全 文 ：中国生物工程杂志 China Biotechnology，2014，34(11) :91-99
DOI:10． 13523 / j． cb． 20141113
利用平板反应器大量培养高产油绿藻———尖状栅藻
的生长和油脂积累规律*
雷学青 卢 哲 高保燕 张文源 李爱芬 张成武＊＊
(暨南大学生态学系 水生生物研究中心 广州 510632)
摘要 以新近分离的淡水绿藻———尖状栅藻(Scenedesmus acuminatus)为研究对象，将改良的 BG-
11 培养基中的初始 NaNO3 浓度降低为 6． 0mmol /L和 3． 6mmol /L，利用新设计的内置拉筋平板式
光生物反应器对尖状栅藻(S． acuminatus)进行大量培养。测定不同时相的生物量、总脂含量、脂
组分含量及脂肪酸组成和含量，分析尖状栅藻(S． acuminatus)大量培养时的生长和油脂积累规
律。当初始 NaNO3 浓度为 6mmol /L 时其最高生物量(6． 27g /L)明显高于初始 NaNO3 浓度为
3． 6mmol /L时的生物量(5． 30g /L) ;而最高的总脂含量在初始 NaNO3 浓度为 3． 6mmol /L时获得为
干重的 56． 6%，高于初始 NaNO3 浓度为 6mmol /L时的总脂含量(51． 6%)。总脂经硅胶柱层析分
级后得到三种类型的脂组分:中性脂、糖脂和磷脂，随着培养时间的延长中性脂含量逐渐增加，培
养至 18d 后，中性脂的含量分别达到总脂的 90． 9%(6 mmol /L NaNO3)和 92． 0%(3． 6 mmol /L
NaNO3)及干重的 47． 5%(6． 0 mmol /L NaNO3)和 51． 4%(3． 6 mmol /L NaNO3)。主要脂肪酸组成
为棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、亚麻油酸和亚麻酸，这六种脂肪酸在不同时相的含量变化范
围分别为 89． 92% ～96． 18%(占总脂肪酸)和 12． 5% ～50． 7%(占细胞干重)。总脂、中性脂及总
脂肪酸单位体积产率分别为:0． 18 g /L /d，0． 16 g /L /d和 0． 15 g /L /d(6． 0 mmol /L NaNO3)及 0． 16
g /L /d，0． 15 g /L /d 和 0． 15 g /L /d(3． 6 mmol /L NaNO3)。研究结果表明，尖状栅藻(S．
acuminatus)是一株易于规模化培养、脂肪酸组成适合于生物柴油生产的高产油微藻。
关键词 尖状栅藻 平板式光生物反应器 油脂 脂肪酸 生物柴油
中图分类号 TK6 S216． 2
收稿日期:2014-09-05 修回日期:2014-09-30
* 国家“863”计划 (2013AA065805)，国家自然科学 基 金
(31170337) ，广东省低碳专项(2011-051)资助项目
＊＊通讯作者，电子信箱:tzhangcw@ jnu． edu． cn
化石燃料的广泛使用与快速消耗给人类带来了严
重的能源和环境问题，使全球面临着前所未有的资源
和环境危机，因而寻找一些新的环保可再生能源尤为
迫切［1］。生物柴油以其清洁、绿色环保、可再生等特点
备受科学研究者们和能源企业开发者的青睐，被认为
是重要的化石燃料替代品之一［2-3］。现今，生物柴油生
产的原材料主要为大豆、向日葵和菜籽油等［3］，然而这
些原材料同时也是重要的食用油来源，因而限制了生
物柴油广泛利用。微藻因其生长快、产油率高(30% ～
60%细胞干重) ;培养时不需要杀虫剂和除草剂等农
药;不占用大量耕地面积，可以在淡水、海水或半咸水
中生长;改变生长环境可以调控细胞内油脂积累;微藻
油脂转化成生物柴油的技术已经得到相应的发展等优
点已成为生产生物柴油的潜在原料，微藻生物能源开
发已成为国际生物能源研究领域的前沿和各个国家尤
其是西方发达国家能源科技竞争的热点［4-7］。
与陆生能源作物相比，微藻尽管具有许多优点，但对
其大规模生产利用仍然存在许多问题。因此，扩大微藻
生产生物燃料的规模，使其具备与石化燃料相互竞争的
实力，从而实现新的能源补充。而这重要的前提是提高
产油微藻的生产效率，并大幅度降低微藻生物燃料的生
产成本。获得高产油能力并适应室外规模化培养的优质
中国生物工程杂志 China Biotechnology Vol． 34 No． 11 2014
产油微藻藻种与高效光生物反应器的设计是实现这一目
标的关键［4，6］。光生物反应器的设计对微藻大规模培养
起着至关重要的作用，同时光生物反应器的类型也直接
影响着微藻生长及油脂的积累。目前，用于微藻大规模
培养的光生物反应器主要有开放式和封闭式两种类型，
开放式主要以室外跑道池为主，封闭式主要有:柱状光生
物反应器、平板式光生物反应器和管道式光生物反应器。
封闭式光生物反应器因其可以更好的控制培养条件、受
污染程度低、光能及二氧化碳利用效率高和可操作性强
等优点已被广泛应用于微藻的规模化培养［8-9］。
Ｒichmond等［10］利用柱状光生物反应器培养钝顶螺旋藻
在控制温度条件下单位体积生物质产率达到 550mg /L·
d;Hall等［11］使用柱状光生物反应器并控制条件培养三
角褐指藻单位体积生物质产率达到 1． 4g /L·d;Pruvost
等［12］利用气升平板光生物反应器培养富油新绿藻
(Neochloris oleoabundans)在非营养盐限制的条件下单位
面积生物质产率达到 16． 5g /m2·d，油脂单位面积产率
达到 3． 8g /m2·d。Ｒodolfi等［5］利用廉价的网格固定的
塑料薄膜板式光生物反应器进行拟微绿球藻的室外大量
