全 文 ：不同温度和 pH对小球藻 USTB-01生长和
品质的效应
王子敬 ,景建克 ,许倩倩 ,杨　帅 ,闫　海
(北京科技大学应用科学学院生物科学与技术系 ,北京 100083)
摘要:采用 50 L全自控发酵罐 ,在不同温度和 pH 对小球藻USTB-01的异养生长和品质效应方面进行了研究。发现在 24～
28℃内 ,随温度的升高 ,小球藻的生长速度明显加快 ,培养 48 h最终生物量(OD680 nm)从 45.8提高到 122.4 ,但代表小球藻品质的
蛋白含量却从 18.5%降低到 14.6%,叶绿素含量从 25 mg/ g降低到 18 mg/g。进一步研究表明 ,与 pH 6.5和 7.5相比 , pH 7.0不
仅能够支持小球藻的异养快速生长 ,而且可以获得较高的蛋白含量 ,但叶绿素含量却低于生长于 pH 6.5的小球藻 ,尚未见有文
献报道。
关键词:小球藻USTB-01;温度;pH;生长;蛋白质;叶绿素
中图分类号:Q914.82　 文献标识码:A　 文章编号:0253-4320(2009)S2-0210-04
Effects of different temperature and pH on the growth and quality of
Chlorella USTB-01
WANG Zi-jing , J INGJian-ke , XU Qian-qian , YANG Shuai , YAN Hai
(Department of Biological Science and Technology , School of Applied Science , University of Science and
Technology Beijing , Beijing 100083 , China)
Abstract:Effects of different temperature and pH on the growth and quality of Chlorella USTB-01 are investigated in a
50 L fermentor.It show that with the increase of temperature from 24℃ to 28℃, the growth of Chlorella USTB-01 is promoted
and the biomass of microalgae (OD680 nm) is increased from 45.8 to 122.4 at 48 h.However the protein and chlorophyll
contents, which represent the quality of microalgae , declines from 18.5% to 14.6% and from 25 mg/ g to 18 mg/g ,
respectively.Further studies indicate that , compared with those grown at pH 6.5 and 7.5 , both the growth and protein content of
Chlorella USTB-01 are much improved at pH 7.0 , however chlorophyll content in microalgal cells is lower than that at pH 6.5.
Key words:Chlorella USTB-01;temperature;pH;growth;protein;chlorophyll
　收稿日期:2009-08-24
　基金项目:中国石油科技创新基金(2009D-5006);北京科技大学冶金工程研究院研究基金(2009-05)资助项目
　作者简介:王子敬(1985-),男 ,硕士生;闫海(1962-),男 ,博士 ,教授 ,主要从事微生物和微藻的研究工作 ,通讯联系人 , haiyan@sas.ustb.edu.cn。
　　作为最简单的光合作用有机体 ,微藻也被称为
