全 文 ：第 卷第 期
年 月
过 程 工 程 学 报
基于细胞元素的二形栅藻廉价培养基的改进
万晶晶 ， 薛升长 丛 威 ， 张 栩
北京化工大学生命科学与技术学院 ， 北京 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室 ， 北京
摘 要 ： 根据微藻细胞营养元素含量对 培养基重新设计 ， 改 良培养基中主要营养盐浓度为
培养实验结果显示 改 良培养基和 培养基中二形栅藻
的初始生长状态几乎相同 ， 最终油脂产量分别为 和 改 良培养基的培养成本为 培养基的
关键词 ： 二形栅藻 ； 元素平衡 ； 培养基 ； 油脂产量
中 图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ：
微藻生长主要受温度 、 光照 、 值 、 营养盐等影
响 ， 在室外规模化培养过程中 ， 营养盐比温度 、 光照更
易控制 营养元素中 的 是微藻需求量最多的 也
是影响微藻生长最主要的因素 ， 和 浓度过高或过低
都会限制微藻的生长 传统培养基中 源 由
提供 ’ 不仅价格昂贵 ， 而且长时间培养会造成培养液中
积累 ， 所以考虑用廉价的 替代 ， 浓度
低于 对二形栅藻的初始生长率不会产生抑制
作用 ， 而其他金属营养元素 如 等 对微藻的生长
影响不明显 培养基 】作为
淡水藻培养基常用于实验室中藻的培养 实际生产中 ，
昂贵的营养盐是影响培养成本的重要因素 ， 且实际生产
中常存在离子积累 、 过剩问题 ， 不仅影响微藻生长 ， 还
造成营养盐浪费 ， 增加了培养成本 所以寻找一种适合
微藻规模化培养的培养基非常重要
微藻培养基大多根据微藻生长的 自然水体的成分
而设计 目前对培养基的优化大多从寻找微藻生长适宜
的营养盐浓度 出发 ， 也有部分考虑选择廉价的营养
盐 气 但很少从微藻 自身的营养需求和吸收利用方面考
虑 由 于藻培养基中存在的柠檬酸和 对金属离子
的螯合作用及藻 自身对某些离子 如 及某些重金属离
子 的吸附作用 ， ， 使藻对营养盐的实际吸收利用难以
测定 ， 而藻细胞的元素含量可反映藻对营养元素的需求
量 ， 微藻培养基可根据微藻细胞元素的构成和含量进行
设计 本实验依据二形栅藻的元素含量改良
培养基 ， 并选择较廉价的培养基原料 ， 以达到栅藻较好
生长和节省培养成本的 目 的
实 验
材料与试剂
所用藻种为本实验室保藏的二形栅藻
培养基为 培养基 ， 其组成为
’
一水合柠檬
酸 柠檬酸铁铵 ， ， ，
， 微量元素
’ ，
， ； 改 良培养基
组成为 ， ，
， ， 氮源 为
其余同 所用试剂均为分析纯
实验设备与分析仪器
立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器
械厂 ， 分析天平 士 公司 ，
离心机 上海安亭科学仪器厂 ， 超声
波破碎仪 宁波新芝科器研究所 ， 四环冻干机
北京四环科学仪器厂 ， 摇床 东联电子技术开
发有限公司 ， 可见分光光度计 上海精密科学仪器
有限公司 ， 离子色谱仪 端士万通公司 ，
全谱直读等离子原子发射光谱
仪 ， 德国斯派克分析仪器公司
实验方法
藻细胞生长测定
采用光密度法 测定藻细胞样
品在 下的光密度值 并建立 与藻细
胞干重 的标准曲线 ：
收稿 日期 ： 修回 日期 ：
基金项 目 ： 国家科技支 计划基金资助项 目 编号 ：
作者简介 ： 万晶晶 女 ’ 河南省许 昌县人 ， 硕士研究生 化学工程与技术专业 丛威 通讯联系人
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过 程 工 程 学 报 第 卷
藻细胞培养
摇瓶培养
用 三角瓶 实际培养体积 共设置
组 ， 每组 个平行 ， ° 灭菌 ， 冷却至室温 ，
接种 ， 初始接种量 约为 培养条件 ： 光
照 ， 光强度 温度 。 每天早晚 次
通气以补充 提供碳源并调节 值
气升式反应器培养
采用 个 气升式反应器 实际培养体积
培养基分别为 培养基和改 良培养基 ，
