熊 偉,黃 云,付 乾,鐘年丙,朱 恂,廖 強(qiáng)

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微藻生物膜營養(yǎng)環(huán)境對微藻生長和油脂積累影響

熊 偉,黃 云*,付 乾,鐘年丙,朱 恂,廖 強(qiáng)

(1.重慶大學(xué),低品位能源利用技術(shù)及教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030；2.重慶大學(xué)工程熱物理研究所,重慶 400030)

以瓊脂凝膠作為微藻營養(yǎng)物質(zhì)的供給源層,微孔濾膜作為微藻生物膜吸附基質(zhì),構(gòu)建了源層/基質(zhì)層雙層結(jié)構(gòu)光合微藻生物膜反應(yīng)器,研究了微藻生物膜營養(yǎng)環(huán)境對微藻生長和油脂積累的影響,實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)瓊脂濃度從0.125%(/)升高到8%時(shí),生物膜含水量從0.62減少到0.25g,微藻細(xì)胞直徑從3.87減小到3.35μm,微藻生物膜厚度從91.23降低到62.33μm,單位厚度生物膜內(nèi)含水量降低40.49%,CO2和光向生物膜內(nèi)部傳遞阻力減小,為光合反應(yīng)提供充足碳源和光照,微藻生物膜密度從40.56提高了45.86%至59.16g/m2,微藻油脂產(chǎn)量提高了63.39%.

微藻；瓊脂凝膠；生物膜；油脂

生物柴油是國際上一致認(rèn)可具有巨大潛力的清潔燃料[1-3].微藻作為第三代生物柴油的原料,能通過光合作用將太陽能高效轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能,具有生長速度快、產(chǎn)率高、油脂含量高(30%~70%)、不依賴農(nóng)耕地等優(yōu)勢[4-5].

微藻細(xì)胞利用CO2和光能合成有機(jī)物并釋放出氧氣的總反應(yīng)可表達(dá)為

水不僅是光合反應(yīng)的底物,還是光合作用所需營養(yǎng)鹽的溶劑(載體).微藻懸浮態(tài)培養(yǎng)中微藻細(xì)胞被含量占99%以上的水體包圍,雖然處于充足的營養(yǎng)液(水和營養(yǎng)鹽)環(huán)境,但CO2和光在大量水體存在時(shí)傳遞阻力大,極大限制了微藻的光合作用,因此懸浮態(tài)培養(yǎng)難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率培養(yǎng),最高產(chǎn)率僅為10~20g/(m2·d)[6],遠(yuǎn)低于理論最大產(chǎn)率120~150g/(m2·d)[7-8].微藻生物膜培養(yǎng)是利用藻細(xì)胞與載體基質(zhì)間存在相互約束使得藻細(xì)胞固定于載體基質(zhì)表面生長的一種培養(yǎng)方式[9-10].采用微藻生物膜培養(yǎng),水資源投入大幅度降低,在滿足微藻光合作用對營養(yǎng)液需求的同時(shí),光和CO2的限制也得以改善,有利于光合效率提高.Liu等[11]提出一種微藻貼壁培養(yǎng)技術(shù)將微藻細(xì)胞接種到濾膜(紙)材料上形成生物膜,通過培養(yǎng)基浸濕濾膜為藻細(xì)胞提供營養(yǎng)鹽和水分,以含1%(v/v)CO2的空氣作為碳源,并進(jìn)行了光照條件優(yōu)化設(shè)計(jì),分別在室內(nèi)和室外條件對系統(tǒng)進(jìn)行了性能評估,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)柵藻、葡萄藻、微擬球藻等均可實(shí)現(xiàn)良好的貼壁生長,當(dāng)室內(nèi)光照為700μmol/(m2·s),光稀釋率為10時(shí),斜生柵藻的最高產(chǎn)率達(dá)120g/(m2·d),光合效率為18%;室外培養(yǎng)產(chǎn)率也可高達(dá)80g/(m2·d),光合效率為17.3%,是懸浮態(tài)培養(yǎng)的7倍之多.

