程蔚蘭 邵雪梅 宋程飛 史飛飛 季春麗 李潤(rùn)植
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所,太谷 030801)
氮脅迫對(duì)埃氏小球藻生長(zhǎng)及油脂積累的影響
程蔚蘭 邵雪梅 宋程飛 史飛飛 季春麗 李潤(rùn)植
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所,太谷 030801)
以生長(zhǎng)快、可除污的埃氏小球藻株系SXND-25為試材,研究不同氮濃度培養(yǎng)條件對(duì)其生物量和油脂產(chǎn)量的影響,以期建立優(yōu)化培養(yǎng)體系利用該株小球藻生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生物燃油。以硝酸鈉為氮源、BG11培養(yǎng)基中的氮濃度為基準(zhǔn)(1.5 g/L),設(shè)置氮濃度梯度對(duì)小球藻進(jìn)行培養(yǎng)。通過光密度測(cè)定、尼羅紅染色、轉(zhuǎn)酯化法抽提油脂和GC分析,對(duì)小球藻生物量、油脂含量及脂肪酸組分進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,培養(yǎng)8 d時(shí),在氮濃度為1.5 g/L時(shí),生物量達(dá)到最大,干重為3.4 g/L,而油脂含量?jī)H為28.24%,油脂產(chǎn)量為0.96 g/L;在氮濃度為0 g/L時(shí)生物量最小,干重為0.49 g/L,而油脂含量最高,為44.57%,油脂產(chǎn)量為0.22 g/L;在氮濃度為0.75 g/L時(shí),干重為3.2 g/L,油脂含量為40.36%,油脂產(chǎn)量最高為1.3 g/L,是標(biāo)準(zhǔn)氮濃度下油脂產(chǎn)量的1.4倍。0.75 g/L氮濃度下連續(xù)培養(yǎng)8 d,藻油脂肪酸組成更適于制取優(yōu)質(zhì)生物柴油。綜合生物量、油脂含量及脂肪酸組成等指標(biāo),確定0.75 g/L氮濃度為該埃氏小球藻株系規(guī)?;囵B(yǎng)以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生物燃油的優(yōu)化參數(shù)。
埃氏小球藻(Chlorella emersionii);缺氮培養(yǎng);生物量;油脂積累;脂肪酸組成
小球藻(Chlorella spp.)是一種可自養(yǎng)或異養(yǎng)培養(yǎng)的單細(xì)胞真核綠藻,廣泛分布在世界范圍水系中,具有生長(zhǎng)速度快、光合效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1,2]。小球藻通過光合作用可將CO2轉(zhuǎn)化為高值有機(jī)化合物,用于生產(chǎn)食物、飼料、餌料、高附加值的生物活性物質(zhì)和保健食品,亦是生產(chǎn)可再生生物燃料的良好原料。由于其生物量大、生長(zhǎng)快、易培養(yǎng)、油脂積累多,小球藻愈來愈多地用于規(guī)?;a(chǎn)生物柴油研發(fā)[3,4]。分離培育高生物量、高含油、耐逆境的小球藻藻種和建立可連續(xù)培養(yǎng)的高效培養(yǎng)體系是實(shí)現(xiàn)微藻生物柴油商業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
氮是組成微藻的基本元素之一。在營養(yǎng)元素中,氮元素對(duì)微藻具有十分顯著的影響[5]。在一定條件下,氮濃度升高可以促進(jìn)細(xì)胞生物量增加,但同時(shí)會(huì)使細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)藏物積累量減少,油脂含量降低,特別是極性油脂含量。在缺氮脅迫條件下,微藻生長(zhǎng)減慢甚至停止,細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)藏物大量積累,油脂含量快速增加,并且多為中性油脂[6]。氮脅迫不僅影響細(xì)胞內(nèi)總脂的積累,還對(duì)細(xì)胞內(nèi)的油脂組分產(chǎn)生影響。有研究表明[7]氮脅迫會(huì)促進(jìn)短鏈飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸的積累。而優(yōu)質(zhì)的生物柴油對(duì)脂肪酸組分有一定要求,歐盟的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)[8]EN14214規(guī)定亞麻酸(C18∶3)不能高于12%、多于4個(gè)雙鍵(含4個(gè)雙鍵)的脂肪酸含量不能高于1%。因此,研究不同氮濃度下微藻的油脂含量及組分變化對(duì)于制備優(yōu)質(zhì)的生物柴油具有重要的價(jià)值。
