全 文 ：能源微藻———葡萄藻培养的研究进展
吴夏芫 , 李 环 ＊, 韦 萍　(南京工业大学制药与生命科学学院 ,江苏南京 210009)
摘要　葡萄藻是一种世界广布的高产烃能源微藻。在石油资源日趋紧张以及环境恶化日趋严重的今天 ,利用该藻生产石油替代品的研
究受到广泛的关注。简要概述了葡萄藻人工培养方面的研究进展 ,讨论了未来葡萄藻产烃工业化发展的方向。
关键词　能源微藻;葡萄藻;人工培养;烃
中图分类号　S216.2　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2008)20-08755-02
ResearchAdvanceintheEnergyMicroalgae-Botryococcusbrauni
WUXia-yuanetal　(ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering, NanjingUniversityofTechnology, Nanjing, Jiangsu210009)
Abstract　Botryococcusbrauni, acosmopolitangreencolonialmicroalga, isanunusualyrichrenewablesourceofhydrocarbons.Withtheworse-
ningofenvironment, B.braunicouldreducethedependenceonnaturalpetroleum, thereforethisB.brauniiatractedmuchattention.There-
searchonthisfieldisrelativelylagginginChinanow.Inordertofurtherstudyproducinghydrocarbonbythismicroalgae, themicrobiologyand
physiologyofB.brauni, itsmethodsofculture, downstreamrecoveryandprocessingofalgalhydrocarbons, theprogressinB.brauniigeneticen-
gineeringwereintroduced.ThefutureprospectandapproachesofindustrializinghydrocarbonproductionfromB.brauniiwerebrieflydiscussed.
Keywords　Energymicroalgae;Botryococcusbrauni;Hydrocarbon;Alga
基金项目　国家 “ 973”项目资助(2003CB71600)。
作者简介　吴夏芫(1984-), 女 ,江西宜春人 , 硕士研究生 , 研究方
向:微藻生物柴油。 ＊通讯作者。
收稿日期　 2008-04-07
1　葡萄藻的培养
自 1968年 Maxwel等查明葡萄藻胶群体中充满了由不
饱和烃类物质组成的油类物质后 ,科研工作者对其生长产烃
条件进行了大量的研究 。葡萄藻产烃与其生长繁殖是基本
成正比的 ,不同品系 、不同培养条件下葡萄藻代谢合成的烃
类也有所不同 ,影响葡萄藻生长和产烃的因素主要有营养浓
度和比例 、营养方式 、培养方式 、光照 、CO2 、pH值 、温度 、盐
度等。
2　培养条件的选择
2.1　基础培养基的选择　葡萄藻的培养一般都采用改良的
Chu13培养基 ,但葡萄藻的品系不同对培养的需求也各不相
同 ,因此基础培养基的选择很重要 。Dayanandaa等研究了
BBM培养基 、BBMa培养基 、BG11培养基和改良 Chu13培养
基对葡萄藻产烃和胞外多糖的影响 ,发现这 4类培养基中葡
萄藻长势都不错 ,而 BG11培养基培养在生物量和烃类积累
上都明显优于其他 3种培养基 , 2个品系 B.brauniSAG30.81
和 LB-572在其中培养的生物量干重积累最高为 2.0和 2.8
g/L,产烃量分别占细胞干重的 46%和 33%[ 1] ,这表明葡萄
藻能适应较广的培养基。
2.2　营养源的选择　与大多数光合自养型微藻一样 ,葡萄
