雨生红球藻的贴壁培养及诱导其虾青素的合成

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雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种常见的淡水微藻,近年来因其优越的天然虾青素生产能力而受到广泛的关注。目前世界上规模化生产天然虾青素的方法主要为传统的跑道池法和光生物反应器法,但这两种培养方式中的生物量产率低,易污染等问题仍难以解决。本文采用了一种新型的培养方式—贴壁培养,来进行雨生红球藻的培养以及虾青素的诱导。本文研究了贴壁培养中的最佳培养条件,氮源补给策略以及诱导虾青素合成的探索,为贴壁方法规模化培养雨生红球藻提供了理论基础和实验依据。首先探索了在贴壁培养方法中,接种量、光照强度、CO2浓度以及氮浓度对雨生红球藻生长和虾青素诱导的影响。结果表明在接种量为10g·m-2、光照强度为100μmol·m-2s-1时,生物量产率最高能够达到6.62±0.01g·m-2d-1。当光强超过100μmol·m-2s-1时,虾青素含量开始有显著提高。最佳CO2浓度为0.5%,此时的生物量产率达到6.75±0.18g·m-2d-1,高于0.5%的CO2浓度对雨生红球藻的生长无明显的促进作用。不同CO2浓度对虾青素含量的影响不明显,但在环境胁迫条件下,高的CO2浓度可能对虾青素的生成有促进作用。最佳氮浓度为1.77mM,生物量产率达到6.85±0.09g·m-2d-1,在此浓度下细胞能够保持较高的生物量产率,同时使细胞维持良好的生长状态。在无氮条件下,虾青素含量最高能够达到1.45±0.03%,在低于1.77mM的氮浓度下,虾青素含量维持在1.2%以上,表明低于此氮浓度时会促进虾青素的合成。在贴壁培养中,随着氮总量的升高,雨生红球藻的生物量产率也不断升高,当氮总量为3.53mmol时,其最大生物量产率达到7.99±0.03g·m-2d-1;而虾青素含量随着氮总量的升高逐渐下降,在氮总量为0.1765mmol时,最高的虾青素含量为2.27±0.1%。当培养基体积为1L时,生物量产率达到最大值为6.84±0.17g m-2d-1。虾青素含量与产率的最大值在当培养基体积为0.5L时获得,分别为2.19±0.04%与133.22±2.17mg m-2d-1。最终据此确定了在循环培养中的最佳氮元素供给方案为,将0.15g硝酸钠溶于体积为0.5L的培养基中,并推算出供给1m2的雨生红球藻生长需要约30L水量。最后探索了贴壁培养中虾青素的合成效率,并与液体培养诱导虾青素合成进行了比较。发现贴壁培养在虾青素含量绝对值上略高于传统液体悬浮培养,最高能够达到2.32±0.02%,并据此确定了贴壁培养的最佳诱导方案为当藻细胞生物量达到25g m-2时进行6天的诱导,但在虾青素产率方面,单层贴壁培养并没有表现出显著优于传统液体培养的性能。对以上实验结果的分析证明,贴壁培养不仅适用于雨生红球藻的培养,并且相较于传统的液体培养,贴壁培养方法具有更高的生物量产率。在诱导虾青素合成方面,贴壁培养方法能够缩短诱导周期,提高虾青素产量。因此使用贴壁培养方法培养雨生红球藻并诱导虾青素的合成具有非常大的发展潜力。
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