培养，在氮饥饿的情况下油脂和脂肪酸含量分别达到干
重的 60%和 50%，最高油脂产率达到 204mg /L·d。本
实验室前期已利用改良的 BG-11培养基并设计四种初始
的 NaNO3 浓度(17． 9mmol /L，8． 9mmol /L，6． 0 mmol /L
和 3． 6 mmol /L)对尖状栅藻(S． acuminatus)在 3． 0 ×
60cm的柱状光生反应器中进行了培养，研究结果表明尖
状栅藻(S． acuminatus)在初始 NaNO3 浓度为3． 6mmol /L
时油脂含量最高(占干重的 62． 4%)，而初始 NaNO3 浓度
为 6． 0mmol /L 时获得最大的油脂产率为 0． 31g /L·d。
基于前期研究结果，本研究选用尖状栅藻(S．
acuminatus)作为优选的产油藻株，将改良的 BG-11 培养
基中初始 NaNO3 浓度降低为 6． 0mmol /L 和 3． 6mmol /L
(处于中等和高水平的氮限制，原培养基中 NaNO3 浓度
为 17． 9 mmol /L)并利用本实验室自主研发的新型平板
式反应器(90L)对该藻进行培养，研究其在两种氮限制
水平下大量培养时的生长及油脂积累规律，以期为该藻
及新型平板式光生物反应器的研究与利用提供一定的理
论基础，并为微藻生物柴油的生产提供新的资源。
1 材料与方法
1． 1 材 料
1． 1． 1 藻种来源 尖状栅藻(S． acuminatus)由暨南大
学水生生物研究中心微藻生物技术与生物能源实验室
从本校园的南湖水塘中分离获得，无菌藻种保存于该
实验室的藻种室中。
1． 1． 2 主要试剂 试剂:硝酸钠、甲醇、硫酸、乙醚、正
己烷等，试剂均为国产分析纯。
1． 1． 3 主要仪器设备 仪器:紫外可见分光光度计
(北京普析通用仪器有限责任公司)，高压蒸汽灭菌锅
(江阴滨江医疗设备有限公司)，超净工作台(SW-CJ-
1F) ，恒温干燥箱(上海一恒科技有限公司) ，高速冷冻
离心机(上海市机械研究有限公司) ，冷冻干燥机(博劢
行仪器有限公司)，氮吹仪(上海安谱科学仪器有限公
司) ，气相色谱仪(Agilent6890N)。
1． 1． 4 培养基 藻种扩大培养时的培养基为改良的
BG-11 培养基，即按照原 BG-11 培养基中铁元素含量计
算，用三氯化铁代替柠檬酸铁铵。
1． 2 方 法
1． 2． 1 培养装置 采用本实验室自行设计的内置拉
筋平板式光生物反应器进行培养(已获发明专利授权，
专利号:ZL 2011 1 0006738． 5)，装置如图 1 所示。该反
应器的尺寸大小为:240 cm × 120 cm × 3． 0 cm，总体
积为 90 L，培养体积为 85 L。
1． 2． 2 培养条件 光生物反应器中大量培养时以改
良 BG-11 培养基为基础培养基，初始 NaNO3 浓度降低
为 6． 0mmol /L和 3． 6mmol /L。光照条件为双侧照光反
应器表面光强为 300μmol /m·s，24h 持续光照。加富
1． 5% CO2 的压缩空气通过放置于反应器底部内径为
1cm具 1mm小开孔(孔间间隔 5cm)的通气管进行鼓泡
搅拌。培养周期 18 天。
1． 2． 3 生物量的测定 将混合纤维滤膜(孔径为
0． 45μm，直径为 50mm)置于 105℃的烘箱中烘干至恒
重，干燥器中冷却后称重记为W1，取 10ml藻液抽滤，然
后再将滤膜置于 105℃的烘箱中烘干至恒重干燥器中
冷却后称重记为 W2，由此可以测出生物质浓度即，生
物量(g /L)= 1 000 ×(W2-W1)/10。
1． 2． 4 藻粉制备 取一定量的藻液，4 000r /min 离心
5min，收集藻泥与小塑料瓶中置于 － 20℃结冰后于冷
冻干燥机中冷冻干燥 48h。贮存于 －20℃冰箱中备用。
1． 2． 5 总脂含量测定 参考 Khozin 等［13］方法进行改
进，称取 80 ～ 100mg 冻干藻粉置于预先加入磁性转子
的螺口玻璃离心管中，加入 2ml二甲基亚砜—甲醇(V∶
V = 1 ∶ 9)混合溶液，拧紧瓶盖后 50℃水浴磁力搅拌
1． 5h再冰浴磁力搅拌 1． 5h，结束后 3 000r /min 离心
5min转移上清液到另一小瓶中。剩余藻渣再加入 4ml
29
2014，34(11) 雷学青 等:利用平板反应器大量培养高产油绿藻———尖状栅藻的生长和油脂积累规律
乙醚—正己烷(V∶ V = 1 ∶ 1)混合液冰浴下抽提 1． 5h，
3 000r /min离心 5min转移上清液到上述小瓶中。以上
操作重复一遍，在装有所有上清液的小瓶中加入 4ml
蒸馏水于通风橱中静置分层过夜。用胶头滴管吸取分
层后的上清于洁净的玻璃离心管中，3 000r /min 离心
5min取上清于洁净干燥小玻璃瓶中通氮气吹干，用乙
醚洗涤浓缩移至预先称重好的 2ml 塑料离心管(管重
记为 m1)中再用氮气吹至恒重称重记为 m2。贮存于 －
20℃冰箱中备用。总脂含量的计算公式为:总脂含量
(%md)=(m2 － m1)/冻干后藻粉重量(其中:% md 为
藻粉干重百分比)。
1． 2． 6 总脂组分分析 参考文献［14］方法并进行改
进。以提取的总脂为样品，采用硅胶层析柱(500mg /
3ml，Ageal Technologies)对总脂进行分级分析。先用三
氯甲烷活化层析柱，然后用三氯甲烷溶解样品并加入
到层析柱中，分别用三氯甲烷、丙酮-甲醇混合液(V∶ V
=9∶ 1)和甲醇依次洗脱中性脂、糖脂和磷脂，吹干至恒
重后称其重量，利用差量法计算出中性脂、糖脂和磷脂
的重量。
1． 2． 7 脂肪酸分析 参考 Bigogno 等［15］方法进行改
进，准确称取冻干藻粉 25mg置于预先加入磁性转子的