同時(shí)獲得高生物量、高油脂和良好的油脂組分是微藻規(guī)模化生產(chǎn)制備生物柴油難點(diǎn)之一[9]。本實(shí)驗(yàn)室在山西一個(gè)煤化廠附近水體中分離到一株埃氏小球藻(Chlorella emersonii)新株系SXND-25。對(duì)該株系培養(yǎng)及鑒定發(fā)現(xiàn)其具有自絮凝的特點(diǎn),生長(zhǎng)速度是普通小球藻的1.15倍,含油量28%,凈化污水能力強(qiáng),是進(jìn)一步應(yīng)用于生物柴油生產(chǎn)的優(yōu)異種質(zhì)。本研究以本實(shí)驗(yàn)室分離的埃氏小球藻株系SXND-25為材料,用豎直密閉管式光反應(yīng)器進(jìn)行20 L放大培養(yǎng),以BG11培養(yǎng)基為基礎(chǔ),設(shè)置氮濃度梯度,研究不同氮濃度對(duì)埃氏小球藻生長(zhǎng)、油脂積累和油脂組分的影響。旨在找出適宜的氮濃度和培養(yǎng)條件,以獲得小球藻生物量快速增長(zhǎng)、油脂產(chǎn)量較高、適于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生物柴油的油脂組分比例增加的生產(chǎn)指標(biāo)。為該株特色小球藻規(guī)模化培養(yǎng)體系建立,以及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)微藻生物柴油提供科學(xué)依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)藻種為本實(shí)驗(yàn)室從山西一煤化廠附近水體分離和保存的小球藻株系SXND-25,經(jīng)形態(tài)學(xué)和18S RNA鑒定其為埃氏小球藻(Chlorella emersonii)一個(gè)新株系。
1.2.1 培養(yǎng)條件 埃氏小球藻用豎直密閉管式光反應(yīng)器進(jìn)行20 L放大培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度(25±1)℃,濕度45%,光照強(qiáng)度4 500 lux,光暗比16 h∶8 h,CO2含量2%(V/V)。
1.2.2 氮濃度梯度設(shè)置 以BG11中的氮濃度(1.5 g/L)為基準(zhǔn),設(shè)置5個(gè)氮濃度梯度:0 g/L(0 N)、0.375 g/L(1/4 N)、0.75 g/L(1/2 N)、1.125 g/L(3/4 N)、1.5 g/L(1 N),并將STOCK 1中的硝酸鈉替換為氯化鈉,STOCK 2中的檸檬酸鐵銨替換為檸檬酸鐵。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)試驗(yàn)。
1.2.3 接種 在無菌條件下,取一定量處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的小球藻藻液,將其轉(zhuǎn)入離心管中以5 000 r/min離心5 min,將離心后得到的藻團(tuán)用雙蒸水進(jìn)行3次重懸、離心以徹底去除小球藻表面的培養(yǎng)基,之后,分別用少量各個(gè)氮濃度的培養(yǎng)基等量重懸,并接種到對(duì)應(yīng)氮濃度的培養(yǎng)基中,使接種后的藻液干重為0.28 g/L。
1.2.4 生物量及油脂含量的測(cè)定 小球藻共培養(yǎng)8 d,每2 d取樣一次。生物量的測(cè)定方法為:稱量孔徑為0.45 μm混合纖維素脂濾膜的質(zhì)量m0,取一定量的藻液v在濾膜上抽濾去除水分,置于60℃烘箱烘至恒重,稱量濾膜及藻干重m1。根據(jù)公式DW=(m1-m0)/v計(jì)算藻樣干重。根據(jù)得到的結(jié)果計(jì)算干重為5 mg時(shí)所需要的藻液量,并取對(duì)應(yīng)量的藻液用于油脂含量測(cè)定及油脂組分分析,另各取800 μL藻液進(jìn)行尼羅紅染色。
1.2.5 藻粉的制備 將1.2.4中所取藻液,以5 000 r/min 離心3 min,收集藻樣并用雙蒸水重懸洗滌后,將藻樣冷凍干燥。凍干藻粉存入4℃冰箱中保存。