° 灭菌 接种 ’ 初始接种 。分别为 和
培养条件 ： 光照 ， 光强度 叫 ，
温度 控制 流量调节培养基 维持在
栅藻细胞无机元素含量分析
测定前处理 ： 取二型栅藻藻粉烘干至恒重 ， 研磨成
粉状 ， 用 电子天平准确称取样品 加入
硝酸 优级纯 和 双氧水 优级纯 ， 置于聚四氟乙烯
罐中 ， 放入不锈钢外套中 ， 拧紧 ， 烘箱中 ° 加热
冷却后取出 ， 用超纯水定容至 待测
用 仪测定栅藻细胞无机元素含量 仪工作
参数 ： 发生器功率 冷却气 氩气 流量 ，
辅助气 氩气 流量 载气 氩气 流量
营养盐浓度测定
取 留样藻液 ， 离心 取上清 ， 用
滤膜过滤 ， 待测
藻液中阳离子测定釆用 阳离子色谱分析柱 ， 淋洗液
为 硝酸和 吡啶二羧酸的混合液
流速 进样体积 柱温为常温 ， 检测
器为直接电导检测器
藻液中阴离子测定使用
阴离子色谱分析柱 ， 淋洗液为
的混合液 ， 流速 ， 进样体积
柱温为常温 ， 检测器为直接电导检测器
藻细胞油脂含量测定
取藻液 ， 离心 弃上清 ， 用 去离
子水清洗 次 ， 放入冷冻干燥箱中千燥 ， 再放入烘箱中
烘干至恒重 ； 称取 干燥藻粉 个重复 ， 加入
氯仿与 甲醇的混合液 ， 在冰浴中用超声波
破碎仪破碎 加入 氯仿 ， 置于摇床上浸提
过夜 离心后取全部氯仿层于己称重的试管中 ， ° 水
浴蒸发 将蒸干后的试管置于真空干燥箱中干燥至恒
重 ， 比较试管前后质量变化 ， 计算油脂含量
结果与讨论
栅藻无机元素含量分析及培养基的设计
不同藻类细胞元素含量不同 相同藻类细胞的元
素含量也会随培养条件及地域不同而出现差别 本
实验选择不同批次及条件下的二形栅藻进行元素成分
分析 ， 各元素的平均含量如表 所示 可以看出 ， ， ，
是二形栅藻中含量较多的无机元素 ， 说明二形栅藻对这
些元素需求较多 ， 而 ， ， 等金属元素含量相对较
少 ， 说明二形栅藻对这些元素需求较少 和 是影响
藻类生长的显著因子 ， 浓度过高或过低都会对二形栅藻
生长造成影响 ； ， ， 等金属元素的耐受浓度较高
且在不缺乏的情况下对藻生长的影响很小或几乎没有
影响 所以设计培养基时 ， 需考虑添加模式 ， 而
等只需考虑需求量
表 二形栅藻中 无机元素平均含量
表 和改良培养基中 主要元素的含量
；
本实验所用氮源均为 因为铵态氮 比硝
态氮不仅价格低廉且更易被藻吸收利用 ， 但很多微藻
对铵态氮都比较敏感 ， 所以 釆用分批补加方
式 浓度为 时对斜生栅藻几乎无抑制作用
而 中 ？ 浓度为 ， 所 以改 良培养基选取与
培养基相近的 浓度 由表 知 ， 二形
栅藻细胞 含量为 此时 培养基中的 可
满足 藻的需求 依据二形栅藻细胞元素配比进行其
他元素含量的设计 ， 培养基可供给 藻细胞 ， 即
改 良培养基藻最终生物量可达 改 良 培养基和
培养基营养盐元素含量如表 所示 可以看出 ，
与改 良培养基中元素含量相比 ， 培养基中 ，
过量 ， 而 ， 含量基本相同
规模化生产中 ， 、 柠檬酸铁铵等价格
第 期 万晶晶等 ： 基于细胞元素的二形播藻廉价培养基的改进
预期一致 所以改 良培养基能使二形栅藻良好生长 ， 其
配方是可行的
气升式反应器培养
气升式反应器中二形耱藻的生长状态
改 良培养基的最高生物量预测可达约 从图
可 以看出 ， 改 良后培养基中二形栅藻的最终浓度达
且低于 时 培养基与改良培养基细胞生
长量基本一致 ， 之后两培养基中生物量都有所增长 ， 但
改 良培养基比 培养基的增长量小 ， 说明此时营养
盐已处于缺乏状态 ， 所以要取得更高的培养密度 ， 可依
据改良培养基配方适当提高各营养盐浓度 而在一般规
模化生产中 ’ 藻浓度相对较低 约 所 以
可适当调节营养盐加入量 应考虑细胞渗透压及营养盐
对栅藻生长的影响 ， 如 等可分批加入
图 培养基和改 良培养基 中二形栅藻的生长
气升式反应器培养时培养基中离子浓度的变化
由图 可以看出 ， 和 浓度在气升式反应器的
培养过程中几乎没有变化 ， 说明二形栅藻在生长过程中