微藻生物膜培養(yǎng)中微藻細(xì)胞所處的營養(yǎng)液環(huán)境與懸浮培養(yǎng)相比發(fā)生了巨變,這種巨變不僅節(jié)約了水資源投入減少了采收能耗,且光合效率也大大提高.雖然學(xué)者們設(shè)計(jì)了不同形式的微藻生物膜培養(yǎng)光生物反應(yīng)器,但其中微藻生物膜所處營養(yǎng)液環(huán)境對微藻生物膜的生長和油脂積累影響屬于這一類培養(yǎng)方式的共性問題,這類研究還少見報(bào)道.因此,本研究通過建立一種源層/基質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)生物膜反應(yīng)器,研究不同營養(yǎng)液環(huán)境對營養(yǎng)液傳遞吸收、生物膜形態(tài)、微藻生長以及微藻油脂積累的影響,為微藻生物膜培養(yǎng)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).

1 材料、裝置與方法

1.1 材料

普通小球藻(, FACHB-31),購自中國科學(xué)院武漢水生生物研究所淡水藻種庫,綠藻門淡水藻種,細(xì)胞多為球形.實(shí)驗(yàn)采用BG11培養(yǎng)基[12].

CO2氣體:體積濃度為10%,由重慶瑞科氣體有限公司生產(chǎn),裝于40L高壓鋼瓶內(nèi).

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示,主要由培養(yǎng)單元、配氣系統(tǒng)和光照系統(tǒng)構(gòu)成.反應(yīng)器(250mm× 60mm×50mm)置于培養(yǎng)腔(400mm×250mm× 150mm)中構(gòu)成培養(yǎng)單元.CO2通過質(zhì)量流量控制器通入培養(yǎng)腔中形成CO2氣體空間,為微藻提供無機(jī)碳源.利用平行排布的熒光燈作為光合作用的光源,通過熒光燈數(shù)量和熒光燈與反應(yīng)器的距離控制光照強(qiáng)度.反應(yīng)器為雙層結(jié)構(gòu),上層為基質(zhì)層,微藻細(xì)胞吸附其上形成生物膜,下層為源層,營養(yǎng)液存儲其中,通過毛細(xì)作用傳遞到生物膜為微藻生長提供營養(yǎng)液(圖1(b)),兩層都為多孔親水材料,并且保持濕潤,可自然貼合.實(shí)驗(yàn)利用混合纖維水系微孔濾膜(上海新亞)作為基質(zhì)層,藻細(xì)胞真空過濾到其上形成藻膜,濾膜和藻膜共同形成膜片,不同濃度的瓊脂制成凝膠作為源層.

1.3 方法

1.3.1 藻種預(yù)培養(yǎng) 將微藻接種到裝有500mL培養(yǎng)基的血清瓶中,在溫度27℃、連續(xù)光照[光照強(qiáng)度75μmol/(m2·s)]的條件下進(jìn)行藻種預(yù)培養(yǎng),預(yù)培養(yǎng)3d,然后將藻種保存于藻種保養(yǎng)箱.

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 將不同質(zhì)量的瓊脂粉溶于BG11培養(yǎng)基,加熱后倒入反應(yīng)器冷卻形成固體凝膠.瓊脂濃度低,形成的凝膠表面濕潤,容易浸潤膜片,微藻生物膜易吸取營養(yǎng)液,故生物膜含水量高;瓊脂濃度高,形成的凝膠表面干硬,不易浸潤膜片,微藻生物膜不易吸取營養(yǎng)液,故生物膜含水量低.因此,以不同瓊脂濃度制備的凝膠作為源層可以控制生物膜營養(yǎng)液環(huán)境,瓊脂濃度設(shè)置為0.125%,1%和8%,每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)平行樣.相同條件下,利用血清瓶進(jìn)行懸浮態(tài)培養(yǎng)作為微藻油脂含量的對照組實(shí)驗(yàn).

1.3.3 反應(yīng)器中微藻接種和培養(yǎng) 利用稱重法[13]測量計(jì)算預(yù)培養(yǎng)藻液的濃度0,g/L,然后用移液槍取體積0,mL的藻液,真空過濾到濾膜上形成藻膜,濾膜的面積為,m2,初始接種生物膜密度0,g/m2按式(2)計(jì)算:

最后用鑷子將膜片輕輕置于源層上,將反應(yīng)器放入培養(yǎng)腔室通氣光照培養(yǎng).實(shí)驗(yàn)中接種生物膜密度控制在2.5g/m2.

實(shí)驗(yàn)中10%(/)的CO2通過氣體流量控制器(OMEGA,美國)以150mL/min(通氣率0.01VVM,培養(yǎng)腔容積為1.5L)的流量通入培養(yǎng)腔,連續(xù)光照強(qiáng)度為75μmol/(m2·s),整個(gè)實(shí)驗(yàn)在人工恒溫溫室中進(jìn)行,溫度控制在27℃.

