（发酵工程专业论文）微重力环境对螺旋藻生长影响的研究.pdf

贵州大学硕上论文摘要 摘要 螺旋藻作为一种营养成分十分丰富的微生物，目前已应用于食品、化妆品、 医药、饲料等领域。而且作为空间受控生态生命保障系统的生产者生物，其应用 前景仍十分广阔。本文针对螺旋藻的培养特点，结合本课题组前期研究，对自制 模拟微重力效应反应器中钝顶螺旋藻的光合自养培养和混合营养培养进行初步 研究，并从生长状况和主要成分含量的变化等方面，探讨了微重力环境对螺旋藻 生长的影响。 本实验以常重力条件下三种反应器：摇床分批培养、搅拌式发酵罐和气升式 反应器中，螺旋藻光合自养和混合营养培养条件的优化及主要成份含量的测定为 依据和参照；对自制模拟微重力效应反应器中螺旋藻的光合自养和混合营养培养 条件进行优化，并对主要成份的含量进行测定和分析，初步研究了造成主要成份 含量差异的原因。最终获得模拟微重力效应反应器中螺旋藻的最优培养条件及主 要成份的含量：反应器转速1l r a d m i n ，光照强度3 5 k l x ，培养时间1 0 d ，葡萄糖 浓度2 0 9 l ，n a 2 8 2 0 3 浓度1 0 9 l ；获得光合自养培养最大藻体细胞干重为 0 9 8 9 l ，其中多糖含量为3 3 7 8 ，藻胆蛋白3 6 5 0 ，叶绿素4 5 7 9 m g g ；混合 营养培养最大藻体细胞干重为1 3 5 l ，其中多糖含量为2 4 5 5 ，藻胆蛋白 7 2 7 2 ，叶绿素3 3 8 0 m g g 。经过比较分析发现，微重力环境会对螺旋藻主要成 份含量造成明显影响，其中藻胆蛋白含量变化最大，是同期摇床混合营养培养的 1 8 l l 倍。 关键词：螺旋藻；模拟微重力；混合营养；光合自养 贵州大学硕士论文a b s t r a c t a bs t r a c t s i n c er i c hi nn u t r i t i o n , s p i r u l i n ai sw i d e l yu s e di nf o o d , c o s m e t i c ，m e d i c i n ea n d f e e d s t u f fa r e a s a n di th a sab r i g h t e rf u t u r et ob eap r o d u c e ri ne c o l o g i c a lg u a r a n t e e s y s t e m t h ep h o t o a u t o t r o p h i ca n dm i x o t r o p h i cc u l t u r eo fs p l a t e n s i sw e r es t u d i e di n t h i sp a p e r , w h i c hw a sf o c u s e do nt h et h ec u l t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs p i r u l i n aa n d c o m b i n e dw i t ht h es t u d i e so fo u rp r e v i o u sr e s e a r c h a n dt h ee f f e c to fm i c r o g r a v i t y c o n d i t i o no nt h eg r o w t ho fs p i r u l i n aw a ss t u d i e df r o mg r o w t hs t a t u s ，t h ea s p e c t so f c o n t e n to fm a j o rc o m p o u n d s ，a n ds oo n t h ep h o t o t r o p h ya n dm i x o t r o p h yc u l t u r ec o n d i t i o n so fs p a t e n s si ns h a k i n g f l a s k ，s t i r r e dt a n kf e r m e n t e ra n ds e l f - m a d ea i r l i f tr e a c t o rw a so p t i m i z e d t h ec u l t u r e c o n d i t i o n so fs p l a t e n s i si ne l f - m a d ea i r l i f tr e a c t o ra n dt h ec o n t e n to fm a j o r c o m p o u n d sa n dt h ec a u s e so fd i f f e r e n c ei nm a j o rc o m p o u n d sw e r ea l s os t u d i e d t h e b e s tc u l t u r ec o n d i t i o n sw e r e ：r o t a t i o n a ls p e e dllr a d m i n ，l i g