能源危机及全球气候变化成为国际社会必须共同面对的两大难题。藻类生物能源可能为寻求解决此类问题提供绿色,低碳及可持续发展的工艺路线和技术储备。作为地球上最古老的生物,藻类具有吸收太阳光能和二氧化碳以生成生物燃料及高附加值生化产品的能力。　　通过整合组学信息,生化工程,生物化学及数学建模等多种学科手段,搭建生物科学与工程科学综合平台,让藻类技术能够从实验室研究迈向工业化应用。　　本论文基于上述理念主要开展了以下几个方面的研究并取得了一些成果:　　(1)藻类的培养与生理条件的优化:选择实验室规模培养三种具有代表性的微藻(蓝藻铜绿微囊藻,绿藻布朗葡萄藻,硅藻三角褐指藻),考察在不同环境因子(pH、CO2浓度、硝酸钠浓度、有机碳源)等条件下细胞生物量、干重、总脂、脂肪酸含量和组成的分布情况。确定三种藻的吸光度与其细胞干重间的线性关系,利用响应面和最优化方法确定最适合的反应条件以及营养元素配比。　　实验结果表明布朗葡萄藻可以利用不同的碳源进行生长,其中葡萄糖的最适浓度为20mmol/L,光照强度为5000lx,CO2与空气的混合比以3%为宜,温度为25℃,同时硝酸盐比铵盐更适合藻类的生长。铜绿微囊藻的最适反应条件为BG-11培养基中,3%的CO2气体混合比,光照3000lx,所获得最大比生长速率可达到0.08h-1。三角褐指藻在改进的f/2培养基中最适合的培养条件是pH为90,光照强度为3000lx,CO2与空气的混合比大于5%,温度则在18℃,所产生的生物量可达到0.7g/L,比生长速率为0.12h-1。　　以实验室试验结果获得的优化培养条件为基础,进行了中试研究,采用气升式光生物反应器进行连续培养,获得规模化培养结果,同时分析了产品的油脂积累等相关参数。　　(2)藻类叶绿素荧光的在线分析与生物大分子的测定　　藻类的荧光参数是决定其光合效率和物质合成的重要衡量手段,蓝绿藻对红光和蓝光具有较高的吸收。本论文采用全自动叶绿素荧光生物反应器分析不同藻种的叶绿素荧光,通过实验获得的铜绿微囊藻在蓝光下的最大荧光产率为15150,红光最大荧光产率为3840,其生物量分别为O.812g/L和0.714g/L。　　通过分光光度法测定了生物大分子(碳水化合物、蛋白质、叶绿素a)相对含量随培养时间的变化。　　(3)油脂的积累和脂肪酸分析　　利用氮胁迫作用分别考察不同藻类对于酯类积累的影响以及脂肪酸类型的分布,同时对目前在油脂方面研究较少的铜绿微囊藻进行了全面系统的培养与油脂分析,结合不同提取方法来大量的获得藻油。其中布朗葡萄藻在氮胁迫的条件下总脂含量为44.8%,脂肪酸以饱和的C16、C18为主,而铜绿微囊藻则含有较多的单不饱和脂肪酸总酯含量为C16:1,总酯含量为22.3%,三角褐指藻总酯含量最高可达33.8%,其中以C14:0,C16:1,C18:2以及EPA为主。　　(4)根据已经完成测序的硅藻三角褐指藻全基因信息,结合KEGG等代谢途径数据库对三角褐指藻进行网络重构,所构建的数学模型包含288个反应,286个代谢物,补充了21个交换反应,通过查阅文献和具体实验设定了生物量方程。这个模型是第一个建立的硅藻核心代谢网络重构模型,以此为基础,利用系统生物学软件COBRA进行模拟计算获得了不同生长条件下三角褐指藻的生物量最大值,关键调控基因等信息,模拟结果与实验数据具有相似性,能够为获得目标产物提供理论支持。　　(5)对主要的模式微生物大肠杆菌、真核生物酵母菌以及光合生物硅藻三角褐指藻所重构的全基因组代谢网络进行比对,从而确定这些物种共同的核心代谢网络途径,以及不同的基因,代谢途径和细胞内生物反应个方程组,为预报藻类在不同基因型和生长条件下最优光合碳同化和油脂机理等提供实验设计的平台。　　(6)基于上述实验结果分析,发现了以下几个藻类生长,代谢与油脂积累方面的机理,以此建立了响应面法构建藻类培养动力学理论。　　结论:后基因组时代生物系统及生物工程研究以组学技术,计算机科学,工程科学和生命科学的紧密结合为特征,以高通量筛选,高通量培养和高通量测量为关键工具,考察从基因,蛋白质,代谢物到细胞和环境对生物系统的调控作用,决定藻类生物柴油及高附加值生化产品生产所需的最佳生理生化条件。本研究以此为主线,研究了藻类生物能源生产的诸多影响因子,发现了影响其生长的动力学模型,同时关注计算机模拟对于实验结果的预测,用以优化实验设计。　　本论文建立的研究方法还有可能推广到其它藻种,例如小球藻和微拟球藻,生产生物柴油的机理解析,以及藻类生产其它生物燃料,例如生物乙醇和航空生物燃料的工艺开发。