1.2.6 尼羅紅染色熒光拍照 將800 μL藻液與200 μL二甲基亞砜(DMSO),10 μL尼羅紅丙酮溶液(0.1 mg/mL)均勻混合,42℃條件下避光水浴5 min,使用藍(lán)光作為激發(fā)光,在正置熒光顯微鏡下觀察并拍照。
1.2.7 提取油脂與油脂組分的測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)提取油脂的方法是直接轉(zhuǎn)酯化法:將 5 mg凍干藻粉、0.1-0.3 mL 氯仿∶甲醇(2∶1,V/V)、0.1-0.5 mL HCl-甲醇(5%,V/V)依次加入特氟龍密封墊片的玻璃螺紋管中。85℃水浴30 min,冷卻至室溫后,加入 900 μL正己烷。將其在設(shè)定條件為25℃,150 r/min 的搖床上提取 1 h,靜置過夜,取正己烷萃取液,使用氣相色譜儀(GC)測(cè)定脂肪酸組成及含量。
1.2.8 氣相色譜(GC)測(cè)試條件 用 Agilent 7890D進(jìn)行脂肪酸組分分析。色譜柱為 Agilent HP-88 弱極性毛細(xì)管色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);樣品 1 μL 分流進(jìn)樣,分流比1∶40 進(jìn)樣口溫度260℃;使用氮?dú)庾鳛檩d氣,流速為 1.0 mL/min。
計(jì)算各組分的百分含量:峰面積歸一化法。實(shí)驗(yàn)重復(fù) 6 次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果值表示為:平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)(n = 6)。
用干重法測(cè)定不同氮濃度培養(yǎng)下各時(shí)段的小球藻樣品的生物量,結(jié)果(圖1)。顯示,在氮濃度為0 g/L時(shí),小球藻處于基本不生長(zhǎng)的狀態(tài)。在氮濃度為0.375 g/L時(shí),小球藻前2 d生長(zhǎng)較緩慢,從第2天開始生物量快速增加,進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第6-8天時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定前期,生長(zhǎng)速度減慢。其原因可能是培養(yǎng)基中的氮基本耗盡,處入缺氮脅迫狀態(tài)。在氮濃度為0.75 g/L、1.125 g/L、1.5 g/L時(shí),生物量相差不大,小球藻生長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同。即前2 d處于延滯期,生物量增長(zhǎng)較為緩慢。在培養(yǎng)的2-6 d時(shí)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,生物量迅速增加,在第6-8天達(dá)到穩(wěn)定期,生物量增加緩慢。
圖1 不同氮濃度下生物量隨時(shí)間的變化
用尼羅紅染色定性測(cè)試不同氮濃度培養(yǎng)條件下小球藻油脂積累變化。結(jié)果(圖2)表明,在同一氮濃度下,藻細(xì)胞內(nèi)油脂含量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增多。在培養(yǎng)第2天時(shí),A1、B1、C1藻細(xì)胞內(nèi)可以觀察到小油滴,D1、E1基本觀察不到油滴;在培養(yǎng)第6天時(shí),A2、B2、C2藻細(xì)胞內(nèi)油滴清晰可見,D2、E2隱約可見小油滴;在培養(yǎng)第8天時(shí),A3、B3、C3藻細(xì)胞內(nèi)的油滴多且亮,D3、E3藻細(xì)胞內(nèi)油滴較小。由此可知缺氮培養(yǎng)可以促進(jìn)油脂的積累。
圖2 尼羅紅染色顯示不同氮濃度培養(yǎng)條件下小球藻油脂積累變化
取不同氮濃度培養(yǎng)條件下不同時(shí)段的小球藻樣品,定量分析藻細(xì)胞總油脂含量。結(jié)果(圖3)顯示,在同一氮濃度條件下,藻細(xì)胞內(nèi)的油脂含量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加,且氮濃度越低,油脂積累越快,最終的油脂含量也越高。在氮濃度為1.5 g/L時(shí),培養(yǎng)8 d,最終的油脂含量?jī)H為28.24%,而在氮濃度為0 g/L時(shí),油脂含量達(dá)到最大值44.57%(干基),是氮濃度為1.5 g/L時(shí)的1.6倍。
圖3 不同氮濃度下油脂含量的變化