h ti n t e n s i t y3 5 k l x ，c u l t u r e t i m e10 d ，g l u c o s ec o n c e n t r a t i o n2 0 9 l ，a n dn a 2 s 2 0 3c o n c e n t r a t i o n1 0 9 l t h e m a x i m u mb i o m a s so fo 9 8 9 l ，p o l y s a c c h a f i d e3 3 7 8 ，p h y c o b i l i p r o t e i n3 6 5 0 a n d c h l o r o p h y l l4 5 7 9 m g gw e r eo b t a i n e du n d e rp h o t o t r o p h yc u l t u r e a n dt h em a x i m u m b i o m a s so f1 3 5 9 l ，p o l y s a c c h a r i d e2 4 5 5 ，p h y c o b i l i p r o t e i n7 2 7 2 a n dc h l o r o p h y l l 3 3 8 0 m g gw e r eo b t a i n e du n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n s a f t e rc o m p a r e dt h er e s u l t s ，i t s h o w e dt h a tm i c r o g r a v i t yc o n d i t i o nw i l la f f e c tt h ec o m p o s i t i o nc o n t e n ts i g n i f i c a n t l y , e s p e c i a l l yt h es t r o n g e s to np h y c o b i l i p r o t e i n a n di tw a s1 811t i m e st h a nm i x o t r o p h y c u l t u r ei ns h a k i n gf l a s k k e yw o r d s ：s p l a t e n s i s ；m i c r o g r a v i t y ；m i x o t r o p h i cc u l t u r e ；p h o t o a u t o p h i cc u l t u r e l l 贵州大学硕士论文原创性声明 学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邀导师签名：之益刍2 日期：2 q q 呈生旦 贵州大学硕士论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 螺旋藻( s p i r u l i n a ) 又称为蓝细菌，是一种主要分布于热带、亚热带地区淡 水或盐碱性湖泊重的多细胞丝状蓝藻( b l u eg r e e na l g a e ) ，因其细胞呈丝状并缠 绕成螺旋形而得名。螺旋藻属蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 、蓝藻纲( c y a n o p h y c e a e ) 、 颤藻目( o s c i a l l a t o r i a l e s ) 、颤藻科( o s c i a l l a t o r i a e e a e ) 、螺旋藻属( s p i r u l i n a ) 【， 是地球上最早出现的光合生物之一，已经这个星球上存在了3 5 亿年。目前应用 于生产和研究的螺旋藻有3 0 多种，其中以钝顶螺旋藻( s p l a t e n s i s ) 和极大螺旋 藻( s m a i x m a ) 的应用最为普遍。螺旋藻作为一种微生物，它所含有的营养物质 十分丰富，是目前任何一种单一动物源、植物源及微生物源食品都无法相比的。 随着2 0 0 8 年“太空年”的到来，生长过程中吸收c 0 2 放出0 2 的螺旋藻可以和宇航 员之间建立起生态平衡关系，降低制氧动力消耗，再加上螺旋藻营养丰富全面、 易采集和可直接食用的特点，使得螺旋藻无论从本身的营养价值还是其代谢特性 而言，都是空间受控生态生命保障系统( c e l s s ) 中很有利用价值和开发前景的 生产者生物，见图l 一1 。 图1 1 受控生态生命保障系统( c e l s s ) 示意图 1 1 微重力及微重力环境的地面模拟 依照万有引力定律，一个物体只要处于无加速度的情况下，即是失重。也就 是说，当物体系统内的加速度为零或是重力和其他外力作用于物体上的合力为零 时，此物体处于失重状态。但是由于空间飞行器中的动力、宇航员的活动等原因 贵州大学硕上论文微重力环境对螺旋凛生长影响的研究 影响了系统的加速度，使得实际情况中重力或其他外力引起的加速度不为零，而 是一个重力加速度或惯性加速度约为1 0 。