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纳米颗粒强化微藻生长与油脂积累及其机制探究

戴英奇  
【摘要】:目前,能源短缺仍是当今世界面临的重要问题,微藻生物柴油等可再生能源是解决能源问题的一个重要途径。微藻油脂含量是制约生物柴油产率的关键性因素之一,有效提高微藻油脂含量依旧是微藻生物能源领域亟需解决的瓶颈技术难题,本研究创新性的采用光催化纳米颗粒作为处理微藻的一种技术手段,其目的是为了有效促进微藻的油脂积累,同时对其促进作用机理进行探索,以期为进一步的研究提供理论指导和技术支持。首先,以实验室保存的一株生长较快的富油栅藻Scenedesmus sp.H-1作为研究对象。分别研究其在不同的条件(光源,纳米颗粒,颗粒浓度,光强,光照时间)下的生物量和油脂产量的变化规律,从而确定了促进微藻油脂积累的最佳条件:最佳光源为氙灯,最佳纳米颗粒为SiC,最佳颗粒浓度为150mg/L,最佳光照强度为5000Lux,最佳光照时间为8h。同时,还考察了在最佳条件下纳米颗粒对微藻生物量和油脂产量的影响,试验组微藻相较于对照组微藻的生物量由2.6g/L增加到了3.18g/L,提高了22.31%;油脂产量由0.9g/L增加到了1.28g/L,提高了42.22%;微藻的油脂含量从34.62%提升到了40.25%。在确定纳米颗粒处理的最佳参数后,对纳米颗粒促进微藻产油的机制进行了初步探索,主要从纳米颗粒处理后微藻对底物的利用速率、微藻细胞结构的变化、细胞表面元素含量的变化、细胞通透性的变化、油脂组成成分、细胞组分、细胞色素,pH和氧化还原电位变化以及关键酶含量变化等方面进行分析。研究结果表明,纳米颗粒的加入导致微藻细胞体积变大,可能由于光催化作用刺激了细胞的生长,代谢加强,提高了底物利用率,在第四天二者碳源的浓度差为1.83g/L,第二天二者氮源的浓度差为23.77mg/L;同时抗逆性增强,在营养物质被消耗尽有毒物质大量积累的凋亡期,微藻细胞依然保持较高活性;且在生长过程中氧化还原电位降低,叶绿素a和叶绿素b的含量分别是原有的1.88和2.02倍,这些因素共同导致了微藻生物量的升高。经研究发现,由于使用氙灯和磁力搅拌器,微藻表面变得粗糙,推测可能分泌了更多的胞外多糖,相较于对照组,试验组的微藻胞内蛋白降低了28.3%,胞内多糖降低了13.61%,合成蛋白和多糖的物质更多的被用来合成油脂;同时还提高了微藻生长过程中的pH,在pH较高的情况下,微藻更倾向于油脂的积累;最有意义的是,油脂合成的关键酶乙酰辅酶A羧化酶的酶活性提高了11.01%,这可能是微藻强化产油的最主要的原因。本研究为提高微藻油脂含量和细胞生物量提供了一种新的策略,为微藻产油的产业化发展奠定了良好的实验基础。


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