大量和无节制地使用化石燃料使得大气中CO₂浓度不断升高,产生温室效应并使全球气候变暖,给全球环境带来了严重的破坏。另外,由于化石燃料的不可再生性,在不久的将来能源危机必然会成为现实。利用生物技术来改变当今由化石燃料和化学工业所主导的世界发展格局具有重要的意义,特别是利用以微藻为首的微生物来解决能源问题具有非常大的潜力和可行性。本文以能够自养和异养生长的原壳小球藻为出发藻,以获得高油脂含量和产率的异养培养过程为研究目标,从藻种的筛选到培养过程的优化进行了系统性研究,并对盐胁迫下胞内油脂过量积累的机理进行了深入的分析。首先,基于低场核磁共振技术,建立了原壳小球藻胞内油脂快速定量的方法。结果表明低场核磁共振信号与原壳小球藻细胞中的油脂量具有显著的线性相关性,信号校正中线性回归相关系数R²达到0.99以上,且油脂定量结果与标准的GC-MS法所测得结果偏差小于2%,结果的相对标准偏差也在2%以内。此外,该技术还能够用于微藻培养液中胞内油脂快速、直接和无损的定量中,并成功地实现了原壳小球藻异养培养过程中油脂浓度实时和动态的监测,对于过程优化有重要的应用价值。其次,对具有高油脂积累特性的原壳小球藻进行了育种研究。将新型的常压室温等离子体诱变技术应用到原壳小球藻的诱变育种过程中,此后提出了一种基于尼罗红染色初筛和低场核磁共振技术复筛的快速和高效复合筛选流程。即,先利用能够进行高通量筛选的尼罗红染色法从诱变藻株中初筛获得了3098个具有较高油脂含量的突变株,然后从中选取了1003了产油性能较优的突变株作为候选藻株,再次利用低场核磁共振技术进行复筛,最终获得了8个油脂含量比野生株高出80%以上的新藻株,其中3株无论在摇瓶稳定性验证还是在5L反应器的放大培养验证中,都具有非常好的产油性能。获得了高产油藻株后,对培养基进行了优化,主要考察了培养基中主要营养物碳、氮和磷源对细胞生长和产油的影响。结果表明磷缺乏会限制生物量的积累,但不会促进胞内油脂的积累。与此不同,氮缺乏对胞内油脂积累具有显著的促进作用,使得油脂的含量和对葡萄糖得率分别从氮充足下的20%和100 mg/g提高至28-30%和130-140 mg/g的水平。此外,培养基中的葡萄糖浓度也会对细胞生长和油脂生产有重要影响,维持培养基中营养物合适浓度和比例是提高油脂生产效率简单而有效的技术手段,由此确定了分批培养中氮充足培养基中葡萄糖、硝酸钠和磷酸氢二钾的最佳初始浓度分别为50,5和1.0g/L,在此条件下细胞最大比生长速率能够达到0.77 h-1,油脂得率为104.7 mg/g；而氮限制培养基中NaNO3浓度则降为4.0g/L,油脂含量和得率分别比氮充足条件下能够提高了45%和35%以上。培养基优化基础上,对原壳小球藻异养产油培养过程进行了全面优化。在供氧的研究中,发现高供氧有利于细胞生长,但不利于胞内油脂的积累,因此提出了一个两阶段的氧供应策略,即生长期提供充足供氧,而油脂积累期维持低供氧。将此两阶段供氧策略应用到补料分批培养中,并结合氮限制策略的综合应用,最终在5L反应器中培养192h后最大细胞浓度能够达到91.4g/L,油脂含量和产率分别高达36.8%和175.2 mg/L/h。此外,在异养培养的过程中,还提出了一个异养与自养耦合的双模式培养策略,即将异养产生的富含C02的尾气作为自养培养中所需的碳源。通过此双模式策略的应用,不仅提高了有机碳源的利用效率,而且还降低了CO₂的排放。再次,对能够促进原壳小球藻异养细胞中油脂积累的环境因子进行了探索和研究。发现在对数生长末期施加30g/L的NaCl胁迫能够非常有效地促进胞内油脂的积累,最终胞内油脂含量和得率分别高达41.2%和185.8 mg/g,为对照中的4.1和1.9倍。此后,将盐胁迫与渗透压胁迫效果进行比较研究,通过胁迫条件下胞内氧化应激响应、重要代谢途径中关键酶活以及细胞组分变化的多层次分析,总结并提出了异养原壳小球藻盐胁迫下油脂大量积累的机制,即由胞内过量ROS介导的细胞生长及胞内物质和能量由碳水化合物储存向油脂积累的转变。最后,将盐胁迫促进胞内油脂积累的效果在5L反应器上进行了放大和验证,并利用基于De novo转录组测序和分析技术以及代谢物组数据,对盐胁迫下油脂积累的分子机制进行了研究。结果表明,在细胞的对数生长期、稳定期及盐胁迫期,共有1742个基因发生显著差异表达,其中488个基因在胁迫后才发生了显著的上调表达。然后,对胁迫前后差异表达的基因进行了GO、Pathway和KEGG代谢网络的分析和注释,并结合中心碳代谢途径中主要中间代谢物浓度变化的分析,表明盐胁迫下细胞生理和代谢特性发生显著变化,且脂肪酸合成代谢、碳水化合物分解代谢和磷酸戊糖等途径通量明显增强,是油脂积累的直接原因,而TCA循环和核酸代谢途径的减弱则抑制了细胞生长,是油脂积累的间接原因,从分子水平上更加系统和全面地阐明了盐胁迫下油脂积累的机制。