微藻懸浮態(tài)培養(yǎng):實(shí)驗(yàn)在相同通氣率和光照強(qiáng)度下利用血清瓶作為反應(yīng)容器對微藻進(jìn)行懸浮態(tài)培養(yǎng),以得到油脂含量.

1.3.4 生物膜含水測定 濾膜飽和含水量:預(yù)稱重濾膜質(zhì)量1,g,將濾膜置于源層上,經(jīng)過一定時(shí)間至濾膜不再吸水(質(zhì)量不再變化),測其質(zhì)量2,g,濾膜飽和含水量m,g,按式(3)計(jì)算:

生物膜含水量:取出培養(yǎng)膜片直接稱其重量3,g,將培養(yǎng)膜片55℃烘干后稱其質(zhì)量4,g,生物膜含水量[14]按式(4)計(jì)算:

單位生物膜厚度含水量,mg/μm,按式(5)計(jì)算:

式中:為生物膜含水量;為生物膜厚度.

1.3.5 生物膜和細(xì)胞微觀形態(tài)觀測 生物膜電鏡掃描及生物膜厚度測量:將附著有生物膜的濾膜取出,用去離子水清洗30min,再用2.5%戊二醛緩沖液固定,去離子水清洗,再用梯度酒精(10%、30%、50%、70%、90%)脫水,叔丁醇、酒精(1/1,V/V)混合液脫水,叔丁醇脫水,冷凍、粘托,再經(jīng)過離子濺射鍍膜(金)制成電鏡掃描標(biāo)本,利用掃描電子顯微鏡(TESCAN VEGA 3SBH)進(jìn)行形態(tài)觀察.將掃描圖片導(dǎo)入圖像處理軟件處理得到生物膜厚度.

細(xì)胞大小的測定:實(shí)驗(yàn)采用細(xì)胞直徑表征細(xì)胞大小,利用顯微鏡(BX63,OLYMPUS)測量細(xì)胞大小,取微量藻泥涂于載玻片上,蓋玻片壓勻,滴香柏油于蓋玻片上,在100倍放大倍率下隨機(jī)選取100個(gè)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞直徑測量,取平均值作為該狀態(tài)下的細(xì)胞大小[15].

1.3.6 微藻生物量和葉綠素測定 微藻生物量采用細(xì)胞干重法[13]測定:用鑷子取兩片濾膜,用去離子水將微藻生物膜充分沖洗,然后8000r/min離心10min脫水,在105℃烘干至恒重稱取重量.根據(jù)重量法測定結(jié)果計(jì)算生物膜密度,g/m2.

葉綠素:色素是光的吸收器,光合色素的含量和成分直接關(guān)系到光合作用的效率.本文中小球藻的色素主要是由葉綠素a和葉綠素b組成.采用DMSO/80%丙酮(1/2,/)混合液直接浸提法[16]萃取葉綠素,然后用分光光度計(jì)測量萃取液在646和663nm波長下的吸光度,按式(6)、式(7)計(jì)算葉綠素a、b的含量.

式中:OD為吸光度.

1.3.7 微藻油脂含量測定和油脂產(chǎn)率計(jì)算 微藻總油脂含量(ω)采用Bligh-Dyer方法[17]測定:稱取一定質(zhì)量(0)研磨后的干藻粉(0.1g左右)加入到具塞離心管,依次加入加入2mL甲醇、1mL氯仿、0.8mL蒸餾水,35℃恒溫水浴震蕩1h,超聲震蕩30min(功率50W),離心取上清液,重復(fù)提取3~5次,最后在集合的上清液中依次加入(1×提取次數(shù))mL氯仿、(1×提取次數(shù))蒸餾水,使得最終提取劑的體積比為氯仿:甲醇:水=1:1:0.9,靜置分層,取底層液體至預(yù)先干燥并稱重的菌種瓶中,烘干至恒重,稱量得到油脂質(zhì)量(1),按式(8)計(jì)算油脂百分含量:

式中:0為藻粉干重,g;1為油脂重,g.

油脂產(chǎn)量LP按式(9)計(jì)算:

式中:1為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)生物膜密度,g/m2;0為初始接種生物膜密度, g/m2.

