在具體操作時研究者可以再做優(yōu)化,如有機碳源的種類和添加量。筆者在培育異養(yǎng)化的海洋小球藻時發(fā)現(xiàn)一次添加的有機碳源如果過多(＞15g/L)則會抑制微藻的生長,可少量多次(每次 5g/L)添加以提高微藻對有機碳源的利用率。

3.2.2 利用生物工程手段進行異養(yǎng)化改造

除了通過異養(yǎng)化條件篩選異養(yǎng)藻株外,近年來國內外的研究人員都在嘗試通過生物工程手段來改造微藻,以期獲得更為理想的異養(yǎng)型藻株。

異養(yǎng)化改造的原因是原微藻雖然目標產物含量很高,但不可異養(yǎng)或異養(yǎng)效率不高,難以達到高密度培養(yǎng)。對于這種情況,有報道利用細胞融合技術將光合自養(yǎng)微藻和某種細菌或其他可異養(yǎng)微藻進行細胞融合,以得到一種新的可異養(yǎng)的藻株。沈繼紅等[43]將富含EPA和 DHA的自養(yǎng)微藻綠色巴夫藻和生長迅速的異養(yǎng)微藻四鞭藻相融合,篩選出了可異養(yǎng)的融合藻株,融合藻株的總脂、EPA和DHA均比異養(yǎng)親本四鞭藻有較大的提高。此外,還可以根據(jù)限制微藻異養(yǎng)的遺傳因素來改造微藻基因,如 Zaslavskaia等[44]將編碼葡萄糖轉運體的基因導入一株原本不能進行異養(yǎng)生長的三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的細胞中,便可使其在黑暗條件下利用外源葡萄糖進行異養(yǎng)生長。陳濤等[45]從人胎盤組織中克隆出人紅細胞葡萄糖轉運基因(Glut1),并分別構建了鹽藻誘導型異養(yǎng)表達載體pMDDGN-Bar和組成型異養(yǎng)表達載體 G5Glut1-Bar,通過電擊轉化法轉化鹽藻,最終使Glut1得到表達,這為鹽藻的進一步異養(yǎng)化培養(yǎng)打下了基礎。

表1 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)基[5]

3.3 微藻異養(yǎng)化培養(yǎng)形式

對異養(yǎng)微藻進行高密度培養(yǎng)主要有兩種形式,一是利用改進的密閉式光生物反應器進行兼養(yǎng),二是直接利用微生物發(fā)酵罐進行無光異養(yǎng)。所謂兼養(yǎng)是指微藻在有光照的條件下既可以利用培養(yǎng)基中的有機碳源進行異養(yǎng)生長,又可以利用光照進行光合作用,一般而言,可異養(yǎng)微藻都可兼養(yǎng)生長。某些微藻種類在兼養(yǎng)時其生物量遠大于自養(yǎng)和無光異養(yǎng)時的生物量,如卡德藻(Tetraselrnissp.)在兼養(yǎng)時的最大細胞密度可以達到自養(yǎng)時的3.2倍,大于自養(yǎng)和無光異養(yǎng)最大細胞密度之和[46]。密閉式光生物反應器主要有管式、平板式以及柱狀氣升式等幾種形式,目前尚處于發(fā)展階段,在材料、設計以及條件控制方面還存在技術上的難題。相對而言,利用微生物發(fā)酵罐技術進行無光異養(yǎng)則較為成熟,發(fā)酵體積可達數(shù)十噸,容易使異養(yǎng)微藻形成產業(yè)化大批量生產,如國內的尹建云等[7]、吳慶余等[7]將發(fā)酵罐培養(yǎng)技術應用于異養(yǎng)微藻的培養(yǎng),達到了較高的藻密度,美國的Martek公司也使用發(fā)酵罐培養(yǎng)異養(yǎng)微藻實現(xiàn)了DHA成品的生產[9]。

4 微藻異養(yǎng)化發(fā)展的限制因素及幾點建議

經過科研人員的不懈努力,微藻異養(yǎng)化已從單純的實驗室研究逐步向產業(yè)化生產轉化,并已在相關領域取得了顯著的成果,但要實現(xiàn)微藻異養(yǎng)的產業(yè)化,仍然存在以下的瓶頸：(1) 可異養(yǎng)化或異養(yǎng)效果好的藻種依然很有限。已記載的可異養(yǎng)的微藻已達近百種,但真正能高效異養(yǎng)的卻僅限于綠藻門的小球藻屬、硅藻門的小環(huán)藻屬以及甲藻門隱甲藻屬等少數(shù)幾種藻類;(2) 異養(yǎng)化培養(yǎng)周期長,耗時耗力。當前異養(yǎng)微藻發(fā)酵培養(yǎng)的一個培養(yǎng)周期為 5天左右,僅比自養(yǎng)培養(yǎng)周期縮短了一半,而一般的異養(yǎng)微生物培養(yǎng)周期只有1到2天,所以異養(yǎng)微藻培養(yǎng)周期還有待縮短;(3) 異養(yǎng)化微藻密度不夠大。異養(yǎng)發(fā)酵時藻生物量的理論最大值為150～200 g/L[10],但目前發(fā)表的文獻中最大值也只有 108 g/L[8],所以異養(yǎng)微藻的生物量還有待提高;(4) 高密度異養(yǎng)對氧的需求往往成為發(fā)酵過程能否成功的關鍵因素。在高密度下培養(yǎng)基黏度很大,溶氧很困難,能耗很高;(5) 異養(yǎng)化生產成本高,主要是異養(yǎng)碳源價格較高,使得異養(yǎng)化生產的目的只能針對高附加值產品。另外,在目前的研究中只重視碳源的最佳濃度,而對其利用率缺少考察,碳源的過度添加將造成物料的浪費和成本的增加。

針對以上限制因素,作者提出下面幾點建議：

(1) 利用當前先進的基因工程和原生質融合手段開發(fā)異養(yǎng)型工程微藻;(2) 設計更有效的異養(yǎng)微藻生物反應器,采用合理的培養(yǎng)形式,以提高生產效率;(3) 優(yōu)化培養(yǎng)條件,探實合適生長的理化因子,深入研究生化產物的積累特點,提高目標產物的含量;(4) 為解決高密度培養(yǎng)時溶氧難的問題,需研究開發(fā)低能耗的氣液混合強化器,并將其應用于生物反應器中;(5) 使用替代碳源,如玉米淀粉、甘蔗、秸稈以及工業(yè)廢水等,以降低異養(yǎng)成本。

相信隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進,微藻異養(yǎng)化的研究也將步上一個新的臺階,并以其強大的應用潛力惠及人類,造福社會。

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