单细胞藻类 ,微藻中的小球藻细胞呈球形或椭圆形 ,
在淡水 、海水中均有分布[ 1-4] ,其细胞内富含蛋白
质 、不饱和脂肪酸 、叶绿素 、多种维生素和小球藻生
长因子 ,对提高人体的免疫力和促进生物的生长都
有良好的效果[ 5-6] ,是一种具有重要经济价值的生
物资源。某些小球藻既可自养生长又可以以较高的
速度进行异养生长[ 7] ,但 Sasidharan用免疫标记发现
自养小球藻细胞中大量存在的叶绿体蛋白质多肽在
异养小球藻细胞中消失[ 8] ,导致代表微藻品质的蛋
白和色素含量下降 ,因此如何提高异养培养小球藻
的品质是目前国内外研究的热点。于若黔等[ 9]和张
丽君等[ 10]发现在 30℃培养小球藻不仅获得较高生
物量而且叶绿素含量也最高。潘欣[ 6]发现小球藻异
养发酵的最适 pH 范围为 5.5 ～ 6.5 , 当培养体系
pH<5.0或 pH>8.0时会明显抑制小球藻的生长 。
当pH为 5.0时 ,小球藻的生长较差[ 11] 。虽然温度
和 pH 都是小球藻生长的重要控制条件 ,但文献
[ 12]显示温度对小球藻生长的影响大于 pH 的影
响。笔者所在课题组于 2004年成功从天然水体中
筛选到一株小球藻 USTB-01[ 13] ,在 5 000 L 大规模
异养发酵培养 72 h 内获得了 46.6 g/L 的细胞干
重[ 14] 。虽然已经有温度和 pH对微藻生长影响的研
究报道 ,但在如何改善异养培养小球藻品质方面却
鲜有报道 。
本文中通过对小球藻 USTB-01在不同温度和
pH的异养发酵培养 ,探讨不同培养条件对其生长和
品质的效应 ,发现在 24 ～ 28℃内 ,随着温度的升高 ,
小球藻的生长速度明显加快 ,但代表小球藻品质的
蛋白和叶绿素含量却明显降低。与 pH 6.5 和 7.5
·210·
Oct.2009 现代化工 第 29卷增刊(2)
Modern Chemical Industry 2009年 10月
相比 , pH 7.0 不仅能够支持小球藻的异养快速生
长 ,而且可以获得较高的藻细胞蛋白含量 ,但叶绿素
含量却低于生长于 pH 6.5 的小球藻 。上述研究对
进一步异养培养小球藻作为人类健康食品的优化培
养控制具有重要的研究意义和应用价值 。
1　实验
1.1　实验材料
小球藻 USTB-01是从天然水体中筛选获得的
异养小球藻种[ 13] 。在批量和发酵培养过程中所用
培养基均系自主研制 ,已经获得国家发明专利 。采
用分析纯的化学试剂配制基础培养基 ,但为节约成
本并与实际应用相结合 ,分别采用食品级葡萄糖和
工业级硝酸钾作为小球藻生长的碳源和氮源 。
1.2　培养条件
采用 500 mL 三角瓶 ,培养量为 100 mL ,在温度
25℃和摇床转速 200 r/min条件下异养批量培养小
球藻 USTB-01 ,培养 3 d后收获并作为 50 L 全自控
发酵罐培养量 20 L 的藻种 。根据小球藻的不同生
长期 ,采用碳氮比为 20∶1的浓缩葡萄糖和硝酸钾混
合溶液对发酵体系进行补料流加[ 14] 。
在不同温度实验中 , 将温度分别恒定控制在
24 、26℃和 28℃。在不同 pH 影响实验中 ,温度控制
在25℃,通过自动流加 10%HCl溶液分别恒定控制
pH在 6.5 、7.0 和 7.5。发酵罐的曝气量为 2 m3/h。
初始搅拌转速为 200 r/min , 每间隔 6 h 提高 75
r/min ,直至达到 500 r/min为止 。
1.3　分析测定方法
将发酵液用纯净水稀释至一定倍数后 ,采用分
光光度计在波长 680 nm 下测定光密度(OD680 nm)以
示小球藻生长量 。培养获得的小球藻经离心收获
后 ,分别采用凯氏定氮法和分光光度法测定蛋白质
含量[ 15]和叶绿素含量[ 16] 。
2　结果与分析
2.1　不同温度对小球藻生长和品质效应
图1和图 2分别显示了不同温度下小球藻的生
长和 pH 变化曲线。图 1表明 ,在 24 ～ 28℃内 ,随温
度的升高可以明显促进小球藻 USTB-01 的生长 。
当温度分别为 24 、26℃和 28℃时 ,随着温度的升高