2 結(jié)果和討論

2.1 微藻生長過程生物膜含水量變化

瓊脂凝膠的瓊脂濃度會影響生物膜含水量,隨著瓊脂濃度升高,生物膜含水量降低,第2d時(shí),瓊脂濃度從0.125%升高到8%,生物膜含水量從0.36降低到0.17g.瓊脂濃度較低時(shí)(0.125%),瓊脂表面潤濕,生物膜易于吸收營養(yǎng)液,故生物膜含水量較高;瓊脂濃度較高時(shí)(8%),瓊脂表面相對干硬,生物膜不易吸收營養(yǎng)液,故生物膜含水量較低.微藻生長過程中生物膜含水量不斷變化.瓊脂濃度為0.125%時(shí),初始階段由于微藻細(xì)胞快速分裂,且源層表面潤濕度高,易于營養(yǎng)液吸收,生物膜通過基質(zhì)層從源層攝取較多的營養(yǎng)液以供給生長需要,所以生物膜含水量從0.36快速升高到0.53g,然后由于微藻生長減緩,營養(yǎng)液傳輸減緩,生物膜含水量緩慢升高到0.62g;瓊脂濃度為1%時(shí),源層表面相對干硬,生物膜含水量從0.23升高到0.35g,然后逐漸穩(wěn)定為0.36g;瓊脂濃度為8%時(shí),源層表面較干硬,不易于營養(yǎng)液吸收,生物膜含水量從0.17升高到0.28g,然后基本保持穩(wěn)定,含水量僅為高含水量時(shí)的45.2%.

2.2 營養(yǎng)液環(huán)境對生物膜結(jié)構(gòu)的影響

不同瓊脂濃度下生物膜斷面電鏡掃描圖如圖4所示.低瓊脂濃度(0.125%)時(shí),生物膜含水量較高,生物膜較厚(圖3(a),1000x);高瓊脂濃度(8%)時(shí),生物膜含水量較低,生物膜較薄(圖3(b), 1000x).這是因?yàn)楫?dāng)生物膜含水量較高時(shí),生物膜內(nèi)有較厚的液膜,甚至光合作用產(chǎn)生的氧氣會形成氣泡,表面張力影響生物膜形態(tài),且含水量較高時(shí),細(xì)胞較飽滿(圖3(a),10000x),從而導(dǎo)致生物膜內(nèi)存在較大的空隙(圖3(a),5000x),所以生物膜較厚(40.91μm);當(dāng)生物膜含水量較低時(shí),生物膜內(nèi)液量少液膜薄,光合作用產(chǎn)生的氧氣易脫離,且含水量較低時(shí),細(xì)胞有一定程度皺縮(圖3(b), 10000x),從而生物膜較為致密(圖3(b),5000x),所以生物膜較薄(25.97μm).

瓊脂濃度對生物膜厚度影響如圖4所示.隨著培養(yǎng)時(shí)間增加,生物量逐漸積累,生物膜厚度逐漸變厚,最終趨于穩(wěn)定.瓊脂濃度為8%時(shí),生物膜厚度從接種時(shí)的8.3μm增長到培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的62.33μm;瓊脂濃度為1%時(shí),培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的生物膜厚度為83.73μm,是瓊脂濃度為8%時(shí)的1.34倍;瓊脂濃度為0.125%時(shí),培養(yǎng)結(jié)束時(shí)生物膜厚度為91.23μm,是是瓊脂濃度為8%時(shí)的1.46倍.測量結(jié)果表明隨著生物膜含水量升高,生物膜變厚,從而影響光和CO2向生物膜底層傳遞.

微藻細(xì)胞處于不同的營養(yǎng)液環(huán)境,其形態(tài)會受到影響,不同營養(yǎng)液環(huán)境對微藻細(xì)胞大小的影響如圖5所示.生物膜培養(yǎng)初期細(xì)胞直徑明顯減小,這是因?yàn)樵寮?xì)胞從液相培養(yǎng)基過濾到濾膜上形成生物膜,細(xì)胞處于相對貧水環(huán)境,細(xì)胞質(zhì)水含量減少,細(xì)胞質(zhì)濃度增大,細(xì)胞皺縮,腫脹減小,細(xì)胞變小[18];隨后細(xì)胞繼續(xù)逐漸變小,這是由于細(xì)胞有絲分裂一分為二,快速增值,細(xì)胞較小;最終細(xì)胞逐漸長大成熟.培養(yǎng)到第8d生長穩(wěn)定時(shí),瓊脂濃度低(0.125%)時(shí),生物膜含水量高,細(xì)胞飽滿,細(xì)胞相對較大(3.87μm);瓊脂濃度高(8%)時(shí),生物膜含水量低,細(xì)胞有一定程度皺縮,細(xì)胞相對較小(3.35μm),增大了細(xì)胞的比表面積,物質(zhì)傳遞界面(細(xì)胞生物膜)變大,CO2和營養(yǎng)物質(zhì)更容易傳遞到細(xì)胞內(nèi)供細(xì)胞光合作用,促使生物量積累,并且較小的細(xì)胞堆積形成的生物膜較薄,有利于光和CO2向生物膜內(nèi)傳輸,微藻光合作用較強(qiáng).