螺口玻璃离心管中，加入 2ml 含有 2% H2SO4 甲醇—甲
苯(V∶ V =1∶ 1)的混合液，同时加入 50μl 0． 5%的十七
烷酸，充氩气后拧紧管盖置于 80℃水浴恒温磁力搅拌
1． 5h，冷却后加入 1ml 纯水和 1ml 正己烷，震荡摇匀后
3 000r /min离心 5min，将上清有机相移至气相色谱样品
瓶中，用氮气吹干，再加入 200μl正己烷，密封保存于 －
20℃冰箱中备用。利用气相色谱对样品进行分析，得
出脂肪酸组成及含量。
1． 2． 8 单位体积产率计算 总脂单位体积产率 = B ×
L /T(B:生物量;L:总脂含量;T:培养天数);中性脂产
率 = B × L × N /T(B:生物量;L:总脂含量;T:培养天
数;N:中性脂占总脂百分比);总脂肪酸单位体积产率
= B × F /T(B:生物量;F:总脂肪酸含量;T:培养天数)
1． 2． 9 数据分析 所有实验数据均采用 Excel 2007 和
Origin8． 5进行分析处理，采用 SPSS13． 0 中的单因素方差
分析进行数据差异性分析，以 P ＜0． 05 为显著水平差异。
2 结果与分析
2． 1 新型平板式光生物反应器的设计
目前，在科研和生产上所使用的传统玻璃平板光
生物反应器，主要缺点为使用寿命短、不耐用。由于生
物反应器在使用时水位高、压强大，往往在使用半年至
一年的时间内，玻璃分隔拉条与前后玻璃板粘结处的
玻璃胶容易发生脱落，从而导致整个反应器破裂，不易
放大，或不能形成一个完整的反应系统。中试或规模
化生产需要一定体积的培养系统，而前后只是由一定
尺寸大小的整块玻璃平板粘合而成的反应器单元其培
养体积小;若是将上述多个反应器单元粘合在一起，只
是在相邻反应器单元形成一个液体流动的部分，不能
形成一个完整贯通的整体结构。此外，传统的玻璃内
置拉筋式平板光生物反应器采用外加固定式，其加固
结构复杂，外用加固材料较多，遮挡光线并影响外观。
有鉴于此，本实验室设计了一种内置拉筋平板式
光生物反应器(如图 1 所示)，包括一封闭式透明反应
器装置，所述封闭式透明反应器装置由多个串联且相
互连通的独立反应器单元组成，其中:每个反应器单元
由玻璃前板、后板、侧板及底板粘合而成，形成一生物
反应空间;相邻反应器单元之间通过由拉筋前撑板、拉
筋后撑板及中间拉筋构成的“工”字型拉筋组件连接，
其中，相邻反应器单元的前板部分粘合于所述拉筋前
撑板的同一侧面，后板部分粘合于所述拉筋后撑板的
同一侧面，侧板分别粘合于所述中间拉筋的一个侧面。
内置式拉筋组件可将每一反应器单元的前、后板紧密
地连接在一起，提高了反应器的承载能力，适于进行工
业级别培养。
2． 2 尖状栅藻(S． acuminatus)大量培养时生物量的
变化
图 2 所示为尖状栅藻(S． acuminatus)在新型平板
式光生物反应器中大量培养时的生长曲线，由图可知
在整个培养周期内，生物量都在不断增加。培养初期
出现短暂的适应期，随后快速增长，到达培养周期的后
期时增长速率减缓，初始 NaNO3 浓度为 3． 6mmol /L 实
验组在培养周期的第 15d到达平台期。培养 18d后，当
初始 NaNO3 浓度为 6mmol /L时其生物量(6． 27g /L)高
于初始 NaNO3 浓度为 3． 6mmol /L 时的生物量(5． 30g /
L)。说明尖状栅藻(S． acuminatus)在新型平板式光生
物反应器中大量培养时仍然具有较快的生长速率且能
取得较高的生物量，同时 NaNO3 浓度依然是影响尖状
栅藻(S． acuminatus)生长的重要因素。
2． 3 尖状栅藻大量培养时总脂含量的变化
图 3 为尖状栅藻在新型平板式光生物反应器中大
量培养时总脂含量的变化，由图可知放大培养时，藻细
胞内油脂的积累在整个培养周期内随着培养时间的延
39
中国生物工程杂志 China Biotechnology Vol． 34 No． 11 2014
图 1 内置拉筋平板式光生物反应器示意图
Fig． 1 The diagram of internally installed
tiepiece flat panel photobioreactor
1，Glass side panel;2，3，Front and back glass panel;4，Adhesion glass
plate cavity;5，Stainless steel plate and rivets;6，Bottom stainless steel
shallow slot
图 2 尖状栅藻大量培养时生长的变化
Fig． 2 The growth of S． acuminatus cultured
large volume in flat plate photobioreactor
图 3 尖状栅藻大量培养时总脂含量的变化
Fig． 3 The content of total lipids in S． acuminatus
cultured large volume in flat plate photobioreactor
长呈上升的趋势。细胞内脂质的积累量因初始 NaNO3
浓度不同而表现出一定的差异，在同一时期内，低初始
NaNO3 浓度(3． 6mmol /L)培养时细胞内油脂积累量均
高于高初始 NaNO3 浓度(6． 0mmol /L)条件下培养时细
胞内油脂积累量。两种初始 NaNO3 浓度条件下培养时
油脂积累量均在培养周期的最后一天达到最大，
6． 0mmol /L初始 NaNO3 浓度条件下油脂最大含量为细
胞干重的 51． 6%，3． 6mmol /L 初始 NaNO3 浓度条件下
油脂最大含量为细胞干重的 56． 6%。实验结果表明尖