对其几乎不利用 ， 它们不是二形栅藻生长的必需元素 ，
但在维持细胞渗透压方面起作用 ； 培养后期 培养
摇瓶培养
摇瓶培养组 为 培养基 对照组 ， 组 中
和 源用 代替 培养基中 的 ， 其
余 同 培 养基 ； 组 用 替代 部分
中的 源 ’ 源仍为 其余
同 组 中 源用 替代 培养基中
的柠檬酸铁铵 其余同 组 为改 良后培养基 各
组营养盐成分如表 所示
微藻生长需利用溶解态无机盐 改良培养基中除
源和 源外 ， 其他营养盐溶解的离子形态与 培
养基中基本一致 与 溶解于一定 值
的溶液中时 ， 其溶解及解离的离子形态一定 很多绿藻
需将溶解态 螯合物还原成 或其螯合物才能被输
送到细胞内得以利用 ， ， 而 艮 等金属元素对
藻生长的影响很小或几乎没有 所以改 良培养基营养
盐的替换是可行的 摇瓶培养组二形栅藻的生长状况如
图 所示 ， 可看出 ， 各营养盐的替代及其浓度的改变对
二形栅藻生长几乎没有影响 ， 也验证 在实
验浓度范围内对二形栅藻生长影响不大 ， 与文献及实验
图 各营养盐替代下二形栅藻的生长
较贵 ， 所以基于表 ， 改良后的培养基采用较廉价的 外 ， 其余同 培养基 ， 得改 良后的培养基
替代部分 替代柠檬酸铁铵 如表 所示 可以看出 ， 改良培养基中的营养盐浓度整
替代 ， 并降低 浓度 ’ 除氮源为 体比 培养基偏低
表 和改良后培养基成分对照
表 摇瓶培养组替代营养盐
°
， ，
§
§
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过 程 工 程 学 报 第 卷
图 和改 良培养基中油脂积累情况
气升式反应器中二形栅藻的油脂积累情况
栅藻 在 自 养条件下油脂含量为
本实验改 良培养基和 培养基二形栅
藻的最终油脂含量分别为 和
油脂产量为生物量和油脂含量的乘积 ， 分
别为 和 如 图 所示 微藻的油脂含量
与藻种及培养条件等有关 等 】基于扁藻
细胞兀素对培养基进行重新设计 ’
并用薄膜袋子在室外进行培养 ， 改 良培养基和原始培养
基的油脂含量分别为 和 改 良培养基中细
胞油脂含量提高 本实验改 良培养基中二形栅藻油脂含
量提高的原 因可能是培养基 中合适 的营养盐配比或某
些营养 盐浓度 诱导造成 的 适宜浓度 的
能促进油脂积累 改 良培养基在采用廉价营养盐
及降低部分营养盐浓度的情况下获得了与 培养基
几乎相同的油脂产率 进一步证明改良培养基配方可行
培养基的成本
大规模生产中往往以化肥为原料 ， 参考国 内各类化
肥的价格 ， 并根据各营养盐对应的化肥价格估算相 同 油
脂产率时两种培养基的成本 ， 改 良培养基成本为
培养基的
结 论
通过测定二形栅藻的细胞元素含量 ， 基于 培
养基设计了廉价的培养基 ， 通过培养实验进行验证 ， 得
出如下结论 ：
改 良 培养基 中最主要营养盐浓度为
’
改 良培养基 中廉价营养盐的替换及一些营养盐
离子 浓度降低对栅藻生长几乎无影响 培养
后期 培养基中部分离子有剩余 ， 而改 良培养基 中
离子消耗殆尽 ， 说 明改 良培养基中离子利用合理充分
改 良培养基中藻最大生物量可达 左右 ， 其
与 培养基最终油脂含量分别 为 和
油脂产量分别为 和 改 良培养基在培养
成本为 培养基 的情况下获得了与
培养基几乎相 同的油脂产产量 ， 说 明廉价培养基配方是
可行的
参考文献 ：
俞俊棠 ， 唐孝宣 ， 邹行彦 新编 生物工艺学 北京 ： 化学工业
出版社
姚波 ， 席北斗 ， 胡春 明 ， 等 缺磷胁迫 后四尾栅藻在 富磷环境中
对磷的吸收动 力学 环境科学研究
图 培养基和改 良培养基 培养二形栅藻时各离子浓度随培养时 间的变化
基中仍有大量 和 ， 说明其过量 ； 而改 良培养基培
养到第 栅藻生物量为 时 ， 离子几乎耗尽 ， 最
后营养盐几乎完全被二形栅藻利用 ， 说明营养盐添加 比
例合适
」
——
第 期 万晶晶等 ： 基于细胞元素的二形榭藻廉价培养基的改进
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