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随着人类长期无节制地使用化石燃料,地球历经亿万年累积下来的石油、天然气和煤炭正日益走向枯竭。与此同时,由其引发的全球气候变暖加剧,使得研发可持续利用的清洁能源受到广泛的关注。微藻,作为第三代制备生物柴油的原料,以其生长周期短、脂类含量高、可固定二氧化碳、土地需求量少等突出的优势进入了科学家的视野。
硅藻作为一类单细胞真核藻类,其生产力占海洋初级生产力近40%,固定的二氧化碳量可达到世界上所有热带雨林量的总和。硅藻生境广泛,物种多样性丰富,培养形式多样,且以生物柴油制备的首选原料——中性脂为其能量储存的主要形式,加之硅藻壳还可作为高价值材料用于制作半导体、生物传感器、太阳能电池等。因此硅藻作为能源微藻藻种具有巨大的潜力。
本论文以硅藻为基础进行能源微藻的筛选及培养工作,其研究结果如下:
1)从不同生境的水样和泥样中新分离了14株硅藻,2株中心纲(包含海链藻属和双尾藻属),12株羽纹纲(包含曲壳藻属、菱形藻属、斜纹藻属、菱板藻属、褐指藻属、卵形藻属、普氏藻属、舟形藻属和双眉藻属)。其中,普氏藻(Proschkiniabuluheimii)、柔软舟形藻(Navicula mollis)、盐生舟形藻(Navicula halophila)和普氏藻(Proschkinia sp.)可生长于盐度高于120‰的水域。
2)测定了21株硅藻的生物量及粗脂含量,包括14株新分离的藻株和7株实验室藻种库已保存的藻株。筛选结果表明粗脂含量超过细胞干重20%的有15株,其中美丽曲壳藻(Achnanthes amoena)和普氏藻(Proschkinia sp.)的粗脂含量超过细胞干重的40%,分别为48.61%和41.42%。综合考虑生物量、粗脂含量以及生产成本等因素,奇异棍形藻(Bacillaria paradoxa)、柔软舟形藻(N.molli)、盐生舟形藻(N.halophila)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)可能成为适于生物能源生产的候选藻种。
3)以奇异棍形藻(B.paradoxa)为材料探究藻细胞培养期间油脂的积累过程。实验表明油脂的积累始于生长稳定期,且培养基中氮、磷和硅的含量与油脂的积累有显著的负相关性。其中硅的消耗速度最快,在指数生长期的第二天,培养基中硅含量减少一半,而第六天形成硅饥饿状态,细胞生长进入稳定期。
4)以假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)为材料探究二氧化碳浓度对藻细胞生长及油脂积累的影响。实验表明随着二氧化碳浓度的增高,藻体的适应期也在延长。藻细胞在5% CO2浓度下生长最为迅速,且在该条件下培养六天的细胞粗脂含量最高,可达31%(干重)。
5)建立了以Nile red染色法为基础的能源硅藻筛选体系,并探究了染色效果的可靠性。确定染色条件为:以终浓度为1μg·mL-1的Nile red试剂,在黑暗孵育10 min后选取530 nm激发光测定目标藻种在575 nm处发出的荧光强度。