2.3 營養(yǎng)液環(huán)境對微藻生長的影響

瓊脂濃度對微藻生長影響如圖6所示,隨著培養(yǎng)時(shí)間增加,生物量不斷積累,培養(yǎng)到第8d時(shí),微藻生長趨于穩(wěn)定.當(dāng)瓊脂濃度從0.125%升高到8%時(shí),生物膜密度從40.56提高了45.9%達(dá)到59.16g/m2,高于其他生物膜培養(yǎng)方式的生物膜密度[19].這主要是因?yàn)榈铜傊瑵舛?0.125%)時(shí),生物膜含水量較高,圖3(a)所示生物膜內(nèi)有較厚的液膜,生物膜較厚(圖4),光衰減嚴(yán)重[20],CO2傳質(zhì)阻力大,甚至光合作用產(chǎn)生的氧氣會形成氣泡,影響CO2吸收[21],因此生物膜密度較低;然而當(dāng)微藻生物膜含水較低時(shí),圖3(b)所示,生物膜內(nèi)液量少液膜薄,生物膜較薄,光衰減不嚴(yán)重,CO2傳質(zhì)阻力相對較小,光合作用產(chǎn)生的氧氣易脫離,因此生物膜密度較高.綜上,一定范圍內(nèi),生物膜含水量越低,微藻生長速率越快,生物膜密度越高.

葉綠體是光合作用的細(xì)胞器,也被稱為細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換站.其中色素是光的吸收器,光合色素的含量和成分直接關(guān)系到光合作用的效率.生物膜含水量對小球藻葉綠素的影響如圖6(b)所示,培養(yǎng)前2d,葉綠素總量明顯增加.第2d后,葉綠素量緩慢增加,然后因?yàn)榧?xì)胞葉綠素含量進(jìn)一步降低,葉綠素總量緩慢降低.葉綠素總量越高,光合作用越強(qiáng),生長速率越快,圖中不同生物膜含水量條件下,葉綠素總量基本與小球藻生長情況吻合.但相對于細(xì)胞增長的速率,葉綠素合成速率較低,接種時(shí)細(xì)胞內(nèi)葉綠素含量最高,隨著時(shí)間的增加而逐漸下降[19],瓊脂濃度為0.125%時(shí),葉綠素含量由初始的4.88%下降到1.40%;瓊脂濃度為8%時(shí),葉綠素含量下降到0.88%.

生物膜含水量較高時(shí),葉綠素百分含量相對較高;生物膜含水量較低時(shí),葉綠素百分含量相對較低.這主要是因?yàn)楫?dāng)微藻處于相對缺水的環(huán)境時(shí),葉綠素含量降低,進(jìn)入不活躍狀態(tài),會合成一定量的類胡蘿卜素以增加抗旱能力[22].圖1(b)中描述了光在生物膜內(nèi)傳遞的方式,光從生物膜表層傳遞到生物膜內(nèi)部需要透過不同細(xì)胞層,文獻(xiàn)[13]指出當(dāng)光照強(qiáng)度為100μmol/(m2·s)時(shí),光照只能穿透表層(15±3)μm,只占整個(gè)生物膜的較小比例;并且文獻(xiàn)[20]說明了當(dāng)葉綠素百分含量較高時(shí),表層藻細(xì)胞對光照的捕獲能力較強(qiáng),光穿透表層的能力降低,光向生物膜底層傳遞困難,衰減嚴(yán)重,因此底層生物膜光照不足,光合作作用弱甚至呼吸消耗,只有表層生物膜能進(jìn)行有效光合作用,從而影響生物膜的生物量積累(圖6).