状栅藻(S． acuminatus)放大培养时同样能够积累较高
的油脂，且低氮条件更有利于细胞内油脂的积累。
2． 4 尖状栅藻大量培养时脂组分及其含量的变化
图 4 为尖状栅藻在新型平板光反应器中大量培养
时脂组分及其含量的变化，由图可知，尖状栅藻总脂组
分主要有三类:磷脂(PL)，糖脂(GL)和中性脂(NL) ，
其中中性脂含量最高，糖脂次之，磷脂最低。两种氮浓
度条件下，中性脂的含量均随培养时间的延长呈增加
的趋势，但增加速率存在一定差异。由图 4a和 4c可知
在初始 NaNO3 浓度为 6． 0mmol /L 条件下培养时第 3d
中性脂相对和绝对含量均较低，此时糖脂含量最高，随
着培养时间的延长中性脂积累量快速增加，糖脂和磷
脂逐渐降低，在 18d时中性脂含量达到最高，相对含量
为占总脂含量的 90． 9%，绝对含量为占细胞干重的
47． 5%，糖脂和磷脂含量较低，分别为占总脂含量的
7． 9%和 1． 2%，占细胞干重的 3． 6%和 0． 5%。由图 4b
和 4d可知在氮浓度为 3． 6mmol /L 时，尖状栅藻细胞内
中性脂迅速积累，在培养第3 d已经占总脂含量的
49
2014，34(11) 雷学青 等:利用平板反应器大量培养高产油绿藻———尖状栅藻的生长和油脂积累规律
58． 1%，在培养周期中后期到达平台期，在 18d 时中性
脂含量达到最高，相对含量为占总脂含量的 92． 0%，绝
对含量为占细胞干重的 51． 4%，糖脂和磷脂含量较低，
分别为占总脂含量的 6． 8%和 1． 2%，占细胞干重的
4． 5% 和 0． 7%。综上结果可知，尖状栅藻 (S．
acuminatus)大量培养时随着培养时间的延长、营养盐
的不断消耗，积累的油脂组分中绝大部分为中性脂，在
两种初始 NaNO3 浓度条件下中性脂占总脂相对含量差
异较小，绝对含量(占干重)却差异较大，这主要是由于
低 NaNO3 浓度(低氮)条件更有利于中性脂的积累。
图 4 尖状栅藻大量培养时总脂组分及其含量的变化
Fig． 4 The content of lipid compositions of S． acuminatus in terms of total lipids (a，b)and
in terms of dry weight cultured large volume in flat plate photobioreactor
(a，c)6mmol /L nitrogen concentration (b，d)3． 6mmol /L nitrogen concentration;PL，GL，NL:phospholipids，glycolipids，neutrallipid
2． 5 尖状栅藻大量培养时脂肪酸组成及其含量的变
化
表 1 和图 5 分别表示在两种不同的初始 NaNO3 浓
度下尖状栅藻(S． acuminatus)的脂肪酸相对含量(占
总脂肪酸)和绝对含量(占干重)随着时相的变化，由表
1 可知藻细胞中脂肪酸主要由 5 种碳链长度(C12，
C14，C16，C18，C20)的 9 种脂肪酸组成。其中棕榈酸
(C16∶ 0)、油酸(C18 ∶ 1)、亚油酸(C18 ∶ 2)和亚麻酸
(C18∶ 3)为主要的脂肪酸，而油酸的含量最高，占总脂
肪酸的 29． 17% ～ 46． 86%，在两种不同的初始 NaNO3
浓度条件下这四种脂肪酸含量的变化趋势基本相同。
同一初始 NaNO3 浓度下硬脂酸和油酸相对含量均随培
养时间的延长呈上升的趋势，亚油酸和亚麻酸相对含
量随培养时间的延长呈下降的趋势，棕榈酸含量随时
相变化差异不大。由图 5 可知，尖状栅藻 (S．
acuminatus)细胞内主要脂肪酸绝对含量在同一初始
NaNO3 浓度下均随培养时间的延长呈上升的趋势，总
脂肪酸和油酸含量均在培养的后期达到最大值，在初始
NaNO3 浓度为 6． 0mmool /L 时总脂肪酸含量为44． 12%，
油酸含量为 21． 49%，在初始 NaNO3 浓度为 3． 6mmool /L
时总脂肪酸含量为 50． 66%，油酸含量为 24． 86%。
2． 6 尖状栅藻(S． acuminatus)大量培养时总脂及中性
脂单位体积产率和总脂肪酸单位体积产率变化
图 6 为尖状栅藻(S． acuminatus)在两种不同初始
NaNO3 浓度条件下大量培养时总脂及中性脂单位体积
产率和总脂肪酸单位体积产率变化，由图可知这三种
成分的单位体积产率均随培养时间延长呈上升的趋
势，培养周期后期达到最大值。初始 NaNO3 浓度为
6． 0mmol /L时最高总脂及中性脂单位体积产率和总脂
肪酸单位体积产率分别为:0． 18 g /L /d，0． 165 g /L /d和
59
中国生物工程杂志 China Biotechnology Vol． 34 No． 11 2014
表 1 尖状栅藻细胞内脂肪酸组成及其相对含量(数值均为占总脂肪酸百分数)
Table 1 The fatty acid compositions and its relative contents of S． acuminatus
图 5 尖状栅藻细胞内主要脂肪酸的绝对含量注
Fig． 5 The fatty acids content of dry weight of S． acuminatus
(a，c)6mmol /L nitrogen concentration (b，d)3． 6mmol /L nitrogen concentration
0． 154 g /L /d，在初始 NaNO3 浓度为 3． 6mmol /L 时最高
总脂及中性脂单位体积产率和总脂肪酸单位体积产率