3 1 0 7 9 的物理环境，一般称之为微重 力，此时重力的影响可忽略不计【1 1 2 1 。 目前有两种途径可以获得微重力条件，见表1 1 ，一是空间飞行和大气层内 的抛物线飞行，二是借助机械装置如落塔、回转器等进行地面的微重力条件模拟。 空间飞行所需费用较高，机会也很少，而抛物线飞行和落塔模拟则不能提供较长 时间的微重力状态，不能为研究微重力条件对微生物的影响提供有效的研究时 间。 表i - 1 可提供微墓力的装置 当前国内各研究机构和实验室关注较多的是利用回转器进行微重力条件的 模拟。回转器是一种使受实验的生物样品围绕一个水平轴旋转的设备。在回转器 上，生物样品在电机的带动下不停地绕水平轴匀速旋转，虽然仍然处于重力场中， 受到恒定的重力矢量的作用，但重力方向相对于生物体运动方向在连续不断的变 化，这就使得样品处在不断改变的力场中。在适当的转速下，生物样品总是来不 及对重力做出响应，重力的作用效果总是来不及表现，其结果就像没有受到重力 的作，表现出与生物体处于真正的微重力条件时类似的现象，从而达到模拟微重 力条件下生物效应的结果。 严格地说，在回转器上，生物样品始终处在恒定的重力作用之下，只是利用 回转器达到模拟微重力的效果。只是通过不断旋转改变重力作用方向，以抵消单 一方向的重力作用效应，即利用回转器模拟的只是微重力的效应，而不是微重力。 发生在回转器上的生物体表现，在定量上并不能与空间飞行的微重力条件完全相 同，只是定性的相似。因此通过对模拟微重力条件下获得的生物效应的研究，可 以预测可能获得哪些方面的空间飞行实验结果，以利于从中发现生物体在微重力 条件下的变化规律及特征。模拟微重力效应只有通过空间飞行实验验证才能被确 定为真实的微重力效应。 1 2 螺旋藻的研究历史及现状 螺旋藻原产于非洲的乍得湖( l a k ec h a d ) 、美洲的一些碱性湖泊和墨西哥的 2 贵州大学硕士论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 淡水湖，近年来在近海海域也发现了螺旋藻的存在。1 5 世纪末，与哥伦布一同 探险的卡斯罗就记载了美洲土著居民采集湖中藻类加工制作成一种蓝色软饼，并 作为一种祛病强身的食品进行食用。1 9 4 0 年，法国药物学家c r e a c h 将在墨西哥 t e x o c o 湖沿岸采集到的这种藻类标本转交给著名藻类学家d a n g e a r d 进行鉴定， 证明该标本是一种螺旋形丝状蓝藻，并将其命名为钝顶螺旋藻( s p 肠把瑚西) 。1 9 6 3 年法国脂类研究所c l e m e n t 教授对螺旋藻成分进行分析，发现其营养丰富，他的 开创性研究工作为螺旋藻的应用和开发奠定了基础。1 9 6 6 年，z a r r o u k 根据螺旋 藻的生长环境进行实验室培养，成功确定了适合螺旋藻生长的培养基，并发表了 论文螺旋藻的培养研究，z a r r o u k 的研究是螺旋藻规模化生产的里程碑。1 9 6 7 年，法国和墨西哥联合开展螺旋藻的培养研究，并在s o s at e x o c o 湖畔合作建立 了世界上第一个螺旋藻生产工厂。随着全球范围人口和粮食危机的日益加剧，螺 旋藻以其极高的营养价值和医药保健功效逐渐受到许多国家和国际组织的重视 和关注。1 9 7 2 年第二次国际蛋白质会议上，螺旋藻被认定为“未来的超级营养品”； 1 9 7 4 年联合国世界粮食会议确认其为“重要的蛋白质资源”联合国粮农组织 ( f a o ) 誉之为“明天最理想的食品”；世界卫生组织( w h o ) 称螺旋藻为2 l 世 纪最理想保健品”；1 9 9 1 年美国粮食及药物管理局( f a d ) 认为螺旋藻是“最安全 的保健食品”；日本食品协会认为螺旋藻是“优质健康食品”；1 9 9 3 年在摩洛哥召 开的首次世界螺旋藻大会上，螺旋藻被一致公认为是“人类最佳保健食品”【l o 】。而 美国从1 9 8 2 年起进行螺旋藻的商业化生产，1 9 8 3 年的销售额就达到了l 亿美元 瞄一一。我国在2 0 世纪7 0 年代就着手于螺旋藻的研究和开发，中国农业部和国 家科委将“程海湖螺旋藻开发及其新药研制”课题列入“七五”重点攻关项目，经过 “八五”、“九五”科技攻关和项目推广，于1 9 9 0 年在云南省永胜县程海湖建成了 全国最大的螺旋藻生产基地。目前，我国螺旋藻养殖、开发单位已达到近5 0 家， 成为螺旋藻养殖大国，年产量在l o o o t 以上，约占世界产量的4 0 。随着研究的 不断深入，螺旋藻的应用从保健食品逐步扩展到医疗、化工、环境等多种领域， 越来越受到广泛的关注。 1 3 螺旋藻的生物学、生理学特性 1 3 1 螺旋藻的形态及显微结构 螺旋藻是一种由多个圆柱状细胞连结而成的螺旋状卷曲的多细胞单列丝状 3 贵州 学碰l 论立 微重力g 境对螺旋藻生长影响的究 微藻。其藻丝体的形状也可因受生长环境的影响而发生改变，有的甚至产生稳定 的直线形变异。生长良好时，螺旋藻群体一般使培养液呈现墨绿色。 在光学显微镜下，藻丝体呈深绿色疏松或紧密的有规律的螺旋形或波浪形， 藻丝两端略细，术端细胞钝圆或顶端细胞外壁增厚或具帽状结构，无分支，无异 形细胞，藻丝内的细胞间隔及色素颗粒均可见【9 】。