[发明专利]一种低光照条件下的微藻培养方法

说明书

技术领域：

本发明属于一种微藻高效繁殖技术。

背景技术：

藻归类为自养型微生物，因其细胞内存在光合作用系统PSII也称为微藻植物。微藻具有高效吸收太阳能、固定CO₂产生生物质的能力(即光合作用能力)；同时微藻作为微生物的一种，其增殖速度较快(倍增时间约3-5天、最快8小时)。作为单细胞生物，微藻的主要组成为蛋白、脂肪、碳水化合物和核酸等。微藻油脂含量因藻种而异，一般为20-30％，最高可达60-70％。微藻作为一种固定温室气体CO₂生产生物油脂提供生物柴油的原料，已日益受到科技界和工业界的广泛重视。

微藻作为光合生物有机体具有生物量大、生长周期短、易培养以及含有较高的脂类等特点，是CO₂减排、制备生物柴油和小分子烃的重要可再生资源。利用微藻制备生物燃料具有四个特点：

(1)太阳能利用效率高、个体小为单细胞或丝状体，直径小于1mm。在光反应器中可以进行高密度、高速率培养。在同样条件下，微藻细胞生长倍增时间通常在24h内，对数生长期内细胞物质倍增时间可缩短至3.5h。

(2)微藻的油脂含量丰富，某些藻类如葡萄藻的油脂含量可达干重的80％；

(3)微藻在水中生长，培养面积小，与传统油料作物相比占地面积很小并可不占用农业用地，因此藻类生物能源生产不与农作物生产争耕地和与人争粮。

(4)微藻可利用温室气体二氧化碳生产生物能源，有利于生态环境保护，促进人与自然和谐社会的建设。矿物质能源消费过程中排放大量的温室气体CO₂，有毒气体NO_X和SO_X等。我国目前CO₂的排放总量仅次于美国，位居世界第二位，随着中国正式加入《京都议定书》，CO₂减排的压力将越来越大。面对解决我国矿物质能源大量消费导致生态环境破坏的重大需求，微藻可固定大量的CO₂，同时生产过程污染少。

微藻的上述应用，其核心就是高效的光合固碳。通过分析自然光照(或模拟自然光照周期变化)的培养过程中，在无光照时，微藻需要通过呼吸作用提供生存和生长所需要的能量，这是一个消耗生物质同时净释放CO₂的过程。如在14:10的光暗循环微藻自养培养过程中，无光阶段15-20％甚至更多的生物质由于呼吸作用的消耗而损失。因此，微藻培养光合固碳效率的提高，除了在光照阶段需要改善，还需要优化无光阶段的培养条件，使得整体效率最高。

微藻培养过程中，为了提高传质效率，大多通过通入空气进行混合，在气升式和鼓泡式反应器中，空气还是整体循环的动力来源。空气的通入也为系统引入了氧气，并且大多是过量的氧气，促进了呼吸作用的发生。如果不通入氧气，在无光培养阶段，细胞由于缺乏混合动力沉降、暗发酵积累了大量有害代谢物和缺乏有效的生理准备导致光照初期的生长停滞增加，将会对光照阶段生物量的积累产生负面影响甚至培养失败。

因此，如果可能有效的在无光照阶段减少氧气的通入，并且对细胞生存、生长无明显负面影响，就有可能降低因呼吸作用而产生的生物质损耗和CO₂的释放。不过，由于培养系统中微藻生物量、营养供给等条件的动态变化，如果没有一个可靠的指标，很难确定“无负面影响”的最低氧气通入量。

微藻作为光合自养生物，同植物一样，其光合系统的生理参数——叶绿素荧光动力学参数F_v/F_m是细胞正常与否指标，可以通过该值的变化判断微藻细胞是否处于胁迫状态以及胁迫的程度[参考文献：YAO C H,AI J N,CAO X P,et al.Enhancing starch production of a marine green microalga Tetraselmis subcordiformis through nutrient limitation.Bioresource Technology,2012,118:438-444.]。

基于上述分析，本发明首次提出以微藻细胞光合系统叶绿素荧光参数F_v/F_m为指示，通过降低无光照阶段氧气的通入量，控制呼吸作用处于低水平，而实现生物量消耗与CO₂释放的降低，提高整体培养过程的光能利用效率。同时，通气量的降低也将降低微藻自养培养过程的能耗。

发明内容