藻生长的主要营养源包括氮源 、磷源 、碳源以及其他一些营
养元素。
虽然氮饥饿有利于藻类油脂的积累 ,但藻体的生长需要
氮源 。有研究表明分别用 NO3-、NO2-、NH3这 3种氮源形
式供葡萄藻生长时 , NO3 -最优 ,而 NH4 +会对藻细胞造成不
可逆的毒害作用。高浓度的硝酸盐对葡萄藻产烃会有所抑
制 ,因此在保证藻体正常生物量积累的前提下进行适当的氮
限制可以有效提高藻内油脂的积累。Singh等报道了氮源缺
乏的条件下 ,葡萄藻的干重 、叶绿素和蛋白质含量都明显下
降 ,但是类胡萝卜素 、碳氢化合物和脂类增加 ,氮饥饿使脂质
的含量增加了 1.6倍 [ 2] 。
磷同样是葡萄藻生长的一个重要营养限制因子 ,适当高
浓度的磷有利于烃类的积累 。氮 、磷比例在葡萄藻生物量和
烃类积累方面有着十分重要的影响 , Casadeval等报道 ,在分
批补料培养 A品系葡萄藻时 ,当氮 、磷比为 1∶4时有利于烃
类产物的积累 ,当氮 、磷比为 1.0∶0.5时既有利于生物量的
积累也有利于烃类产物的积累 [ 3] 。
一般葡萄藻培养的碳源都依靠 CO2或碳酸盐(碳酸氢
盐)供给。据王军等报道 ,以空气中的 CO2作为碳源时 ,葡萄
藻生长缓慢 ,延滞期为 4 d左右 ,第 23天进入减速期 ,第 30
天进入稳定期 ,加入 200 mg/LNaHCO3补充碳源时 ,生长有
所加快;而当向培养液中通入 1% CO2时 ,生长明显加快 ,到
第 15天就进入了稳定期 ,培养周期明显缩短 [ 4] 。虽然是光
合自养生长 ,但葡萄藻也能利用有机碳源 ,如 C1 ～ C6的化合
物和二糖(乳糖 ,蔗糖),这能使藻的倍增时间由原来的至少
1周缩短至最多 2 ～ 3d[ 5] 。
Dayananda等研究了硝酸钾 、硫酸镁 、磷酸氢二钾和柠檬
酸铁对葡萄藻(SAG品系)的生长和烃类产物的影响 ,得出培
养基中最优的磷酸氢二钾 、硝酸钾 、硫酸镁和柠檬酸铁的浓
度分别为 0.195、0.050、0.020和 0.018 g/L,该条件下可产生
0.65 g/L的生物量和 50.6%(占细胞干重)的烃类产量 [ 6] 。
2.3　理化环境因子的选择　除了培养基的成分会对葡萄藻
的生长和产烃有影响 ,一些物理 、化学环境因子的改变同样
会引起藻体相应的响应。
葡萄藻对光照强度的适应范围很广 ,大约是 15 ～ 180
W/m2 ,但最适宜烃类积累的光强范围为 40 ～ 90 W/m2[ 7] 。
对于在前期接受了强光处理的藻体 ,在强光下(10 000 lx)可
以得到较高的生物量和烃类产量;而对于适应了低光强
(3 000 lx)的藻体 ,在高光强条件下生物量却很低 [ 8] ,这可能
是藻体对光抑制极度敏感的原因。采用不同光暗周期对葡
萄藻进行培养 ,对其生长和产烃也是有很大影响的。据报
道 ,相比光暗周期为 12h∶12 h的条件培养 ,采用连续光照 ,
其生物量增加了 1倍 ,烃类产量增加了 4倍 [ 9] 。
研究表明 ,葡萄藻的最适生长和烃类积累温度一般为 25
℃,高于此温度 ,生长速率迅速下降 ,其生长温度上限为 28 ～
30 ℃[ 10-11] 。Kalacheva等研究了 18、25和 32 ℃条件下葡萄
安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2008, 36(20):8755-8756, 8760 责任编辑　李玮　责任校对　卢瑶
藻脂类的组成情况 ,发现在 32 ℃条件下 ,除了三酰甘油外 ,
几乎胞间所有的脂类合成都受到了明显抑制 ,对脂肪酸的合
成也有一定的影响 ,在 32 ℃时 ,三烯醇脂肪酸的含量明显低
于 25 ℃时的 [ 12] 。
葡萄藻在接种前培养基一般需调节 pH值在 7.4 ～ 7.6。
在葡萄藻的生长活跃期可以观察到培养液 pH值呈先升后降
的趋势。pH值上升是因为生长过程中消耗了溶解在培养基
中的 CO2。Dayananda等研究了 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5 6
个 pH值梯度对葡萄藻生长的影响 ,发现在这 6个 pH值梯度
下生物量干重和烃类产量的范围分别为 0.75 ～ 0.86 g/L和