偶尔在成熟的藻丝体或自然断 裂的短的藻丝体中，可以见到褪色的特化细胞，是其裂殖的现象i ”。藻丝体长约 为5 0 - - 5 0 0 h m ，直径约为6 - - - 1 2 t t m ( 最大的可达1 6 9 i n ) 。螺旋藻细胞为圆柱形， 短圆柱形或方形，细胞大小、藻丝宽度因种而异。螺旋藻行无性繁殖，通常依靠 藻丝体中横隔的产生或藻丝体中伪空胞的产e 而形成藻殖段【7 ”i 。其藻丝的生长 主要靠简单的细胞分裂，分裂面与藻丝的纵轴垂直，依靠细胞分裂增加藻丝长度。 1 9 7 7 年v a nec 在透射电镜下观察到，螺旋藻的细胞可旱现出四层结构【”， 1 9 9 8 年李韶山等人经透射电镜观察，螺旋藻细胞的核区无核膜、核仁，细胞质 内无线粒体、叶绿体及高尔基体等细胞器的分化n l3 2 螺旋藻的光合作用 翟 图i ，2 钝顶螺旋藻显强照片 螺旋藻是光能自养藻类，通过自身的光合作用制造有机物质，在营养物质与 温度不是限制因子时，影响螺旋藻产量高低的决定性因素就是光照强度。另外， 不同的光质对螺旋藻的生长发育也有显著的影响。 13 3 螺旋藻的生态分布 螺旋藻喜光、喜温( 3 0 c ) 、耐盐耐碱( p h 值9 1 1 ) ，分布较广，可以在 土壤、沼泽、淡水、盐水及温泉中生长，特别是广泛分布在热带和温暖的海洋、 贵州大学硕士论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 湖沼及盐湖中。甚至可以在一些不适应其它生物生长的环境下生长，如在含碱量 很高的湖泊中它也能生长良好【8 1 。它能利用无机氮、磷等无机盐，固定c 0 2 ，进 行光合作用而获得其生长的能量和生物量，反应为 c 0 2 + n 0 3 + p 0 4 _ ( c h 2 0 n p ) + 0 2 。 1 3 4 螺旋藻的营养类型及实验室培养方法 传统上认为，螺旋藻与大多数蓝藻一样，是一种专性光合自养生物，进行光 合作用，以光作为能源还原c 0 2 ，同化成碳水化合物。但最近的研究表明螺旋藻 还具有一定的异养生长能力，并可在有机底物存在时进行混合营养生长。由此根 据其营养和呼吸代谢特性，可将螺旋藻分为四种类型： ( 1 ) 光合自养型( p h o t o a u t o t r o p h y ) 光合自养是利用光能( 自然光源或人工光源) 将无机物转化为有机产物，同 时放出氧气的代谢过程。此种类型的螺旋藻在光照下生长，c 0 2 作为唯一的碳源 同化为细胞结构，其生长所需能量仅仅来自光。这种培养方法对环境的依赖性大， 尤其是光照强度对藻体的生长至关重要。尽管螺旋藻是一种生长很快的生物，但 是与其他微生物相比，其生长速度依然很缓慢。因此，需要较长时间才能得到较 高的产率，而且采用不同的反应器得到的产率差异很大。目前用于大规模商业化 培养的产率一般在o 5 9 l 左右。 ( 2 ) 混合营养型( m i x o t r o p h y ) 在光照和c 0 2 都存在的条件下，向培养液中补加一种有机物作为碳源或氮 源，参加光合代谢。这种方法不但能降低藻体生长代谢对环境的依赖，而且可以 得到更大的比生长速率和更高的产率，改变藻体利用碳源的代谢途径及藻体细胞 中各营养成分的含量，这为螺旋藻的产业化、规模化培养确立了好的基础。光合 自养中光照强度是最重要的影响因素，但是采用混合营养时，加入有机成分以后 能明显降低藻体生长对光照的依赖，添加的物质不同，得到的产率差别也很大， 特点是产率高、成本低、产品纯度高，特别适合高价值产品的积累。 ( 3 ) 营养缺陷型( a r x o t r o p h y ) 藻体在生长过程中由于发生代谢障碍，培养时至少需要添加一种较低浓度的 有机物，但这种物质并不是作为碳源或氮源参与代谢。 ( 4 ) 异养型( h e t e r o t r o p h y ) 5 贵州大学硕士论文 微重力环境对螺旋藻生k 影响的研究 螺旋藻在没有光照的条件下，利用一种或多种有机底物作为碳源或氮源进行 生长代谢。此时的螺旋藻不需要c 0 2 参与光合代谢，在黑暗中进行生长，同时 放出0 2 。对于异养型还有一种特殊情况，光被需要来同化底物，但所需强度远 低于光合自养型，这种类型可被称为光合异养型( p h o t o h e t e r o t r o p h y ) 。但由于此 种培养条件比较特别( 碱性高，几乎不含有机底物) ，加上异养型培养对反应器 要求较高，一般情况下不用此种方法进行螺旋藻的培养。 1 4 螺旋藻的化学组成 螺旋藻富含蛋白质和碳水化合物，并含有丰富的钠、钾、钙、镁、磷、硫、 铁、锌、锰等矿物质和微量元素，多种维生素( b l 、b 2 、b 6 、b 1 2 、e 、h 等) 和 生物活性物质。由于螺旋藻的种类、产地及培养条件不同，其化学组成也有较大 变化，表1 2 是综合多方测定的结果后的数据【4 3 1 。 表l - 2 螺旋藻的化学组成( 干重) 1 4 1 蛋白质及氨基酸 蛋白质是由2 0 种氨基酸组成的生物大分子，是生命的基础，其中的8 种必 需氨基酸不能由人和动物自身进行合成，必须通过食物供给才能满足人和动物的 自身发育和健康要求。 螺旋藻中蛋白质含量丰富，是迄今为止蛋白质含量最高的食品之一。