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雨生红球藻生物学特性的高密度效应

张展  
【摘要】: 虾青素作为饲料添加剂、天然食用色素和生物保健品活性成分,具有很好的应用前景,目前国际市场上价格昂贵,供不应求。雨生红球藻是虾青素的良好资源。但是,由于种种原因限制,红球藻细胞培养仍然不很理想,成为限制工程规模放大和开发该生物资源的瓶颈。 高密度培养是突破上述瓶颈的关键一环。然而,现在的高密度体系还十分脆弱、产量也很不稳定。其原因在于细胞自由空间减少后,培养体系的矿物质供求动力学、碳源补偿方式、气体平衡与交换等都发生了很大变化,导致细胞生物学特性在高密度体系中也发生了相应改变。而目前国内外对上述变化还知之甚少。为此,我们利用5cm光径平板式光生物反应器,在室内人工光照、通气条件下,建立红球藻高密度培养体系,采用传统的微藻生理学研究方法和相关指标,研究了高密度对雨生红球藻培养中生长指标、藻细胞的个体及群体的适应行为的影响,以及高密度体系中红球藻对无机氮源的吸收利用。初步探讨了高(超高)密度体系中雨生红球藻表现出的生物学新特性的变化。 结果发现,高密度条件下,表述微藻生长的传统指标出现失真现象,这主要是由于红球藻在适应密度增高导致的光能减弱过程中采取了二种完全不同的适应方式,即个体协同群体利益的适应方式和个体背离群体利益的争夺适应方式;单个藻细胞获得光能的多少决定何种适应方式,其中,2.4×109 photons s-1cell-1、3.6×109 photons s-1cell-1、4.8×109 photons s-1cell-1、和6.0×109 photons s-1cell-1为几个关键光值。具体结果如下: 1、 通过分析细胞数量、叶绿素含量、细胞大小及干重四种最传统生长指标,我们发现上述任何传统生长指标都存在局限性,都不能及时、完整、准确地反映高密度情况下的生长信息。 2、上述造成叶绿素或细胞数量等指标有时反映出生长信息失真,主要是由 WP=6 于随着密度增高,细胞间的互相遮蔽作用加剧,单个藻细胞所能获得的光能逐渐减少导致的。 3、细胞在适应光能减弱的过程中,无论藻细胞体积大小还是单个藻细胞叶绿素含量都发生了明显变化。 4、发现微藻细胞群体和个体之间存在二种完全不同的高密度适应方式,分别是协同适应方式和争夺方式。 5、红球藻对两种方式的选择与光照对细胞繁殖动力学的影响有关。相对低的光照强度,使得培养体系中的红球藻在短暂增殖后很快就处于极度缺光状态,从而直接采取第二种争夺方式。 6、本实验条件下,无论密度如何,单个细胞获得的初始光能在2.4 ~ 4.8×109 photons s-1cell-1之间的高密度体系均首先采取第二种方式;而单个细胞获得的初始光能在4.8 ~ 6.0×109 photons s-1cell-1之间的高密度体系均首先采取第一种方式。以单个细胞光能表述的采取适应方式的临界点大约为4.2~4.8×109 photons s-1cell-1。个体藻细胞采取第一种方式所需的平均光能在3.6~4.8×109 photons s-1cell-1范围内;采取第二种方式细胞所需的平均光能在2.4~3.6×109 photons s-1cell-1范围内。两种适应方式均出现时,转折点的细胞平均光能在3.3~3.5×109 photons s-1cell-1。 7、在相同条件下红球藻高密度体系培养液中的无机氮源要比低密度体系消耗得快;维持雨生红球藻游动性的无机氮总浓度在50 μmol/L以上。


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