13% ～ 15% (占细胞干重),结果并没有显著性差异(P>
0.05,而 pH值在 7.5条件下 ,有最大的生物量和烃类产
量 [ 1] 。
培养基的盐度(即 NaCl浓度)对葡萄藻的生物量和代谢
产物积累都有影响。据 Rao等报道 ,葡萄藻代谢的烃类 、糖
类 、脂肪酸 、类胡萝卜素的含量和组成受不同盐度的影响 ,在
34～ 85 mmol/L的盐度条件下 ,棕榈酸的含量增加了 1.70 ～
2.25倍 ,油酸的含量增加了 2倍。在盐度为 85 mmol/L时 ,
藻体中的类胡萝卜素 ,主要是叶黄素的含量增加了 2倍 ,根
据生物量和其他代谢物质变化以及藻体的适应性 ,最终得出
在 17 ～ 85 mmol/L的盐度培养效果较好 [ 13] 。据有关文献报
道 , NaF对葡萄藻的生长也有促进作用 ,适宜浓度为 0.1 ～
1.0 mg/L[ 4 , 11] 。
2.4　培养方式的选择　Bailez等研究表明 ,用海藻酸钙胶
体固定化培养葡萄藻时比自由培养具有很多优势:增强了藻
体叶绿素的光合作用活性;高光强时能抵抗光抑制作用;虽
然藻体的生长速率有所下降 ,总产烃量却增多 [ 14] 。然而海
藻酸钙的不稳定性使其广泛应用受到限制 。用聚氨基甲酸
乙酯固定培养葡萄藻则对藻细胞有毒害作用 ,少数聚合物毒
性较小 ,但细胞的代谢活性和产烃量均降低;用小块泡沫和
纱布固定化培养葡萄藻时生物量和产烃量均与游离细胞相
当 ,证明它们是良好的载体 ,值得进一步研究用于固定化连
续培养该藻产烃。
天然生境中 ,藻类与其他各种微生物共处于一个复杂体
系 ,大规模培养时也难以保持纯培养 ,因此 ,研究葡萄藻与细
菌的协同培养模式有重大意义。有研究表明 ,某些细菌可以
通过释放维生素 、有机物 、可同化的氮源衍生物 、无机盐等 ,
改变藻液 pH值 ,释放 CO2 ,分解利用藻体所产生的胞外多糖
等方式来促进藻类的生长。王修垣等将 Bacilussp.109和
Corynebacteriumsp.22-1分别与葡萄藻 A品系的 Austin株协
同培养 ,结果表明前者有抑制作用 ,后者却有促进作用 ,产烃
量由 0.09提高至 0.39 g/L,单位细胞含烃量由 5.6%(占细
胞干重)提高至 24.2%,但生物量却无明显增加 [ 11] 。
虽然葡萄藻在天然水体中能形成水华 ,但其人工培养时
生长速率较低 ,易被杂藻污染 。因此 ,多种光生物反应器已
经试用于葡萄藻的连续封闭式大规模培养 ,目前比较适合商
业化应用的主要是管状 、鼓泡塔式和气升式光生物反应器 ,
新型光生物反应器也已在研发中 [ 15] 。开放跑道池培养葡萄
藻因其造价低 ,目前仍然是最经济实用的葡萄藻大规模培养
方式。
3　葡萄藻培养与污染治理的结合
在如今环境不断恶化的情况下 ,污水和废气治理越来越
受到重视。于是有些科研人员便巧妙地将葡萄藻的培养与
污染治理相结合 ,一方面可以降低培养葡萄藻产烃的成本 ,
另一方面使污染得到减轻 ,环境得到保护。
Sawayama等用经过二次处理的生活污水(SecondTrea-
tedSewage, STS)作为培养基培养葡萄藻 ,发现培养基中的氮
和磷大大减少 [ 16] ,有毒重金属元素(砷 ,铬 ,镉)浓度也大为
减少。 Sawayama在 3LSTS的葡萄藻批式培养中 ,发现藻的
生长与在改良的 Chu13培养基中相当 ,产烃量为 40% ～ 53%
(Chu13中为 58%)[ 17] 。这表明将该藻产烃与污水处理相结
合有很大的应用价值 ,应引起充分的重视 。化石燃料燃烧排
放的烟道气严重污染空气 ,但其中含有丰富的磷源 ,能否将
其变废为宝用于培养葡萄藻 ,关键在于藻体对烟道气中污染
物的耐受性。烟道气中的主要成分是 CO2、氮氧化物和
SO2[ 18] 。Yang等对烟道气培养产烃葡萄藻的可行性进行了
研究 ,发现葡萄藻能通过将亚硫酸氢盐氧化为硫酸盐而作为
唯一硫源进行利用 ,亦能以亚硝酸盐作为唯一氮源进行利
用 ,且藻细胞的生长速率和最终生物量与正常培养的对照组
相当 [ 19-20] ,这充分说明了烟道气不仅可以给葡萄藻提供碳
源还可以提供硫源和氮源 ,但烟道气的具体预处理还有待于
进一步的研究。
4　结论
作为一个高产烃的能源微藻 ,各种培养条件参数对葡萄
