碳源营养对微藻脂类合成的影响

1、碳源营养对微藻脂类合成的影响1前言微藻是地球上生长速度最快的升物，又是最有潜力的生物燃料之一，由 于近年来能源危机和环境压力的加剧，藻类生物燃料成为研究与开发的对象。 如何培养出含油量高，生长速度快的微藻成为了热点问题。其中微藻的培养 条件的差异，对藻体内含油量具有相应的影响，本文就碳源营养对微藻脂类 合成的影响进行讨论。2生物柴油的特性生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以 及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油用过酯交换工艺制成的可代替石化柴油 的再生性燃料。他是一种生物质能，是生物质利用热裂解等技术得到的一种 长链脂肪酸的单烷基脂。生物柴油具有优良的环保特性，主要由于生

2、物柴油中含硫量低，从而减 少对大气的二氧化硫的排放。经检测表明，与普通燃料相比，生物燃料可减 少90%的空气毒性，降低94%的致癌率，且生物降解性高。生物柴油具有良好的低温发动机启动性能，具有良好的润滑性能、安全 性能以及燃料性能。由于生物燃料具有更高的闪点以及更高的十六烷值，所 以其不仅燃烧性能更好，而且也不属于危险品，降低了在日常运输、储存方 面的危险系数。随着石油供应的减少，世界各国间能源因能源需求而产生的竞争日益激 烈。另外，大量的温室气体排放导致的地球气候的改变。这些都已经严重的 影响了世界经济的发展以及人类健康的生存问题。生物燃料的诞生，为能源 问题与环境问题的解决带来了新的希望。

3、在生物燃料的生产者中，微藻成为 了一个非常重要的角色，其具有如下优点：（1）单位产量高（2）不需要占 用耕地面积（3）可缓解温室气体问题（4）可利用任何水源进行养殖。3藻类生物燃料的应用研究微藻是能够利用光能进行光和作用的微生物，能利用光和作用将生存环 境中的无机物合成有机物，并在藻体内进行储存。一些特殊种类的微藻具有 生长速度快，含油量高的特点。据保守估计，含油量高的微藻，每年每公顷 可生产30000-50000L油脂，而富油植物如棕榈和麻风树等每年每公顷产量 仅为1300-2400Li；藻类还具有环境适应力强，生命周期短，生物产量高 和不占用农业耕地的特点。表1几种原料作物的特点对比4作解

4、称生长E年产量 (c/Iiul1)阕m抽量(1/ 1血.1需要的上地&岫J占全卜耕地.论比*|向高淌玉米林140天左右(1751第153.00如.知Z 招天左右L归O.b24.4ft博麻1-2年5M-751 T7 j工J1L62祐前前种1 待右I.KC-1费1时制棕K洲IU年4.4550左右也衍F伺侦果卜3年22.01 ：珈箭1U73如1-2天225.IH?54伽。.犯：1：气长周期捐植物从存和到乘实成熟的时间，考点列气标.光照、水分的不同名地存在一定的是异：单位而枳 年产坦=年产由种植面秋，鼓明.来源中国农业网、中国珅桩业怕息网等M09年农作物相JtO计算而来；作物的 含袖虽F候条件、水分、

5、朴精力法.作物自身品种箱雄J关系产曲曲$的哗含油房的最大值讣* 觎皿年中 国排地简队勺4亿前I.an亿hYL微藻油脂（Microalgae oi）l属于单细胞油脂，其主要组分是甘油和脂肪酸 5，是由微藻在一定的条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作 为碳源，在藻体内合成的，主要作为生物膜组分、代谢物和能量来源.微藻 可以将大气中的二氧化碳进行有效固定转化为有机物，并且固定与生产速度 都要更快于陆地植物。许多藻株都被证明在实验室生产超过50%生物量的是 脂类7,其中大部分是三酰基甘油类。三酰基甘油类是高能量密度燃料（如生 化柴油，绿色柴油，绿色煤油和绿色汽油）的期望原料幻。3.1微藻油脂

6、中主要成分的含量及提取工艺微藻总脂含量（十质量比）从1%到70%不等，在特定条件下可达到90%9.i0, 大多数微藻的油脂的组成主要为甘油三酯（80%）和C14-C22的长链脂肪酸11, 其中脂肪酸以C16与C18系脂肪酸为主12，某些微藻还含有一些特殊的脂类， 如次氯硫脂13和卤代不饱和脂肪酸14。此外，随着新的检测技术的发展，在 微藻油脂中还发现一些新的化合物，如长链（C35-C40）烯酮、半乳糖脂和醚 脂等15。微藻生产柴油的工艺路线如图一所示。其基本生产过程是，选择适合当 地环境条件的产油微藻，进行大量繁殖，利用离心、过滤等方法从培养体系 中获得微藻，进而从微藻中提取所需要油脂，并通过