且其粗 蛋白含量因品种不同而异，钝顶螺旋藻( s p i r u l i n a p l a t e n s i s ) 干粉含粗蛋白质量 分数在5 0 以上【l ，而大螺旋藻( s p i r u l i n am a x i m a ) 的粗蛋白质量分数可达到 6 0 - - , 7 1 ，比牛肉、鸡肉蛋白高3 5 倍，是大豆的2 倍【2 3 2 4 1 。 m a , r e n y i 等还对从钝项螺旋藻得到的叶绿素蛋白质复合物的光谱性质、分 子量、氨基酸组成等进行了详细的分析【l 钔。螺旋藻蛋白中氨基酸的种类齐全， 组成均衡，其氨基酸的组成见表1 3 t 2 5 1 ，消化率为7 6 - - 8 4 ，蛋白质效价( p e r ) 2 2 - - - 2 6 ，生物价( b v ) 6 0 7 2 f 1 2 13 1 ，净蛋白利用率( n p u ) 5 3 - - - 6 1 ，含有人和 动物不能合成的8 种氨基酸 1 7 】，配比符合联合国粮农组织f a o 确定的蛋白质标 准闭，见表1 4 、表1 5 ，是一种优质的蛋白质。由表1 4 可见，除了蛋氨酸和 色氨酸稍微低于f a o 标准外，其余6 种必需氨基酸含量都远远高于f a o 标准。 除此之外，螺旋藻蛋白中还富含藻蓝蛋白，特殊的拟生长因子，而且超氧化物歧 6 贵州大学硕：论文微蓐力环境对螺旋藻生长影响的研究 化酶( s o d ) 的含量也很丰富【2 6 1 。 表1 3 螺旋藻蛋白质的氨基酸组成 表1 4 螺旋藻必需氨基酸组分与f a o 标准对照( 单位：) 表1 5 几种螺旋藻的蛋白质含晕与必需氨基酸组成( ) 藻胆蛋自主要存在于蓝藻和红藻中，可分为藻蓝蛋白( p c ) 、别藻蓝蛋白 ( a p c ) 、和藻红蛋白( p e ) 几种【2 7 】，其中最主要的是藻红蛋白和藻蓝蛋白。螺 7 贵州大学硕十论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 旋藻中藻胆蛋白的组成主要是藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白，约占细胞干重的1 0 左右 【1 8 1 9 1 ，而藻红蛋白的含量很少，这也是螺旋藻细胞的颜色呈蓝绿色或深绿色的 原因。藻蓝蛋白由2 个亚基扣亚基和p 亚基) 以及发色团构成，藻蓝蛋白亚基的 氨基酸组成在系统进化中是很保守的，特别是在重要的功能区段保守性更强，发 色团的功能是吸收及传递光能。它能把捕获到的光能按照藻红蛋白_ 藻蓝蛋白一 异藻蓝蛋白一叶绿素一光合作用中心的途径，进行高效、直接的传递【1 3 卯。 我国学者钱凯先经过数年的研究发现的存在于螺旋藻蛋白质中的多肽拟生 长因子，具有在体外强烈刺激人体细胞增长的功效，经研究此物质也是一种激素， 分子量与胰岛素接近。 超氧化物歧化酶的作用是将h 2 0 2 氧化为h 2 0 和0 2 ，淬灭超氧自由基，从 而保护细胞内d n a 、蛋白质和其他生物大分子不受自由基的氧化损伤与破坏， 维护细胞正常结构和功能。螺旋藻的s o d 含量可达4 - - 6 m g g ，活性一般在1 0 0 0 - - 一 3 7 0 0 u m g 之间，经过纯化后活性可达5 0 0 0 u m g 以上。 1 4 2 碳水化合物 螺旋藻中碳水化合物的含量约为1 0 - - - 2 3 。q u i l l e 【2 9 1 曾分析了螺旋藻的碳水 化合物组成，认为其水解产物为葡萄糖( g l u c o s e ) 、果糖( l e v u l o s e ) 、蔗糖( s u c r o s e ) 、 甘油( g l y c e r 0 1 ) 和一些多元醇( p o l y o l s ) 。从螺旋藻中提取的螺旋藻多糖 ( p o l y s a c c h a d d eo fs p i r u l i n a ) 是一种无毒的水溶性天然产物，其分子量约为 1 2 0 0 0 - 1 6 0 0 0 ，是由多种单糖组成的杂多糖【2 0 2 1 2 2 1 ，主要是d 甘露糖、d 葡萄 糖、d 半乳糖和葡萄糖醛酸等，其中d 半乳糖存在于糖脂中，而n 葡萄糖主要 以多糖形式存在。我国学者郭宝江等【3 0 】对提取到的螺旋藻多糖进行分析，相对 分子质量为1 2 5 9 0 ，其组成为d 甘露糖占3 0 9 3 8 ，d 葡萄糖占2 9 7 7 9 ，d 半乳糖占2 2 7 5 5 ，葡萄糖醛酸占1 6 5 2 6 ，为一种水溶性抗辐射活性物质。 k m s e k h a r a m 等从钝顶螺旋藻中分离出酸溶性多糖，采用甲基化、高碘氧化、 三氧化铬氧化寡糖分析和酶技术研究表明此多糖为含有硫酸盐的( 非共价结合 的) 葡聚糖，此葡聚糖中葡萄糖之间分别以q 1 ，4 和伐1 ，6 糖苷键相连是一种 支链糖原式聚合物【1 5 】。 1 4 3 脂类 螺旋藻中脂类的含量较低，约为6 1 3 ，仅为蛋白质含量的1 1 0 ，且以糖 贵州大学硕士论文 微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 脂、硫脂和磷脂居多，大部分为脂肪酸，甘油三酯仅占1 2 。