分别为:0． 165g /L /d，0． 15g /L /d和 0． 148g /L /d。
3 讨 论
利用微藻生产生物燃料的过程包括藻种的筛选、
光生物反应器的设计、规模化培养、藻细胞的采收、脱
水干燥、藻油提取和转化。每个环节都会影响着微藻
生物燃料的生产成本，但关键的环节主要是合适藻种
的选择和高效光生物反应器的设计［16］。理想的产油微
藻应具备生长速度快、快速积累油脂且油脂含量高、环
境适应性强、能够适应废水及烟道气生长［17］。尖状栅
藻(S． acuminatus)是一株新近分离的淡水绿藻，其生
长速度较快，油脂含量高并能够在畜禽废水中生长，前
期研究发现该藻在以尿素为氮源 BG-11 培养基和奶牛
场废水中培养时其最高生物质浓度分别达到 9． 7g /L
和 12． 2g /L，最高油脂含量达到细胞干重的 62． 4%，因
此，该藻株是一株较为理想产油微藻而被选用于本研
究进行平板式光生物反应器中的放大培养。
微藻生物燃料的生产需要高效的光生物反应器以
满足能效和经济收益方面的约束，目前用于微藻高附
加值产品生产的培养系统不能完全适合于廉价载能体
的规模化生产，未来适合于微藻生物燃料生产的光生
物反应器应在能效、光和气体转换方面进行改进以达
到降低能量需求及生产成本目的［18］。目前，最常用的
光生物反应器有两种类型:开放池(包括以桨轮驱动藻
液混合的跑道池和由旋转部件搅动的圆形池)和密闭
光生物反应器(包括管道式、柱式和平板式)。开放池
造价低廉但易受外界环境的影响特别是外源污染物的
进入，只适合高碱或高盐度水体中生活的微藻规模化
69
2014，34(11) 雷学青 等:利用平板反应器大量培养高产油绿藻———尖状栅藻的生长和油脂积累规律
图 6 尖状栅藻(S． acuminatus)总脂单位体积
产率(a)、中性脂单位体积产率(b)和总脂肪酸
单位体积产率(c)的变化
Fig． 6 Volumetric total lipids productivity (a)，
neutral lipids productivity (b)and total fatty
acids productivity(c)of S． acuminatus
培养，对一些抗污染能力差的微藻不能进行稳定的培
养;密闭式光生物反应器培养环境可控制、受污染程度
较轻且能够获得较高的细胞密度［19］。针对密闭式光生
物反应器的加工程序和制造成本而言，平板式光生物
反应器相对较为简单而且易于操作，此外，微藻光合作
用产生的溶氧易于排除，微藻培养物采收后易于清
洗。)平板式光生物反应器通常是由硅酸盐玻璃平板或
有机玻璃平板加工而成，由于这两种材料的强度有限，
因此在加工过程中通常是以一定尺寸大小的板块通过
玻璃胶或有机溶剂胶粘合起来，由于水位高压强大往
往会出现玻璃分隔拉条与前后玻璃板粘结处的玻璃胶
容易发生脱落从而导致反应器破裂。研究设计了一种
内置拉筋平板式光生物反应器，该反应器的特点是将
内置式拉筋组件组装在分隔拉条，此拉条可将每一反
应器单元的前、后板紧密地连接在一起，提高了反应器
的承载能力，易于规模化放大，适于不同类型微藻的规
模化培养。
利用光生物反应器对微藻进行大量培养时，其影
响微藻生长及油脂积累的主要因素有:光照强度、搅拌
速率、温度、pH、CO2 和营养盐供给。为了维持微藻的
生长和物质的积累，在微藻的培养过程中需要有充足
的营养供应，其中最主要的营养成分是氮和磷，两者对
控制微藻的生长速率和油脂积累起着重要的作用，其
它必需营养成分还包括碳、氢、氧、硫、钙、镁、钠、钾和
氯以及微量的营养成分包括铁、硼、锰、铜、钼、钒、钴、
镍、硅和硒［20］。研究发现通过控制营养盐的组成及浓
度来提高微藻生长及油脂积累是一种非常有效的措
施。氮源作为微藻生长和代谢必不可少的营养元素，
氮源种类及浓度对微藻生长、油脂的积累和脂肪酸组
成具有重要影响，被认为是提高藻类油脂积累的最经
济实用的方法［21-22］。在光生物反应器中控制条件下大
量培养一些产油微藻已有一些相关的报道，Ｒodolfi
等［5］利用 110L金属框架围隔的塑料薄膜平板式光生
物反应器在不同条件下大量培养拟微绿球藻
(Nannochloropsis sp F＆M-M24)获得较高的生物量和油
脂含量，油脂最大含量占细胞干重 60%。尖状栅藻(S．
acuminatus)在新型平板式光生物反应器中培养时氮浓
度为 6． 0 mmol /L 条件下获得较高生物量，这与高保燕
等［23］对尖状栅藻的研究结果一致。在特殊环境条件下
微藻细胞膜系统会发生相应改变，从而影响油脂代谢
及组成，营养盐(主要是碳、氮、磷)缺乏，特别是氮缺乏
条件下，可以促进一些微藻合成大量油脂尤其是
TAG［24-25］，本研究研究结果表明氮浓度为 3． 6mmol /L
条件下油脂积累量高于氮浓度为 6． 0 mmol /L 时，在低
氮浓度条件下中性脂快速积累且积累量较高，最高达
到占总脂含量的 92%，占细胞干重的 51． 4%，说明低氮
条件下更有利于尖状栅藻细胞内油脂的积累尤其是
TAG积累，这与前人研究结果规律一致。脂肪酸分析
结果表明尖状栅藻(S． acuminatus)细胞内脂肪酸组成主
要为多不饱和脂肪酸，油酸(C18∶ 1)、棕榈酸(C16∶ 0)所
占比例最高，达到总脂肪酸的 53% ～ 74%，这与高保燕
等对尖状栅藻(S． acuminatus)在柱状反应器中培养所
得出结论一致，说明尖状栅藻在平板反应器中大量培
养时细胞内脂肪酸组成没有发生变化，所含脂肪酸碳
链长度仍然与石化柴油中烷烃碳链长度相近，可以用
来生产生物柴油。微藻总脂单位体积产率是反应生物
量与油脂含量的关系，是衡量微藻产油性能的重要指
79
中国生物工程杂志 China Biotechnology Vol． 34 No． 11 2014