培养 48 h获得的藻生物量(OD680 nm)分别为 45.8 、
84.6和 122.4 , 平均生长速率分别为 0.83 、1.65
OD680 nm/h和 2.45 OD680 nm/h ,由此可见 ,无论是小球
藻的最终生物量还是平均生长速率 ,均随温度升高
而增加 。在一定温度范围内温度较低时 ,由于细胞
膜的运输和呼吸代谢功能受到影响 ,致使延迟期增
加。但随温度升高 ,藻细胞内酶活性增强 ,生长速率
加快[ 10] , 上述观点与笔者的研究结果一致。潘欣
等[ 6]发现椭圆小球藻在 25 、28℃和 30℃培养时 ,最
终生物量相差无几。而笔者发酵培养的小球藻
USTB-01在 24 ～ 28℃内的生长差异却很大 ,这可能
与不同小球藻种的生理生化特点不同有关。
温度/ ℃:1—28;2—26;3—24
图 1　不同温度小球藻生长曲线
图2是在不同温度培养条件下小球藻发酵液
pH的变化过程 。图 2结果表明 ,随着培养时间的延
长pH逐渐升高 ,且温度越高 , pH 上升越快 ,但变化
幅度都维持在 6.5 ～ 8.0 ,其原因是微藻以硝酸钾作
为氮源时 ,伴随着质子共转运使发酵液中质子浓度
降低 ,导致发酵液 pH上升。
　　(上接第 209页)
紫外分光光度法测得为 12.9 mg/g 。以甲苯为目标
污染物考察了复合型 TiO2/AC光催化剂的光降解活
性 ,TiO2/AC3降解率最高 ,达到 68%,并在 140 min
后仍然保持有一定的降解效果 ,降解具有持续稳
定性 。
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·211·2009年 10月 王子敬等:不同温度和 pH 对小球藻 USTB-01生长和品质的效应
温度/ ℃:1—26;2—24;3—28
图2　不同温度 pH变化
不同温度对小球藻叶绿素和蛋白质含量的影响
结果表明 ,温度升高虽然可以大幅提高小球藻的生
长速度 ,但却导致小球藻品质的下降。在 24℃培养
条件下 ,小球藻蛋白质和叶绿素含量分别为 18.5%
和25 mg/g ,但温度升至 28℃时 ,二者含量分别降至
14.6%和18 mg/g ,分别下降了 21.3%和28%。藻细
胞叶绿素和蛋白质含量是胞内物质合成和细胞分裂
的同作用结果 ,异养条件下 ,为了满足快速生长 ,小
球藻将更多的能量用于细胞的呼吸代谢 ,使增殖大
大加快 ,分裂速度快于叶绿素和蛋白质的积累 ,这是
造成小球藻品质下降的一个原因。该实验中蛋白质
含量在一定温度范围内随着温度上升而呈下降
趋势 ,这一结果与部分藻类相似 ,例如细基江蓠
藻[ 17] 、鼠尾藻[ 18] 在特定温度范围内均出现了蛋白
质含量随温度升高而下降的现象 。Jeamton等[ 19] 认
为温度变化可影响藻类某些基因的表达 ,当培养温
度升高时 ,可以导致藻细胞内表达某种蛋白质的基
因关闭 ,致使相应蛋白含量降低。此外 ,温度较高
时 ,部分抗氧化酶的活性下降 ,藻细胞代谢功能的调
节失去平衡 ,活性氧自由基产生和消除系统的平衡
遭到破坏 ,使胞内营养物质的合成受到影响[ 20] 。
2.2　不同 pH对小球藻生长和品质效应
图3显示了不同 pH 时小球藻 USTB-01的生长曲
线。结果表明 ,与 pH 6.5和 7.5相比 ,在 pH 7.0条
件下小球藻生长最好 , 培养 56 h OD680 nm达到了
100.6 ,平均生长速率为1.67 OD680 nm/h ,分别比 pH 7.5
时的 1.43 OD680 nm/h 和 pH 6.5 时的 1.30 OD680 nm/h
pH:1—7.0;2—7.5;3—6.0
图 3　不同 pH 小球藻生长曲线
提高 16.8%和28.5%。一般来说 ,小球藻存活的 pH
范围为4.5 ～ 10.6 ,pH在 5.5到8.0时有利于小球藻
的生长[ 21] 。有研究显示培养体系 pH 可以影响小球
藻细胞内 pH ,因此可以通过影响细胞内酸碱平衡来
对小球藻细胞的生长繁殖产生影响[ 22] 。
不同 pH 对小球藻品质的影响结果表明:随着