其中不饱和脂肪 酸的含量约为2 3 ，特别是亚油酸和亚麻酸两种必须氨基酸就占脂肪酸的5 0 ， 其含量见表1 6 【2 8 】。亚油酸和亚麻酸都是人体必需脂肪酸，经人体代谢后可转化为 具有重要生理活性的二十碳五烯酸( e p a ) 、二十二碳六烯酸( d h a ) 和前列腺素 ( p g ) 。 表1 - 6 螺旋藻中一些脂肪酸的含量 1 4 4 色素 螺旋藻富含生物色素，其所含的色素大致可分为三类，见表l 一7 表1 7 螺旋藻中生物色素 色素含量 叶绿素 类胡萝卜素和叶黄素 藻蓝素和藻蓝蛋白 活细胞重量的1 7 占有机体重量的0 5 约占细胞内蛋白质的2 0 0 1 4 4 1 藻蓝素 藻蓝素( p h y c o c y a n i n ) 是自然界中为数很少的天然纯蓝色素，属胆三烯类 化合物，其结构是由开链的四吡咯化合物发色基团，见图1 3 ，与蛋白质通过硫 醚键连接在一起的结合体，分子量为1 2 0 0 0 0 ，用1 琼脂糖等电聚焦法测得藻蓝 色素p i 值为4 2 3 【3 i 】；其热变性温度范围在4 0 - - 5 4 。藻蓝素有强烈的红色荧光， 其特征荧光发射峰位于6 4 6 n m ，其光谱吸收峰为6 2 0 n m 和3 4 8 m 【3 2 】。 藻蓝素有良好的水溶性，在酒精中立即变性，不溶于一般有机溶剂，与其它 水溶性色素有良好的混配性能。与其它天然色素一样，对光、热不稳定，但其纯 固体在冰箱内可长期保存。藻蓝素溶液不发荧光，但与锌离子结合可形成荧光盐 9 贵州大学硕士论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 络合物，一般不作为蓝色色素单独使用，多与其他天然色素混合使用在果汁、饮 料中【3 3 1 。同时藻蓝素是吸收光能和传递激发能的重要光合色素，在光合作用原 初过程的研究中有重要意义。 下h 3彳h 3 1 4 4 2p 一胡萝l 、素 r = 一c h r c h r c 0 0 h 图1 - 3 藻蓝素的结构 p 一胡萝卜素( 1 3 - c a r o t e n e ) 在自然界中主要存在于植物和微生物体内，人体和 动物体内不能合成，需要从外界摄取。螺旋藻中的p 胡萝卜素是其中主要的活性 成分之一，也是一种天然食用色素，它可以作为食品添加剂和营养增补剂，已被 联合国农粮组织( f a o ) 和世界卫生组织食品添加剂专家委员会推荐，被认定为 a 类营养色素【3 4 1 ，并在世界上5 0 多个国家和地区获准使用，也已列入我国食品 添加剂国家标准【3 习。同时d 胡萝卜素是维生素a 的重要前体，第一位的抗癌维 生素，具有预防癌症、预防白内障、治疗口腔及食道的溃疡、治疗维生素a 缺 乏症、减少化疗和放疗引起的毒副作用等功能【3 6 3 7 3 8 1 。 k a p o o r 等用螺旋藻d 胡萝卜素与标准的全反式p 胡萝b 素在动物实验中比 较研究，发现在每日供给量为6 0 1 t g 时两者情况相近，虽然在每日供给量为1 2 0 1 x g 时螺旋藻组兔肝维生素a 的贮存及b 一胡萝b 素的吸收水平低于标准组，但螺旋 藻组兔子的生长状况在两种情况下均好于标准组【l 6 1 。 1 4 4 3 叶绿素 螺旋藻所含色素中含量最丰富的是叶绿素a ，也是螺旋藻中唯一存在的叶绿 素【7 4 1 ，占活细胞重量的1 7 ，干重的o 8 1 5 。 1 4 5 维生素与矿物质 螺旋藻中与人体生长发育直接相关的各类维生素含量十分丰富，有e 、b l 、 l o 贵州丈学硕士论文微蘑力环境对螺旋藻生长影响的研究 b 2 、b 6 、b 1 2 、3 - 胡萝b 素、叶酸、泛酸、k 及c 等，其中很多种维生素比普通 食物中的含量要高得多，特别是p 胡萝b 素、维生素b 。和维生素b 2 ，其含量之 高是所有天然食品罕见的，见表1 - 8 1 4 0 i 。其中维生素b 1 2 几乎不存在于其它植物 性食物中，可以说螺旋藻是维生素b 1 2 含量最高的天然植物性食物，它比动物肝 脏所含的量还多3 倍。作为天然p 胡萝卜素的来源之一，每百克螺旋藻体中1 3 胡萝卜素的含量可达到5 0 m g ，为普通胡萝卜的l o 1 5 倍。每6 9 螺旋藻中的1 3 胡萝卜素含量相当于牛乳2 8 瓶或鸡蛋2 0 个【3 9 】。 表1 8 螺旋藻中维生素的含量 螺旋藻中的矿物质含量也相当高，特别是钾、磷和钙，见表1 9 1 4 1 1 。 1 4 6 核酸及脱氧核糖核酸 螺旋藻含有较丰富的核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) ，按细胞干重计， r n a 含量为3 6 4 o ，d n a 含量为o 8 , - - 一0 9 蚶4 2 1 。 表1 - 9 螺旋藻中矿物质的含量 1 5 影晌螺旋藻生长的理化因子 1 5 1 物理因素对螺旋藻生长的影响 贵州大学硕士论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 1 5 1 1 光照和光质对螺旋藻生长的影响 螺旋藻是一种光合原核生物，具有叶绿体，可以进行光合自养生长，光照不 仅能影响光合碳固定的速率，也能影响藻细胞的呼吸强度和能源水平【4 5 1 ，因 此光照是螺旋藻生长最主要的环境因子。