标，本研究中尖状栅藻(S． acuminatus)总脂单位体积
产率、中性脂单位体积产率和总脂肪酸单位体积产率
在培养周期内随培养时间的延长逐渐升高，在培养周
期最后一天达到最高。
4 结 论
尖状栅藻(S． acuminatus)是一株新近分离的淡水
绿藻，具有较快的生长和高产油性能。该藻株在氮限
制或氮缺乏条件下易于大量积累储藏性中性油脂，其
脂肪酸组成非常适合于生物柴油的生产。内置拉筋平
板式光生物反应器是一种新设计的光生物反应器，该
生物反应器结构牢固、易于规模化放大、操作简便，它
适合于不同类型微藻的规模化培养。尖状栅藻(S．
acuminatus)在此光生物反应器中大量培养时能够获得
较高的生长速率和较高水平的油脂和脂肪酸单位体积
产率。
参考文献
［1］ Brennan L，Owende P． Biofuels from microalgae-A review of
technologies for production，processing，and extractions of biofuels
and co-products． Ｒenew Sustain Energy Ｒev，2010，14:557-577．
［2］Hu Q，Sommerfeld M，Jarvis E，et al． Microalgaltriacylglycerols as
feedstocks for biofuel production:perspectives and advances．
Plant J，2008，54:621-639．
［3］Ma F，Hanna M A． Biodiesel production:a review． Bioresource
Technology，1999，70:1-15．
［4］Dunahay T，Benemann J，Ｒoessler P． A Look Back at the US
Department of Energy’s Aquatic Species Program:Biodiesel from
Algae． Golden:National Ｒenewable Energy Laboratory，1998．
［5］Ｒodolfi L，Zittelli G C，Basssi N，Padovani G，et al． Microalgae
for oil:Strain selection，induction of lipid synthesis and outdoor
mass cultivation in a low-cost photobioreactor． Biotechnology and
Bioengineering，2009，102(1):100-112．
［6］ Chisti Y． Biodiesel from microalgae． Biotechnology Advances，
2007，25(3) :294-306．
［7］ Huang G H，Chen F，Wei D，et al． Biodiesel production by
microalgal biotechnology． Applied Energy，2010，87(1) :38-
46．
［8］ Pulz O． Photobioreactors:production systems for phototrophic
microorganisms． Applied Microbiology and Biotechnology，2001，
57(3) :287-293．
［9］Grobbelaar J U． Physiological and technological considerations for
optimising mass algal cultures． Journal of Applied Phycology，
2000，12(3-5) :201-206．
［10］ Ｒichmond A，Boussiba S，Vonshak A，et al． A new tubular
reactor for mass production of microalgae outdoors． Journal of
Applied Phycology，1993，5(3) :327-332．
［11］Hall D O，Acién Fernández F G，Guerrero E C，et al． Outdoor
helical tubular photobioreactors for microalgal production:
Modeling of fluid-dynamics and mass transfer and assessment of
biomass productivity． Biotechnology and Bioengineering，2003，
82(1) :62-73．
［12］ Pruvost J，Vooren G V，Gouic B L，Couzinet-Mossion A，
Legrand J． Systematic investigation of biomass and lipid
productivity by microalgae in photobioreactors for biodiesel
application． Bioresource Technology，2011，102:150-158．
［13］ Khozin-Goldberg I， Shrestha P， Cohen Z． Mobilization of
arachidonyl moieties from triacylglycerols into chloroplastic lipids