綜上,一定范圍內(nèi)高生物膜含水量會導(dǎo)致生物膜培養(yǎng)存在懸浮培養(yǎng)類似問題,如光衰減嚴(yán)重、CO2傳遞阻力大,低生物膜含水量在滿足微藻生長需要的前提下有利于光傳輸和CO2傳遞,生物量積累較高.

2.4 營養(yǎng)液環(huán)境對微藻油脂積累的影響

能量密度較高的油脂是微藻細(xì)胞中長期儲能物質(zhì)[22],也是生物柴油的主要來源,生物膜含水量對微藻油脂含量和油脂產(chǎn)量的影響如圖7所示.懸浮態(tài)培養(yǎng)的微藻油脂含量較低為22.55%,這主要是因?yàn)樗蜖I養(yǎng)鹽尤其是氮相當(dāng)充足,微藻細(xì)胞主要積累蛋白質(zhì)和碳水化合物,油脂積累相對較少[23].微藻生物膜培養(yǎng),瓊脂濃度從0.125%升高為8%,生物膜含水量降低,油脂含量從25.21%升高到28.24%,油脂產(chǎn)量從10.23提高63.39%到16.71g/m2,這主要是因?yàn)樗菭I養(yǎng)鹽的載體,生物膜含水量低會導(dǎo)致水和營養(yǎng)鹽供應(yīng)減少,從而同時(shí)形成相對缺水、缺氮脅迫作用,其中缺水會使細(xì)胞皺縮,一定程度破壞膜的功能和影響細(xì)胞液的鹽度,不利于蛋白質(zhì)合成,反而有利于油脂合成積累[14];氮缺乏環(huán)境會提高細(xì)胞內(nèi)脂肪酸?；o酶A的含量,并同時(shí)激發(fā)細(xì)胞內(nèi)二?；视王；D(zhuǎn)移酶的活性,從而將胞內(nèi)的脂肪酸酰基輔酶A轉(zhuǎn)化為甘油三酯水解產(chǎn)物,從而提高了油脂含量[24].綜上,當(dāng)生物膜含水量較低時(shí),微藻細(xì)胞同時(shí)遭受缺水和缺氮的脅迫壓力,有利于微藻油脂積累,是一種較好的促進(jìn)油脂積累的方式.

3 結(jié)論

3.1 瓊脂濃度從0.125%升高到8%時(shí),生物膜含水量降低,微藻細(xì)胞縮水減小,微藻生物膜變得更加致密,微藻生物膜厚度從91.23降到62.33μm.

3.2 瓊脂濃度從0.125%升高到8%時(shí),單位厚度生物膜內(nèi)含水量(第2d)從18.12降低至9.19mg/μm,光和CO2向生物膜內(nèi)部傳遞阻力減小,加速了微藻光合生長,使得最終生物膜密度從40.56提高45.9%至59.16g/m2.

3.3 相對較低的生物膜含水量有利于油脂積累,瓊脂濃度從0.125%升高到8%時(shí),油脂含量從25.21%提高到28.24%,油脂產(chǎn)量提高了63.39%.

[1] Weisz P B. Basic choices and constraints on long-term energy supplies [J]. Physics Today, 2004,57(7):47-52.

[2] 裴 蓓.廢水中的藻類可用于制造生物燃料 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(4):621-621.

[3] Ma F, Hanna M A. Biodiesel production: a review [J]. Bioresource Technology, 1999,70(1):1-15.

[4] Yamaguchi K, Nakano H, Murakami M, et al. Lipid composition of a green alga, Botryococcus braunii [J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1987,51(2):493-498.

[5] 王曰杰,孟范平,李永富,等.內(nèi)置LED光源平板型光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng)—普通小球藻在反應(yīng)器中的固碳產(chǎn)油性能探究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(5):1526-1534.

[6] Brennan L, Owende P. Biofuels from microalgae—a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010,14(2):557-577.

[7] Tredici M R. Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution [J]. Biofuels, 2010,1(1):143-162.

[8] Zhu X G, Long S P, Ort D R. What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass? [J]. Current Opinion in Biotechnology, 2008,19(2):153-159.

[9] Gross M, Jarboe D, Wen Z. Biofilm-based algal cultivation systems [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2015, 99(14):5781-5789.

[10] Johnson M B, Wen Z. Development of an attached microalgal growth system for biofuel production [J]. Applied Microbiology and Botechnology, 2010,85(3):525-534.