当营养底物和环境温度不是螺旋藻生长 的限制因子时，螺旋藻的生长主要受光辐射强度的影响m 】。同时光辐射强度对 螺旋藻光合作用和细胞生长的影响，依品种、培养温度和培养方式等因素而异。 在光辐射强度尚未达到饱和光辐射强度之前，光辐射强度决定螺旋藻的生长速 率；当光辐射强度超过一定值时，螺旋藻的生长就受到光的抑制，低温、高温等 不良环境因子会加剧光抑制现裂4 7 】。藻类在饱和光辐射强度以上的条件中发生 光抑制现象的本质足光氧化，这种现象的产生可能是高光照强度影响光合色素系 统中反应中心，出现反应中心p s i i 中的d i 蛋白质的降解，使光系统i i 的活性丧 失，同时也抑制核酮糖二磷酸羧化酶力氧酶的活性，使在高光下发生光适应性 调节，从而催化光合碳还原( p c r 即卡尔文循环) 偏向催化光呼吸碳氧化( p c o 即光呼吸) 过程，使藻细胞所固定碳素的一部分( 大约在2 5 5 0 ) 被光呼吸 消耗，导致藻的生物量和比生长速率下降【4 8 1 。 尤珊掣4 9 】通过研究光照度对螺旋藻生长速率、形态和藻丝群落的显色特性 的影响，指出一定强度的光照对螺旋藻的生长有利。李乐农等印l 报道用4 k l x 光 照度处理培养1 4 d 的钝顶螺旋藻，每天光照1 4 h 有利于螺旋藻生物量的积累，且 干重达到最大值，1 0 h 光照次之，1 8 h 光照处理干重最低。王长海等【5 i 】从改善培 养液的光照体积让每一个细胞都接受光照以提高整体光照水平以进行高密度培 养的角度，证实了尤珊【4 9 j 的结论。光照强度显著影响螺旋藻光合自养生长，光 照强度减少则比生长速率显著下降；混合营养培养过程中，光照强度对螺旋藻生 物量的影响不及光合自养显著，并且光照强度和有机底物的浓度对螺旋藻生长的 影响是相关联的【5 2 】。 光质同样影响螺旋藻的生长。根据张爱琴【5 3 】的报道，钝顶螺旋藻在较高光 强下，红、黄、绿、蓝、白五种不同的光照中，红光对生长最有利，绿光最差。 而在低光强培养下前1 5 天是红光最好，但到2 2 天后黄光却后来居上，蓝光效果 最差。谭光玲等瞰】证实了红光对螺旋藻生长的这种影响，特定的红光辐射可通 过影响藻蓝蛋白的聚合形态并改善其辅光效能来促进螺旋藻的生长。 1 5 1 2 温度对螺旋藻生长的影响 1 2 贵州大学硕+ 论文 微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 温度同光照一样是影响螺旋藻代谢活动的重要因子，温度主要从暗呼吸和光 合作用两方面影响螺旋藻的生长。因为光合作用过程中的暗反应是由酶所催化的 化学反应，温度直接影响到酶的活性。在低温中，酶促反应下降，故限制了光合 作用的进行。高温条件下光合作用降低的原因一方面是高温破坏叶绿体和细胞结 构，并使叶绿体的酶钝化，另一方面是呼吸速率大于光合速率，不利于生物量的 积裂5 5 l 。 对于同一藻种，温度对螺旋藻光合放氧的影响规律与温度对螺旋藻的生长速 率的影响规律一致。研究表明，钝顶螺旋藻在最适光合作用温度下，不但其生长 速率大，而且夜间的呼吸损耗占白天所同化生成的生物量的比率也较少，在极端 高温环境下，螺旋藻光合作用和暗呼吸速率虽然都将迅速下降，但按呼吸所受影 响明显大于光合作用，在暗呼吸被完全抑制的情况下，光合放氧仍能维持在峰值 的3 0 左右。 不同品种的螺旋藻对温度的需求有一定的差别。般来说，螺旋藻的最适生 长温度为2 8 3 5 ，在1 5 4 0 时仍能生长，短时间结冰或4 5 c 的高温情 况下仍有一定的耐受力。还存在一些特殊的螺旋藻菌株，它们的最适生长温度可 能达到5 0 或1 0 c ，这可能是它们的酶系统很特殊，在高温或低温的环境中更 易发挥活性。鞠宝等【5 6 】还提出温度通过与其他因素的相互作用而影响螺旋藻的 生长。 1 5 1 3p h 值对螺旋藻生长的影响 螺旋藻培养过程中p h 值的大幅度上升是螺旋藻培养液最显著的变化之一 7 5 1 ，p h 值的升高主要是螺旋藻在光合作用中从培养液中吸收c 0 2 使得培养液中 可逆反应( 1 ) 、( 2 ) 的平衡状态发生改变，c 0 2 、h c 0 3 。、c 0 3 2 - 的之问相互转化 的化学平衡状态被打破，使得培养液中的h + 浓度随之发生改变，并最终导致培 养液中p h 变化所致。 c 0 2 + h 2 0 当h + + h c o ； ( 1 ) h c o i 当h + + c 。；一 ( 2 ) 螺旋藻的培养需要较高的p h 值，培养液的p h 值不仅影响螺旋藻对c 0 2 和 h c 0 3 的吸收和利用，还影响其对有机碳的利用效率以及代谢产物的再利用，并 对藻体的生长产生极大的影响。见表l 一1 0 贵州大学硕十论文微重力环境对螺旋藻生艮影响的研究 表l 1 0p h 值对螺旋藻生长状况的影响 p h 值范围 螺旋藻状况 8 5 1 0 5 细胞形态完整，为螺旋藻培养的适宜p h 范围 1 0 5 藻丝体变短，里非正常的黄绿色，老化并裂解，细胞内容物渗f i j 细胞裂解更为严重，在2 0 0 r m i n 的摇瓶转速下，不再形成分散的菌丝体，而形 1 1 成菌丝体的结块 李叙凤【5 刀报道了培养基的初始p h 对螺旋藻生长的影响，指出培养基p h 在 7 0 - - - ，1 1 0 碱性范围内，螺旋藻培养液的o d s 6 0 增长趋势良好。