對(duì)不同氮濃度培養(yǎng)條件下各時(shí)段微藻樣品單位油脂產(chǎn)量測(cè)試結(jié)果(圖4)顯示,在同一氮濃度下,單位體積油脂產(chǎn)量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加。培養(yǎng)8 d,單位體積油脂產(chǎn)量最大值出現(xiàn)在氮濃度為0.75 g/L時(shí),達(dá)到1.3 g/L。
圖4 不同氮濃度下單位體積的油脂產(chǎn)量
進(jìn)一步用GC定量分析不同氮濃度培養(yǎng)第8天小球藻脂肪酸組成測(cè)試結(jié)果(表1)表明,小球藻的脂肪酸組成包括C14∶0、C16∶0和C18∶0的飽和脂肪酸,C16∶1和C18∶1的單不飽和脂肪酸,以及C16∶2、C16∶3、C18∶2和C18∶3的多不飽和脂肪酸。隨著氮濃度的降低,飽和脂肪酸占總脂肪酸含量由26.2%降低至18%,其中C14∶0降低了3%,C16∶0含量降低了33%,C18∶0含量增加了2.2倍。N濃度減低也導(dǎo)致單不飽和脂肪酸含量占總脂肪酸含量由11%增加至51%,其中C16∶1含量增加了5.5倍,C18∶1含量增加了3.45倍。在低N或缺N脅迫下,多不飽和脂肪酸含量占總脂肪酸含量由62.8%降至31%,其中C16∶2含量降低了58%、C16∶3含量降低了80%、C18∶2含量降低了44%、C18∶3含量降低了27.5%。單不飽和脂肪酸含量增加及多不和脂肪酸含量減少正是制取優(yōu)質(zhì)生物柴油所要求的脂肪酸組成。顯然,氮脅迫有利于微藻積累更適合制取優(yōu)質(zhì)生物柴油的脂肪酸成分。
表1 不同氮濃度培養(yǎng)條件下藻細(xì)胞各脂肪酸組分的平均含量(%)
已有研究表明氮脅迫促進(jìn)微藻中油脂的積累,但會(huì)導(dǎo)致核酸合成受阻,限制微藻的繁殖與生物量的增加[10]。本試驗(yàn)也證實(shí)這一點(diǎn),即在氮濃度為0 g/L條件下培養(yǎng)3 d干重僅增加了0.12 g/L,生物量增長(zhǎng)極其緩慢。微藻在缺氮培養(yǎng)時(shí),還能極緩慢生長(zhǎng)可能是因?yàn)榻臃N時(shí)細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存了少量氮源。氮濃度為1.5 g/L時(shí),干重增加量為1.82 g/L,是氮濃度為0 g/L增長(zhǎng)量的15倍。很明顯,氮缺乏是限制生物量增加的重要因素。江懷真[11]等研究了不同硝酸鈉濃度對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)f/2培養(yǎng)基中的初始氮濃度達(dá)到150 mg/L時(shí),繼續(xù)增加氮供應(yīng)量并不能進(jìn)一步提高生物量。然而,本研究結(jié)果表明,當(dāng)BG11培養(yǎng)基中初始氮濃度小于750 mg/L時(shí),隨著初始氮濃度的增加,生物量快速增長(zhǎng);當(dāng)初始氮濃度大于750 mg/L時(shí)繼續(xù)增加氮濃度,對(duì)生物量的增長(zhǎng)影響不大。說明在氮濃度較低時(shí),隨著氮濃度的增加生物量會(huì)迅速增長(zhǎng),當(dāng)?shù)_(dá)到一定濃度時(shí),繼續(xù)增加氮的初始濃度,并不能促進(jìn)生物量的大量增加。
氮脅迫不僅影響微藻生物量的增長(zhǎng),而且對(duì)微藻的油脂積累也產(chǎn)生了明顯的影響。劉金麗[12]等研究表明氮脅迫條件下產(chǎn)油柵藻(Scenedesmus dimorphus)油脂含量由22.4%提高到36.3%。趙萍[13]對(duì)三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)培養(yǎng)條件優(yōu)化,經(jīng)缺氮誘導(dǎo)產(chǎn)油,油脂含量由22.19%升高至31.02%。本研究中,隨著氮濃度的降低,該埃氏小球藻(Chlorella emersonii)株系油脂含量由28.24%提高到44.57%,提高后的油脂含量明顯高于其他產(chǎn)油微藻的油脂含量。氮濃度為0 g/L時(shí),由于生物量極少,單位體積內(nèi)的油脂產(chǎn)量很低。氮濃度為0.375 g/L時(shí),雖然生物量低,但由于油脂含量較高,其單位體積的油脂含量也較高,8 d時(shí)達(dá)到0.99 g/L。氮濃度為0.75 g/L時(shí)微藻不僅能獲得相對(duì)較高的生物量,其油脂含量也很高,所以單位體積的油脂產(chǎn)量達(dá)到了1.3 g/L。