7、酯化或转酯化反应转化为生物柴油M。作为生物燃料整体经济的一部分还必须考虑到副产品。藻类 废水处理可以获得大量的副产品，剩余的生物质可以转化为能源（通过燃烧， 热解或乙醇发酵）、价值较高的动物饲料，兽医营养保健品等。如果有可能， 藻类生物之中的无机营养应该再循环到培养系统中来实现流程最大效率睥。表2常见微藻含油率16含油率（干基）/%BotnQcoccus brauniiChlarella sp.Dunciliella priolecta姑履血丁如sp.Molalla)72Naochloric sp.Na ?vqg hl a ropsi j sp.leochloris oleoabNitchia

8、 Ep.PhasedachYitm tricomitti25-7528-322016-372325-3325-7528-322016-372325-332020-3531-6835-5445-4720-3050-77图1微藻生产生物柴油工艺路线193.2不同种类碳源营养对微藻油脂合成的影响碳源是细胞生长所需要的主要营养元素（占藻体十重的45%-50%）,从理 论上讲每克藻体（干质量）需要吸收1.65-1.83gCO220.CO2可以使微藻的油 脂含量和组成发生变化。当CO2通量增加到空气通量的1%时，微藻的油脂产 量就会增加21。即使在一天的时间内，CO2的通量由2%增加到10%，也会使 杜湿

9、盐藻脂肪酸总量占细胞十质量的比例增加30%22。CO2的浓度增加会导致 PUFAs（多不饱和脂肪酸）在真核藻细胞中的含量降低，其原因可能为CO2 容易在脂肪中溶解并且吸附作用快M，因此细胞膜中脂肪酸连的不饱和程度 会由于CO浓度降低而发生变化25。2藻类在培养过程中，可能会受到二氧化碳供应速率的限制，导致培养藻 类的生物量积累不高，这是可以考虑适当添加NaHCO。在王立柱等“产油微 3藻的分离、筛选及自养培养氮源、碳源的优化”的试验中考察了不同浓度的 NaHCO3对微藻生长和油脂积累的影响（图2、3及表3）。由于NaHCO3的加入 同时又会改变培养液的酸碱性，这对于微藻的生长也会造成一定的影响

10、，该 实验还检测了培养过程中培养液pH的变化趋势（图4）25。(yPJtbl愚IPMOJ8 口 uwudsSodium bicarbonate concentration (mg/L图2 NaHCO3浓度对于C. vulgar比生长速率的影响051015202530Culture time (d)图3不同NaHC03浓度下C. vulgaris的生长曲线表3 NaHC03浓度对C. vulgaris生长和油脂积累的影响NaHCO3浓侦Sodium bicarbonate concentration (mg/L)最大生:物量产率Maximiun bi onias s pro ductivitv

11、mg/(L- d)j油脂含量Lipid content (%, W/W)油脂产率Lipid product ivi tv mg/(L-d)0A92.532.129.710 (T98.434.333.820 (T108.037.540.5400b238.432.677.7800、332.830.1100.21200b358.528.4101.81600c379.528.2107.0注：1：税28大删迂第4大j则逻：C：窝5犬测逻.Mote: s: Measiwed at the twenty-eighth day b: Measured at the foitli day: c: Meastne

12、d at the fifth day.图4不同碳酸氢钠浓度下培养液的pH随培养时间的变化 0 mg?L T- 1.00 rng/L + 200 mg/L t- 400 mg/L -H*-KOO mg/L t- 2O0 mg/L t- 600 mg/L图4不同碳酸氢钠浓度下培养液的pH随培养时间的变化由上图可以看出，在碳酸氢钠的浓度增加的条件下，C. vulgaris的生 长速度是先增大后减小的。在藻类培养的过程中，碳酸氢钠不仅起到提供碳 源营养的作用，同时还起到缓冲剂的作用，一次性添加量过高时，藻液的pH 值偏高，微藻的生长就会受到pH的限制如。在马帅等“不同碳、氮源对又是藻株Hhw总脂含量及

13、脂肪酸影响”的实 验中，以TAP为基础培养基选取破陶唐、麦芽糖、乳糖、醋酸钠、蔗糖、可 溶性淀粉作为碳源，浓度为2g/L，培养全稳定期，利用离心的方法收集藻体。 利用改良的酸水解法提取粗脂，并对其成分进行分析，最终得出以下结果， 见表4。在不同的碳源条件培养藻株，发现其生长速度不相同。在葡糖糖为 碳源的培养基中得藻株生长速度最快，淀粉的生长速度最慢，其他几种的对 藻株生长速度的影响比较类似。分析其原因后得出，可能是在藻株培养过程 中，微藻对不同碳源营养的利用程度不同。在培养基中添加了不同种类碳源 营养后发现，Hhw藻株的油脂含量都有所增加，以葡萄糖的最为显著(36.45%)， 粗脂含量提高了