[11] Liu T, Wang J, Hu Q, et al. Attached cultivation technology of microalgae for efficient biomass feedstock production [J]. Bioresource Technology, 2013,127(127):216-222.

[12] Stanier R Y, Kunisawa R, Mandel M, et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales) [J]. Bacteriological Reviews, 1971,35(2):171.

[13] Ji B, Zhang W, Zhang N, et al. Biofilm cultivation of the oleaginous microalgae Pseudochlorococcum sp. [J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2014,37(7):1369-1375.

[14] Shiratake T, Sato A, Minoda A, et al. Air-drying of cells, the novel conditions for stimulated synthesis of triacylglycerol in a Green Alga, Chlorella kessleri [J]. PloS One, 2013,8(11):e79630-e79630.

[15] Kim D G, Lee C, Park S M, et al. Manipulation of light wavelength at appropriate growth stage to enhance biomass productivity and fatty acid methyl ester yield using Chlorella vulgaris [J]. Bioresource Technology, 2014,159(159):240-248.

[16] Lorenzen C. Determination of chlorophyll and pheopigments: spectrophotometric equations [J]. Limnol. Oceanogr, 1967,12(2): 343-346.

[17] Bligh E G, Dyer W J. A rapid method of total lipid extraction and purification [J]. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology, 1959,37(8):911-917.

[18] Kawamitsu Y, Driscoll T, Boyer J S. Photosynthesis during desiccation in an intertidal alga and a land plant [J]. Plant and Cell Physiology, 2000,41(3):344-353.

[19] Shen Y, Xu X, Zhao Y, et al. Influence of algae species, substrata and culture conditions on attached microalgal culture [J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2014,37(3):441-450.

[20] Wang J, Liu J, Liu T. The difference in effective light penetration may explain the superiority in photosynthetic efficiency of attached cultivation over the conventional open pond for microalgae [J]. Biotechnology for Biofuels, 2015,8(1):49-49.

[21] Babcock R W, Malda J, Radway J A C. Hydrodynamics and mass transfer in a tubular airlift photobioreactor [J]. Journal of Applied Phycology, 2002,14(3):169-184.

[22] Timoner X, Acuna V, Von S D, et al. Functional responses of stream biofilms to flow cessation, desiccation and rewetting [J]. Freshwater Biology, 2012,57(8):1565-1578.

[23] Zhu S, Huang W, Xu J, et al. Metabolic changes of starch and lipid triggered by nitrogen starvation in the microalga Chlorella zofingiensis [J]. Bioresource Technology, 2014,152(152):292-298.

[24] Ji C, Wang J, Zhang W, et al. An applicable nitrogen supply strategy for attached cultivation of[J]. Journal of Applied Phycology, 2014,26(1):173-180.

* 責(zé)任作者, 博士, yunhuang@cqu.edu.cn

Effect of nutrient solution content of biofilm on algal growth and lipid accumulation

XIONG Wei, HUANG Yun*, FU Qian, ZHONG Nian-bing, ZHU Xun, LIAO Qiang

(1. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400030, China；2.Institute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, China)., 2016,36(8)：2463~2469

Agarose gel were coupled with mixed cellulose (CA-CN) membrane to build a photosynthetic microalgal biofilm reactor containing a two-layer source/substrate structure. The agarose gel layer was used to supply nutrient, while the CA-CN membrane layer was used as the framework for biofilm. The effects of nutrient contents on microalgal growth and lipid accumulation were investigated. As the agar powder content in culture increased from 0.125% to 8% (/), the nutrient contents decreased from 0.62 to 0.25g, the cell diameter decreased from 3.87 to3.35μm, the thickness of microalgal biofilm decreased from 91.23 to 62.33μm, and the water content per unit biofilm thickness reduced by 40.49%. Consequently, the CO2and light transfer resistance of internal biofilm decreased, whereas the areal density of microalgal biofilm was improved from 40.56 to 59.16g/m2(45.86% increase), and the lipid production increased by 63.39%.

mcroalgae；agarose gel；bofilm；lipid

X171,TK6

A

1000-6923(2016)08-2463-07

熊 偉(1990-),男,重慶開縣人,碩士研究生,主要從事微藻生物質(zhì)能源研究.

2016-01-15

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51136007);國家自然科學(xué)基金委國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51561145013);教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(113053A)