在氮濃度為0.75 g/L時(shí),氮源相對(duì)充足,沒有因缺氮嚴(yán)重限制微藻細(xì)胞的繁殖。當(dāng)細(xì)胞達(dá)到一定濃度時(shí),因消耗了大量的氮,進(jìn)入了氮限制的條件,這樣就促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)油脂的快速積累。氮濃度為1.125 g/L和1.5 g/L條件下,雖然單位體積的生物量較高,但因細(xì)胞內(nèi)的油脂含量并不太高,單位體積的油脂產(chǎn)量分別為1.05 g/L和0.96 g/L。顯然,在1/2 N濃度時(shí),既獲得了較高的生物量,同時(shí)單位體積的油脂產(chǎn)量達(dá)最高。
氮脅迫對(duì)微藻細(xì)胞的脂肪酸組分及比例也產(chǎn)生了影響。本研究結(jié)果表明,隨著氮濃度的降低,在總脂中飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的比例減少,單不飽和脂肪酸的比例增加。廖啟斌等[14]研究表明,伴隨氮濃度的升高,三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum Bohlin)內(nèi)總脂中多不飽和脂肪酸的比例有所增加,這與本研究結(jié)果一致。梁英等[15]研究了NO3
-濃度對(duì)P. tricornutum MACC/ B226藻株脂肪酸組分的影響,多不飽和脂肪酸占總脂的比例在氮濃度為22.1 mmol/L時(shí)大于氮濃度為17.6 mmol/L時(shí)。這也可以間接地說明,氮脅迫能更好的促進(jìn)微藻中單不飽和脂肪酸的積累。
綜上所述,對(duì)不同氮濃度下微藻的生物量和油脂含量等指標(biāo)的分析顯示,氮濃度為1.5 g/L時(shí)生物量最高,干重為3.4 g/L,是氮濃度為0 g/L時(shí)的7倍,但油脂產(chǎn)量低。油脂含量在氮濃度為0 g/L時(shí)最高,為44.57%,是氮濃度為1.5 g/L時(shí)的1.6倍,然而生物量最低。在氮濃度為0.75 g/L時(shí),既可獲得較高的生物量和油脂積累量,又能獲得更適合制取優(yōu)質(zhì)生物柴油的脂肪酸組成。
綜合不同氮濃度下微藻的生物量、油脂含量及單位油脂產(chǎn)量等分析結(jié)果,可知氮濃度在0.75 g/L時(shí),油脂產(chǎn)量最高達(dá)1.3 g/L,脂肪酸成分也更適合制取優(yōu)質(zhì)生物柴油。因此,0.75 g/L的氮濃度可作為一個(gè)優(yōu)化參數(shù),用于進(jìn)一步建立該特色埃氏小球藻株系商業(yè)化培養(yǎng)體系以期生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生物柴油。
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Effects of Nitrogen Stress on Growth and Oil Accumulation of Chlorella emersionii
CHENG Wei-lan SHAO Xue-mei SONG Cheng-fei SHI Fei-fei JI Chun-li LI Run-zhi
(Institute of Molecular Agriculture & Bioenergy,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801)
Fast-growing Chlorella emersionii strain SXND-25 with great ability of purifying waste water was used as the target microalgae to investigate the effects of culture condition under varied nitrogen(N)concentration on microalgae biomass and oil yield,aiming at establishing an optimized culture system of such valued chlorella for commercial production of high quality biofuels. BG11 medium was used as the standard medium containing NaNO3as nitrogen(N)source(1 N). This