14、11.7%m。在分析脂肪酸含量时发现，添加了不同种类碳源营养的藻株中，肉豆蔻 酸、棕榈油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、EPA等6中脂肪酸的含量均 有减少，并且仍然是添加葡萄糖的最为明显。在碳源添加后，油酸含量均明 显增加，以乳糖最为显著，由5.67%增加到22.56%；棕榈酸的含量也呈增加趋势，仅麦芽糖表现出略微的下降28表4不同碳、氮源对Hhw脂肪酸组成的影响29不同觎洲NHhCI麦芽糖乳度麟酰惆脚糖由肉注飙4.027SL67540.77032.1072176521.44121.7545*油酸3.592Z站7肺”的223723,?抑1.1UQJjWOigl口 1，即梓根梅204732&.1

15、S492D.9L24网翊727.42AI24.7522,633920.&7?221.9861eiB：3=il-ST1 ft.BW13.5501I.8MSUI2G队啊9.432?CIK：23E 油度5熙舛2.3515 .加&.3.弼财.1.44212.87S4土倾CIBlWR5.67D67.9 175.町5ZI.Z9451SJ41232_5-3532,315717.&7W1M25321213234624.6794却刎3184B3925.013823,4514骂.碗42&1 解7濒:4花生四始旅6332“蜘O.623S。妃机0.59S21.2234L1986U另踵25.6明&拙791W3I皿为B.

16、5995Wl3&349718利廓昉酸56.1516! .60834S.DLI2】华曳47.5665辙3m49.16234*4财43-436834.373343-.B3Q144 1例44.3775410W543-95139在徐芳等“有机碳源对产EPA微藻生长及光合作用的影响”的实验中提 至0：针对于Nannochloropsissp.藻株，不同的有机碳源对藻株的生长产生不 同的影响，葡萄糖的促进作用最明显，乙醇存在一定的促进作用，乙酸钠没 用任何影响，乙酸、草酸、甘氨酸等有机碳源会抑制藻细胞的生长。并且葡 萄糖浓度为30mmol/L3o时藻株生长速度最快，当浓度过高或者过低时会影响 藻细胞的增值

17、速度。3.3藻类生物燃料的应用前景藻类无疑是生产生物柴油的最佳选择，微藻的生态足迹少，可以确实微 藻在一些环境条件比较艰苦的地方，如干旱、半干旱、盐碱地或者其他方面 不适合农作物生产的地区惊醒生产。并且微藻不需要占用大量的耕地，相对 于农作物来说微藻的光和效率更高，单位产能更高。微藻以化学能形式将太 阳能储存在以内，与石油最大的不同就是无污染、可再生，这对于以后的能 源发展，环境保护是非常重要的，而且微藻生产的生物柴油相对于化石燃料 从各方面的指标来看，都要有越多。以上的优势，使微藻在许多方面都具备 了取代传统燃料的前景。3结论不同碳源对产油微藻脂类合成有许多影响。CO2和NaHCO3作为无机

18、碳源 营养对于某些产油微藻的生长与藻株内优质的积累有着促进作用。同时两种 无机碳源都存在其最适量，最适量因藻株种类不同而有所区别（如： C.vulgaris 最佳的NaHCO3为800mg/L31）。对于有机碳源营养，以葡萄糖为 代表的有机碳源营养的添加对Hhw油脂的积累有一定的促进作用，实验证明 葡萄糖是有机碳源的最佳选择。在有机碳源营养添加的前提下，Hhw中饱和 脂肪酸占总脂肪酸含量的比例有所提高，不饱和脂肪酸的含量相应的有所下 降。不同有机碳源营养的添加对藻体细胞的生长产生的影响不同，但也存在 最适浓度，如果有机碳源的添加量超过其最适浓度反而对藻体细胞的生长产 生抑制作用。目前对于微藻油

19、脂的研究与应用还都处于起步阶段，在目前已知的产油 微藻中，只有很小部分被各国科学家培养、收集、研究，并需要人工分理处 一些高产的微藻或者含油量高的微藻，进行定向的人工培养。在这些产油微 藻中，不同种类的微藻藻株内油脂含量是由自身基因表达所决定的，为了得 到更加高产的微藻，科学家还需要运用基因工程技术，进行基因转化。近些年石油价格不断抬高，利用微藻产油成为各国研究的重点，也必将 是在未来一段时间内研究的重点。培养微藻的关键是如何充分的利用天气、 地理位置、季节等变化因素，如何找到能够影响微藻含油量、油脂组成成分 以及微藻细胞生长的影响因子，找到合适的营养元素。与此同时，我们还应 看到尽管微藻产油

20、具有如此多的优势、生物能源技术潜力如此巨大，但是离 实际应用还有十分遥远。微藻的生产技术与生产成本是制约其发展的重要因 素。在微藻培养与加工环节的成本在总成本中所占的比重非常大。其中在微 藻培养过程中，碳源成本又占有很大的比重32，如果利用采用工业废气进行 微藻养殖，碳源成为几乎为0邸，同时还能达到节能减排，消除废气的作用。 只有将微藻培养，生产环节中各种不利因素解决，才更有利于微藻在实际生 活生产中得应用，使微藻在促进人类保健、解决世界能源问题方面，发挥更 大的作用。4参考文献Williams P J L B. Biofuel: microalgae cut the social and c

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