尤其是p h 为9 o 1 0 0 时，藻体的o d 5 6 0 增大最快，即生长速率最大。当培养基的p h 达到1 2 0 时，螺旋藻培养液o d 5 6 0 值基本不变，此时藻体细胞的生长受到了抑制。 1 5 1 4 循环速度对螺旋藻生长的影响 适度的循环可以加快细胞和培养基之间营养和代谢物交换，若同时辅以适当 的光一暗周期转换，对于提高螺旋藻的光合效率和生产力将极为有效。 1 5 1 5 溶氧浓度对螺旋藻生长的影响 对于螺旋藻的生长，无论是采用何种培养方式，培养基质中的溶解氧含量都 是螺旋藻生长环境中的一个重要因素。溶氧浓度的高低可在一定程度上反映出螺 旋藻品系光合作用的强弱，同时培养液中溶氧浓度水平也会直接影响螺旋藻细胞 的生长。培养液中溶氧含量浓度适宜，有利于螺旋藻的生长，光合色素含量高， 能进行高效的光合作用【7 6 7 7 1 。 而高浓度的溶氧虽然促进了螺旋藻的光呼吸，但也加剧了0 2 对螺旋藻的光 合作用的直接抑制，不利于藻体生物量的积累。这种0 2 对光合直接抑制作用的 可能的原因是：高氧含量促进了螺旋藻的光呼吸和0 2 对光合作用的直接抑制， 减少了c 0 2 固定的同化力，同时形成了形成了活性氧，造成光合膜的伤害f 5 引。 李乐农【5 9 】等研究了不同溶氧含量( 质量浓度为4 5 ，5 5 ，6 5 ，7 5m g l ) 下培养 螺旋藻，以6 5m g l 处理培养螺旋藻的生长状况最佳，干物质积累多，叶绿素、 蛋白质含量高。m a r q u e z 等【删和s i n g h 等【们1 研究了螺旋藻培养液中高0 2 张力的 不利影响，他们通过实验证明高0 2 张力在降低螺旋藻生长速率的同时还会使色 素白化。f a c u n d o 等【6 2 】通过测定在高溶氧浓度下螺旋藻的光合作用能力，放氧量， 光合色素，s o d 和抗坏血酸氧化酶等指标，证实了高溶氧浓度抑制了螺旋藻细 胞的分裂。 1 4 贵州大学硕十论文微蕈力环境对螺旋藻生长影响的研究 1 5 1 6 重力场对螺旋藻生长的影响 地球上的各种生物都在地球的重力场中产生、生长、繁衍和演化。把重力作 为一个可改变的参数，研究生物的各种功能与重力的关系，以及生物对于重力的 反应差别，始终是空间生命科学研究的重要内容之一。已有的研究工作显示，微 重力可以在个体、器官、组织、细胞、亚细胞和分子等各级水平上影响生物体。 在失重环境中的植物体，它们的生长取向和幅度、发育、代谢都会发生变化【1 1 7 ， 1 1 8 】 o 对于螺旋藻，经空间飞行后的细胞形态结构、生理生化特性，尤其是碳代谢 发生了很大的变化【1 19 1 。刘永定等【1 2 0 】在对空间飞行后返地的3 种藻进行光合放氧 及呼吸速率测定时，发现2 个指标均有下降，但其机理并不很清楚。早年f r y 等 1 2 1 将几种具有固氮能力的蓝藻应用到c e l s s 的研究中，发现通过盐胁迫、温度 胁迫和生长抑制剂等能够控制藻的蛋白质与碳水化合物的比例。 1 5 1 7 磁场对螺旋藻生长的影响 磁场通过改变培养液的电导率来提高细胞膜的渗透性，提高培养液的n h 4 一n 和n 0 3 n 的比例，增进细胞对矿质离子的吸收，促进细胞的光合效率，以此达 到提高生物量的目的【1 1 。 王德培等吲研究了磁场对螺旋藻生长及多糖生成的影响，发现一定的磁场 强度对螺旋藻的细胞生长、干重及多糖含量都有不同程度的促进作用，对于正处 于对数生长期的细胞，促进作用特别明显，而对稳定期和衰老期的细胞影响不大， 宋中庆等【6 4 】等证实了这一结论。 磁场作用的主要机理可能为：通过改变培养液的电导率以提高细胞膜渗透 压，增进细胞对矿质离子的吸收，提高培养液中氨态氮硝态氮的比例，促进必 报的光合效能。 1 5 1 8 激光和超声波对螺旋藻生长的影响 激光辐射可以通过光、热、压力和电磁效应的综合作用，直接或间接影响生 物有机体，引起细胞d n a 或r n a 、质粒、染色体畸变效应，酶的激活或钝化， 以及细胞分裂和细胞代谢活动的改变6 5 1 。 陈必链等删用倍频n d ：y a g 激光( 波长5 3 2 n m ，功率5 0 0 m w , 功率密度 1 5 贵州大学硕十论文微重力环境对螺旋藻生长影响的研究 16 0 m w e m 2 ) 处理钝顶螺旋藻，5 m i n 辐照剂量促进作用明显；用半导体激舻】 ( 波长6 5 0 n m ，功率4 0 m w , 功率密度13 m w c m 2 ) 3 0 m i n ，15 m i n ，8 m i n 分别辐罴 钝顶螺旋藻，结果表明三个辐照时间都对螺旋藻的形态，长度有明显的促进作震。 其中8 m i n 和1 5 m i n 辐照组促进藻体叶绿素a 和p 胡萝卜素的合成，p 胡萝卜素 增幅高达1 7 9 ；8 m i n 促进作用明显，比生长速率提高1 0 9 。赵平生等【6 嘲 h e - n e 激光照射钝顶螺旋藻，照射时间3 0 m i n ，6 0 + 3 0 m i n ( 照射6 0 m i n ，2 4 h