告別“靠天吃飯”，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)大顯身手

在進(jìn)入今天的主題前，首先向大家明確幾個(gè)基本概念。我們知道，能源和碳源作為一切生物生長的基礎(chǔ)，所謂的“光合自養(yǎng)” “光能異養(yǎng)” “化能自養(yǎng)”和“化能異養(yǎng)”型生物，它們的差異也主要體現(xiàn)在這幾個(gè)方面。

“光合自養(yǎng)”型生物中的能源和碳源來源分別為光和二氧化碳，與其不同的是，“光合異養(yǎng)”型生物中只以有機(jī)化合物而非二氧化碳作為它們的碳源?！盎茏责B(yǎng)”型生物中的能量來源是通過無機(jī)或有機(jī)化合物的氧化作用，其碳源是二氧化碳，而“化能異養(yǎng)”型生物生長所需的能源和碳源均為有機(jī)化合物（如葡萄糖）。

“靠天吃飯”的光自養(yǎng)培養(yǎng)模式

微藻是單細(xì)胞生物，可以用作生產(chǎn)能源、食品、飼料的原料，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

一直以來，藻類被認(rèn)為像高等植物一樣必須通過光合作用（利用光和二氧化碳）才能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生物質(zhì)合成，即光自養(yǎng)培養(yǎng)模式。但這種培養(yǎng)模式基本只能“靠天吃飯”，受外界環(huán)境條件如溫度、光強(qiáng)、日照時(shí)間等的限制，細(xì)胞濃度較低，一般只能達(dá)到0.5-1.5g/L。

圖1 開放式跑道池自養(yǎng)培養(yǎng)

此外，開放式光自養(yǎng)培養(yǎng)模式下的微藻易遭受浮游動(dòng)物或細(xì)菌污染，正因如此，通過這種培養(yǎng)方式進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的微藻品種極其有限，僅有耐強(qiáng)堿（pH9-10）螺旋藻、耐高鹽（NaCl濃度高于30%）杜氏鹽藻和能夠快速增殖的小球藻。

圖2 自養(yǎng)培養(yǎng)下小球藻被浮游動(dòng)物吞噬

異養(yǎng)模式雖好，但是也不是所有微藻都適用

實(shí)際上，很多微藻可不依賴于光和二氧化碳，它們可以在完全黑暗條件下利用有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行異養(yǎng)生長。由于這種培養(yǎng)方式擺脫了對(duì)光的限制，微藻的生長速率比在光照條件下快得多，優(yōu)勢(shì)也是顯而易見：

l 微藻異養(yǎng)培養(yǎng)所需的能源及碳源均由有機(jī)碳源來提供，首先解決了能源限制問題；

l 由于異養(yǎng)是在密閉的發(fā)酵罐中進(jìn)行，整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)采用蒸汽進(jìn)行滅菌，從而解決了被其它微生物污染的問題；

l 異養(yǎng)培養(yǎng)過程中的溫度、pH、營養(yǎng)物的供應(yīng)等都能得到較好的控制，細(xì)胞濃度可高達(dá)到100-200g/L。

然而，并非所有的微藻都能夠進(jìn)行異養(yǎng)生長。不能異養(yǎng)培養(yǎng)的最主要因素是，微藻自身不具備完善的吸收利用胞外有機(jī)碳和有機(jī)氮的機(jī)制。

具體來說，一是有些微藻因?yàn)橛袡C(jī)物難以透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞或者缺乏濃縮有機(jī)物的能力而不能被異養(yǎng)；二是有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行代謝所需的酶系統(tǒng)不完善, 有機(jī)物不能被有效利用, 造成某些微藻難以異養(yǎng)；三是在異養(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)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，迄今為止被業(yè)界篩選出來適合異養(yǎng)方式培養(yǎng)的微藻有多個(gè)門類幾十個(gè)藻種，其中小球藻、隱甲藻、裂壺藻、部分硅藻在異養(yǎng)培養(yǎng)方式研究中及量產(chǎn)化方面較為成熟。同時(shí)，也有研究采用代謝工程的方式，通過轉(zhuǎn)基因來擴(kuò)大微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的品種及使用范圍。例如，國外學(xué)者通過轉(zhuǎn)入葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)酶基因，使不能異養(yǎng)培養(yǎng)的三角褐指藻實(shí)現(xiàn)了利用葡萄糖進(jìn)行異養(yǎng)生長。

在生化組成上，異養(yǎng)和自養(yǎng)培養(yǎng)所獲得的微藻成分的區(qū)別主要在一些色素含量方面，例如光合自養(yǎng)所得的葉綠素和某些類胡蘿卜素的含量會(huì)多些，但最重要的成分通常不會(huì)受到影響。研究表明，天然蝦青素（一種高抗氧化活性類胡蘿卜素）在微藻體內(nèi)的生物合成也不一定需要光來誘導(dǎo)，完全可以通過施予某些脅迫因子來誘導(dǎo)產(chǎn)生。

微藻異養(yǎng)，更適合工業(yè)化生產(chǎn)

十多年的實(shí)踐表明，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)由于可控性強(qiáng)更適合工業(yè)化生產(chǎn)，與之相比，光合自養(yǎng)培養(yǎng)更像原始農(nóng)業(yè)，可重復(fù)性差。然而，異養(yǎng)培養(yǎng)也存在建設(shè)成本大、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。目前，這種培養(yǎng)模式僅適用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。例如，利用裂殖壺藻或隱甲藻來發(fā)酵生產(chǎn)DHA、利用蛋白核小球藻和裸藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)富含蛋白和β-1，3葡聚糖的食品等。

圖3 微藻發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)

受技術(shù)水平所限，當(dāng)前微藻在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下能夠達(dá)到的生物量濃度仍然很低，制約了微藻的工業(yè)化應(yīng)用。最近，中國科學(xué)院水生生物研究所的研究人員以一株可異養(yǎng)培養(yǎng)的富油柵藻為研究對(duì)象，通過有效的發(fā)酵過程優(yōu)化，尤其是精準(zhǔn)的葡萄糖濃度控制這一關(guān)鍵技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了該富油柵藻的超高密度培養(yǎng)，最高細(xì)胞濃度達(dá)到286g/L，比光自養(yǎng)培養(yǎng)提高了100-200倍，解決了微藻大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的問題。

圖4 異養(yǎng)高密度培養(yǎng)后培養(yǎng)液離心前后比較

微藻作為一種重要的資源, 如何實(shí)現(xiàn)微藻的高細(xì)胞密度養(yǎng)殖已經(jīng)成為微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)能從根本上解決自養(yǎng)受光照影響的問題，已成為微藻培養(yǎng)的主要發(fā)展方向。

來源：中國科學(xué)院水生生物研究所