following recovery from nitrogen starvation of the microalga
Parietochloris incisa． Biochimica et BiophysicaActa (BBA)-
Molecular and Cell Biology of Lipids，2005，1738(1) :63-71．
［14］ Alonzo F，Mayzaud P． Spectrofluorometric quantification of
neutral and polar lipids in zooplankton using Nile red． Marine
Chemistry，1999，67(3) :289-301．
［15］Bigogno C，Khozin-Goldberg I，Boussiba S，et al． Lipid and fatty
acid composition of the green oleaginous alga Parietochloris
incisa， the richest plant source of arachidonic acid．
Phytochemistry，2002，60(5) :497-503．
［16］ Schenk P M，Thomas-Hall S Ｒ，Stephens E，et al． Second
generation biofuels: High-efficiency microalgae for biodiesel
production． Bioenergy Ｒesearch，2008，1:20-43．
［17］ Griffiths M J，Harrison S T L． Lipid productivity as a key
characteristic for choosing algal species for biodiesel production．
Journal of Applied Phycology，2009，21(5) :493-507．
［18］Morweiser M，Kruse O，Hankamer B，et al． Developments and
perspectives of photobioreactors for biofuel production． Applied
Microbiology and Biotechnology，2010，87:1291-1301．
［19］ Kunjapu A M， Eldridge Ｒ B， Photobioreactor design for
commercial biofuel production from microalgae． Industrial
Engineering and Chemical Ｒesearch，2010，49:3516-3526．
［20］ Juneja A，Ceballos Ｒ M，Murthy G S． Effects of environmental
factors and nutrient availability on the biochemical composition of
algae for biofuels production:A review． Energies，2013，6:
4607-4638．
［21］Li Y，Horsman M，Wang B，et al． Effects of nitrogen sources on
cell growth and lipid accumulation of green alga Neochloris
oleoabundans． Applied Microbiology and Biotechnology，2008，
81(4) :629-636．
［22］Takagi M，Yoshida T． Effect of salt concentration on intracellular
accumulation of lipids and triacylglyceride in marine microalgae
Dunaliella cells． Journal of Bioscience and Bioengineering，
89
2014，34(11) 雷学青 等:利用平板反应器大量培养高产油绿藻———尖状栅藻的生长和油脂积累规律
2006，101(3) :223-226．
［23］高保燕，沈丹丹，何思思，等． 富油微藻-尖状栅藻生物质生产
与奶牛场废水处理相结合的效果研究．可再生能源，2014，32
(5) :673-679．
Gao B Y，Shen D D，He S S，et al． Integrated the biomass
production of oleaginous microalga Scenedesmus acuminatus and
dairy wastewater treatment． Ｒenewable Energy Ｒesources，2014，
32(5) :673-679．
［24］Thompson Jr G A． Lipids and membrane function in green algae．
Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Lipids and Lipid
Metabolism，1996，1302(1) :17-45．
［25］ Guschina I A，Harwood J L． Lipids and lipid metabolism in
