【摘 要】
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微藻能够通过光合作用高效固定CO2合成有机物,包括多糖、蛋白质、脂类和类胡萝卜素等,是食品和化工产业的重要原料资源。与陆地植物相比,微藻的光合作用效率是其10-50倍,并且以不到植物总量1%的水平贡献了超过70%的地球氧气。除此之外,微藻还具有环境适应能力强、可以利用咸水或半咸水培养、不与经济作物抢占耕地等优点。碳源是微藻生长的重要因子,微藻对碳源的吸收直接关乎其光合作用效率及培养成本,尤其是在“
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微藻能够通过光合作用高效固定CO2合成有机物,包括多糖、蛋白质、脂类和类胡萝卜素等,是食品和化工产业的重要原料资源。与陆地植物相比,微藻的光合作用效率是其10-50倍,并且以不到植物总量1%的水平贡献了超过70%的地球氧气。除此之外,微藻还具有环境适应能力强、可以利用咸水或半咸水培养、不与经济作物抢占耕地等优点。碳源是微藻生长的重要因子,微藻对碳源的吸收直接关乎其光合作用效率及培养成本,尤其是在“碳中和、碳达峰”的双碳经济运行的背景下,通过提高微藻培养过程中碳源的利用效率进而促进其生物量产量,对于发展微藻产业,降低微藻培养成本十分重要。本研究基于上述背景,以探索提高微藻培养体系中碳源的供给能力和藻细胞对碳源的转化效率为出发点,在确定了碳酸酐酶（CA）在CO2传质和吸收过程中的作用基础上,从环境中筛选出能够分泌胞外碳酸酐酶的共生菌,进行菌的分离与鉴定,前后优化了藻菌共生体系的构建条件及其对二氧化碳利用效率的影响,并采用固定化藻菌体系进行了验证。主要结果如下:1、外源碳酸酐酶表达菌的筛选与鉴定从藻生环境（湖水和土壤）中分离筛选出了六株具有胞外碳酸酐酶活性的细菌。以胞外碳酸酐酶活性为参考选出三株酶活均高于2.0 U m L-1的菌株,分别编号为YD-1、YD-4、YD-6。通过测序鉴定判断这三个菌株均属于革兰氏阳性菌,其中YD-1与短小芽孢杆菌Bacillus safensis同源（99%）;YD-4与法埃尼冷杆菌Frigoribacterium faeni（94%）相似,属于Frigoribacterium.（冷杆菌属）,微杆菌科,是一种放线菌;YD-6与地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis同源（99.86%）、也与副地衣芽孢杆菌Bacillus paralicheniformis（99.86%）有较高的相似性,且YD-6与YD-1均属于Bacillus sp.（芽孢杆菌属）。2、藻菌共培养体系的构建及对微藻碳源利用的影响藻菌接种比例的研究结果:将筛选的具有碳酸酐酶活性的细菌分别按照藻菌细胞个数比1:10、1:1、10:1进行组合培养。结果显示,三株细菌对小球藻的生长、油脂含量和胞外碳酸酐酶活性活性均有影响,且添加细菌细胞的组合培养比添加含同等细菌数量的上清液的促进效果更明显。当藻菌比例为1:10时,小球藻+YD-1培养体系的最大藻细胞密度为6.55×10~7 cells m L-1,比小球藻纯培养体系（对照组）、小球藻+YD-4培养体系分别提高了54.48%、9.71%,与小球藻+YD-6培养体系相近;小球藻+YD-1培养体系的胞外碳酸酐酶活性较对照组提高了了55.19%。可以看出,藻菌比为1:10的小球藻+YD-1培养体系对小球藻生长促进效果明显。细菌促进小球藻碳吸收机制研究:对小球藻+YD-1培养体系和对照组的基因差异表达结果及差异基因富集的代谢通路分析发现,小球藻+YD-1培养体系中微藻光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的亚基蛋白载脂蛋白等基因表达量增加,光合作用电子传递链加强,ATP的合成量上升,加强了小球藻的光合作用,说明细菌YD-1的加入增加了胞外碳酸酐酶活性,促进了小球藻对CO2的吸收,提升了小球藻的光合作用。3、固定化菌球与小球藻组合培养体系构建及效果验证利用海藻酸钙凝胶包埋法对YD-1细菌细胞进行包埋固定,通过对包埋4 h、12h和24 h固定化菌球的物理指标和碳酸酐酶活性测定,获得了最适宜的包埋时间为12h。以7 d为一个培养周期,在第一个周期中小球藻的最大藻细胞密度和胞外碳酸酐酶活性分别为5.62×10~7cells m L-1和4.32 U m L-1,较对照组分别提高了40.80%和42.11%。将固定化菌球回收进行二次培养,小球藻的最大藻细胞密度和胞外碳酸酐酶活性分别提高了31.46%和34.09%。培养14天后,固定化菌球仍能保持90%的碳酸酐酶活性。可以看出固定化菌球对小球藻的生长有促进作用,为微藻的大规模培养提供了一个有效的降低碳源成本的方法。
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