pH从 6.5 增加到 7.0 时 , 小球藻蛋白质含量从
19.7%增加到 23.9%,但 pH 进一步增加至 7.5时 ,
蛋白含量却下降到 21.0%,因此 pH 7.0有利于小球
藻蛋白质合成。在 pH 6.5 ～ 7.5内 ,随 pH 的降低小
球藻叶绿素含量增加 ,在 pH 6.5时达到了 33 mg/g ,
此研究结果在国内外尚未发现有研究报道。
小球藻异养培养可以获得很高的生长速度和藻
生物量 ,但如何提高其蛋白和色素含量是国内外尚
未解决的科研难题 ,在此研究领域 ,国内外学者进行
了一些探索。Sansawa等[ 23]对小球藻 Chlorella regu-
laris S-50进行异养同步培养 ,使藻细胞内的蛋白和
叶绿素含量是非同步培养的 2 ～ 3倍 ,说明通过异养
培养的控制可以获得高品质的小球藻 。刘世名
等[ 24]发现多效唑能抑制异养小球藻的生长 ,但同时
也能提高小球藻的蛋白质含量 ,选取适当浓度的多
效唑处理异养小球藻可使其生物量和蛋白含量达到
较高水平。吕富等[ 25] 的实验结果表明适量的萘乙
酸能够提高藻细胞的蛋白质含量 ,蛋白质是光合作
用的基本结构 ———类囊体的物质基础 ,而类囊体是
光合色素的载体 ,藻细胞蛋白质含量的增高有利于
叶绿素含量的增加。由此可见 ,控制适宜的发酵培
养条件或向培养体系中添加某些外源营养物质 ,是
提高小球藻品质的有效途径 。本文的研究结果显
示 ,温度和 pH 都对小球藻 USTB-01的生长和品质
产生重要影响 ,因此有必要在异养发酵培养过程中
进行改变培养条件的控制 ,在发酵的生长延迟期和
对数期采用将培养条件控制在 28℃和 pH 7.0 ,以保
证小球藻以较高的生长速率进行生长。在小球藻生
长指数末期 ,为提高小球藻蛋白质和叶绿素的含量 ,
可将温度降至 24℃, 以延缓小球藻分裂增殖的速
度 ,使其将更多能量用于胞内蛋白和色素的合成 ,是
获得高品质大量小球藻 USTB-01的优化控制条件。
3　结语
通过不同温度和 pH下小球藻USTB-01的异养
发酵培养实验 ,探索了发酵条件对小球藻的生长和
品质的效应 ,得出主要结论如下:
(1)在 24 ～ 28℃内 , 随温度的升高 , 小球藻
·212· 现代化工 第 29卷增刊(2)
USTB-01 的生长明显加快 , 但培养获得小球藻
USTB-01的蛋白和叶绿素含量均明显下降。
(2)在培养温度 25℃下 ,与 pH 6.5和 7.5相比 ,
pH 7.0不仅可以保证小球藻 USTB-01以较快速度
生长 , 而且可以获得最高的藻蛋白含量 。在 pH
6.5 ～ 7.5内 ,随 pH升高小球藻 USTB-01叶绿素含
量逐渐降低 ,此结果尚未发现有研究报道。
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45.□
一种合成聚合物类油井水泥降失水剂及其合成方法和应用
　　公开号:CN101456931　公开日:2009.06.17
申请(专利权)人:中国海洋石油总公司;中海油田服务
股份有限公司
本发明涉及一种合成聚合物类油井水泥降失水剂及其
合成方法 ,包括(a)按质量份数比为 65 ～ 95 份∶1 ～ 30 份∶
1～ 5 份∶0.01 ～ 5 份配制包含选自 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙
磺酸 、乙烯基磺酸或甲基丙烯酸的第一单体 、选自 N , N-二
甲基丙烯酰胺 、丙烯酰胺或 N , N-二乙基丙烯酰胺的第二
单体 、选自马来酸酐 、马来酸或富马酸的第三单体 、以及选
自丙烯磺酸钠 、十二烷基硫醇和甲基丙烯磺酸钠的第一调
节剂的原料水溶液;(b)添加引发剂 、升温至反应温度 ,使原
料水溶液进行聚合反应。本发明的合成聚合物类油井水泥
降失水剂降失水性能好 、耐温抗盐性能好 、对环境温度适应
宽 , 可用于油井水泥浆体系 ,特别用于高温井固井或海水固
井中。
·213·2009年 10月 王子敬等:不同温度和 pH 对小球藻 USTB-01生长和品质的效应