eukaryotic algae． Progress in Lipid Ｒesearch，2006，45(2) :
160-186．
The Growth and Lipids Accumulation Pattern of Oleaginous Green
Microalga Scenedesmus acuminatus Large Volume Cultured in
Flat Panel Photobioreactor
LEI Xue-qing LU Zhe GAO Bao-yan ZHANG Wen-yuan LI Ai-fen ZHANG Cheng-wu
(Ｒesearch Center of Hydrobiology，Depart of Ecology，Jinan University，Guangzhou 510632，China)
Abstract Scenedesmus acuminatus was a new isolated freshwater green microalga cultured in modified BG-
11 medium． In order to improve the rapid accumulation of the lipids，the initial NaNO3 concentration reduced to
one third and one fifth of the original NaNO3 concentration in the BG-11 medium，6． 0mmol /L and 3． 6mmol /L，
respectively． It was large volume cultured in a new-designed internally installed tiepiece flat panel
photobioreactor． To analyze the growth and oil accumulation pattern of S． acuminatus mass cultures，the biomass，
total lipids content，lipid compositions，and fatty acids profiles in different phase were investigate． When the
initial NaNO3 concentration was 6． 0mmol /L，the biomass(6． 27g /L)was higher than the biomass(5． 30g /L)of
3． 6mmol /L treatment． While，the highest lipids content of 56． 6% of dry weight was occurred at 3． 6mmol /L
treatment． The total lipids content was fractionated by solid phase extraction (SPE)into three broad classes:
neutral lipid (NL)，glycolipid (GL)and phospholipid (PL)． The content of neutral lipid increased along with
the culture time，and it reached to 90． 9% and 92． 0% of the total lipids，47． 5% and 51． 4% of dry weight
when the initial NaNO3 concentration was 6． 0mmol /L and 3． 6 mmol /L，respectively． The major fatty acids of S．
acuminatus were C16∶ 0，C16∶ 1，C18∶ 0，C18∶ 1，C18∶ 2，and C18∶ 3，which together accounted for 89． 9% ～
96． 2% of the total fatty acids content and 12． 5% ～ 50． 7% of dry weight． The volumetric productivity of total
lipids，neutral lipids and total fatty acids of S． acuminatus were 0． 18g /L·d，0． 16 g /L·d and 0． 15 g /L·d
when the initial NaNO3 concentration was 6． 0mmol /L and 0． 16g /L·d，0． 15g /L·d and 0． 15g /L·d when the
initial NaNO3 concentration was 3． 6 mmol /L，respectively． The results showed that S． acuminatus was a hyper-oil
producing strain that is easy to large-scale cultivation and its profiles of fatty acids is suitable for biodiesel
production．
Key words Scenedesmus acuminatus Flat panel photobioreactor Lipids Fatty acid Biodiesel
99