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微藻油脂合成策略及暗发酵细菌—微藻耦合产能研究

任宏宇  
【摘要】:化石能源的使用造成了严重的环境污染和气候变化问题,亟需寻求清洁、可再生的新型替代能源以减少对化石能源的依赖。生物柴油由于其零碳排放和环境友好性受到了广泛关注。微藻的油脂产率远高于普通油料作物,被认为是生产生物柴油最有前景的原料之一。然而,生长迅速、高油脂含量微藻藻株的缺乏以及高培养成本一直是制约微藻柴油技术规模化发展和应用的关键。暗发酵制氢会产生大量难以利用的小分子有机酸等副产物,这抑制了产氢过程且对环境存在潜在的危害性。小分子有机酸是生产微藻油脂的合适原料,将暗发酵制氢与微藻产油相结合,同时解决了原料短缺与产物抑制两个限制问题,可提高底物的利用效率和系统的产能能力,对加快生物能源技术的产业化步伐有重要意义。通过高通量筛选技术从88株微藻藻株中筛选出一株高油脂含量藻株R-16,经形态学分析和分子生物学鉴定将其命名为栅藻R-16 (Scenedesmus sp. R-16)。同时研究了不同营养因子和生态因子下藻株R-16的细胞生长和油脂积累规律。研究表明:该藻株能利用多种碳源和氮源进行生长和油脂积累,其最适的碳源和氮源分别为葡萄糖和硝酸钠。藻株R-16表现出了对葡萄糖浓度的高耐受性(100 g/L)和较宽的pH耐受范围(4.0-11.0)。氮饥饿促进了微藻油脂的大量积累,最高油脂含量达52.6%。在适应期和稳定生长期,油脂浓度的增长主要来自藻细胞的增加,而在稳定期微藻主要进行油脂的积累。针对传统油脂含量测定方法和尼罗红荧光染色法的局限性,开发了超声波技术和三维荧光光谱相结合快速检测微藻油脂含量的新方法。对影响荧光染色的关键因素进行优化,并建立了油脂浓度-荧光强度的关系曲线。研究表明:荧光强度与油脂浓度间有显著的线性关系(R2=0.9957),与传统的尼罗红荧光染色法相比,这种方法能高效破损微藻的细胞壁并显著改善染色效果。探讨了在不同培养模式和金属离子等条件下微藻的油脂合成调控和能量转换规律。混养模式的生物量和油脂产率高于异养模式、厌氧模式和自养模式,但混养模式消耗了大量光能,在异养模式中获得了最高的能源转化效率。Fe3+、Mg2+和Ca2+对微藻的细胞生长和油脂产量有重要影响,向培养基中添加乙二胺四乙酸(EDTA)能增强铁离子和钙离子的溶解性,使其更易被微藻利用,进而促进了油脂的积累。与未添加EDTA的对照组相比,油脂含量和油脂产率分别提高了28.2%和29.7%。构建了暗发酵细菌和微藻耦合产能工艺体系。以葡萄糖和不同类型的淀粉为底物,哈尔滨产乙醇杆菌B49 (Ethanoligenens harbinense B49)和混合菌种分别被用于暗发酵阶段来生产氢气,暗发酵废液中的末端代谢产物主要是乙酸和丁酸/乙醇,这些产物被栅藻R-16进一步用于生长和油脂积累。在混合菌种和微藻一步法产能体系中,混合比例、淀粉浓度和初始pH对产氢和油脂积累有重要作用,一步法体系可消耗多数制氢过程产生的代谢产物。与暗发酵制氢相比,耦合体系可显著提高系统的能源转化效率。此外,对暗发酵制氢和一步法体系的群落结构进行了分析。


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