藻产烃的影响已有大量研究 ,但目前仍然无法很好地对其实
现大规模培养 ,缓慢的生长速率是限制该藻产烃工业化的一
大障碍 。为此 ,今后除了需要继续深入地从代谢调控方面研
究其烃类合成机理 、改进 、设计各种培养方法 、发明多种新式
光生物反应器外 ,还应加快葡萄藻基因工程研究的步伐 ,将
合成烃的有关酶类基因克隆至其他生长繁殖快速的微生物
中进行表达产烃 。在迫切需要解决环境污染和能源短缺的
今天 ,葡萄藻产油工业化的实现无疑是一项具有良好前景的
重要课题。
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8756 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年
表 2　南通市水资源承载力预测结果
Table2　PredictionresultsofwaterresourcescarryingcapacityinNantongCity
年份
Year
预测值 Predictionvalue
城市人口
×104人
Urbanpopulation
农村人口
×104人
Ruralpopulation
工业生产总值
×108元
Grossindustrial
outputvalue
有效灌溉面积
×103 hm2
Effective
irigationarea
承载力指标计算值 Calculatedvalueofcaryingcapacityindex
城市人口
×104人
Urbanpopulation
农村人口
×104人
Ruralpopulation
工业生产总值
×108元
Grossindustrial
outputvalue
有效灌溉面积
×103hm2
Efectiveirrigation
area
2004 240.42 533.37 577.55 377.48 186.89 533.40 577.55 192.34
2010 393.60 377.26 1 352.96 374.44 205.99 564.87 1 352.96 300.55
2015 491.42 279.44 2 178.95 372.20 219.27 551.59 2 178.95 297.76
2020 578.15 192.72 3 509.23 370.00 230.56 540.30 3 509.23 296.00
表 3　南通市水资源承载力提高污水处理率后的预测结果
Table3　PredictionresultsofwaterresourcescarryingcapacityinNantongCityaftertheimprovementofsewagetreatmentrate
年份
Year
工业处理率∥%
Industrialtreatment
rate
生活处理率∥%
Livingtreatment
rate
承载城市人口∥×104人
Caryingurban
population
预测城市人口 ×104人
Predictedurban
population
非汛期减少用水∥×108m3
Waterusereductionin
non-floodseason
I i
2004 85.0 78.0 245.37 240.42 1.55 0.997 0 0.750 0
2010 90.0 91.5 402.18 393.60 3.60 0.970 0 0.506 6
2015 91.0 95.0 495.66 491.42 4.01 0.984 0 0.443 2
2020 95.0 96.5 588.66 578.15 3.50 0.980 0 0.423 1
载水平。对水质的联合评价发现 ,污水处理能力跟不上社会
经济发展速度是该市水资源问题的根源 , “水质型 ”缺水问题
严重 。对各规划水平的污水处理率指标进行改进作为实现
水资源优化的方案。结果表明 ,在污水处理率提高的条件
下 ,无需增加新的供水量 ,该市的水资源承载力都能达到要
求 。说明减少污水排放量 ,提高污水处理能力是提高研究区
域水资源承载力的有效手段。
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