new strain of C. emersionii was continuously cultured in the medium containing different nitrogen concentrations in the medium set as 0 g/L(0 N),0.375 g/L(1/4 N),0.75 g/L(1/2 N),1.125 g/L(3/4 N),and 1.5 g/L(1 N),respectively. The biomass,oil content and fatty acid composition of the microalgae were analyzed by means of optical density measurement,Nile red staining,direct ester extraction of oil and GC analysis. When cultured in 1 N-medium for 8 d,the C.emersionii increased its biomass up to the maximum level with 3.4 g/L dry weight(DW),whereas oil content was only 28.24% of DW,with 0.96 g/L oil yield on average. Culture of 8 days at 0 N-medium led to the minimum biomass of the C. emersionii with 0.49 g/L DW,but the highest level of oil accumulation(44.57% of DW)and small average oil yield(0.22 g/L). Notably,cultivation of 8 d in 1/2 N-medium resulted in the C. emersionii to achieve high biomass(3.2 g/L DW)and moderate oil contents(40.36% of DW),but the highest oil yield of 1.3 mg/L on average. which was 1.4 folds of oil yield cultured in the standard medium(1 N). Moreover,the fatty acid profile in the Chlorella cultured in 1/2 N-medium for 8 d was detected to be more suitable for production of high-quality biodiesel. In conclusion,comprehensive analysis of various indexes including biomass,oil content and oil yield per unit demonstrates that 0.75 g/L nitrogen concentration can be used as an optimized parameter for developing an effective cultivation system of this special Chlorella strain in producing high-quality biodiesel at large scale.
Chlorella emersionii;nitrogen-deficient cultivation;biomass;oil accumulation;fatty acid components
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0519
2017-06-22
國家“948”項(xiàng)目(2014-Z39),山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(FT-2014-01),山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201603D312005)
程蔚蘭,女,碩士研究生,研究方向:微藻生物能源;E-mail:503491969@qq.com
李潤(rùn)植,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:生物能源與代謝工程;E-mail:rli2001@126.com
(責(zé)任編輯 狄艷紅)