光語(yǔ)帶你認(rèn)識(shí)微藻?
第三篇——微藻培養(yǎng)簡(jiǎn)介
單位：上海光語(yǔ)生物科技有限公司
微信公眾號(hào)：Leadingtec
作者：俞建中（微信號(hào)：Scophy117）
雖然是簡(jiǎn)介，本篇的題目還是有些大了，不過(guò)題目大了，內(nèi)容可以少點(diǎn)嘛！就簡(jiǎn)單講講微藻的營(yíng)養(yǎng)代謝種類(lèi)、培養(yǎng)需要的因子和常見(jiàn)的養(yǎng)殖模式。
這篇的內(nèi)容多少專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)了一點(diǎn)點(diǎn)，內(nèi)行可以直接略過(guò)不看，志在做內(nèi)行的外行可以掃一眼。
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本篇參引資料文中部分有提及，多數(shù)涉及篇幅未有列出。
都是文字不合適，準(zhǔn)備摻點(diǎn)無(wú)關(guān)的圖進(jìn)去，如無(wú)特殊注明，圖片均引自網(wǎng)絡(luò)。
微藻的培養(yǎng)，首先需要了解微藻的生物學(xué)習(xí)性，尤其是它的營(yíng)養(yǎng)方式和所需的營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件，進(jìn)而根據(jù)所知的信息和所要求的目的，設(shè)計(jì)養(yǎng)殖設(shè)施與工藝、實(shí)施生產(chǎn)。
- 營(yíng)養(yǎng)方式——自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)
微藻的營(yíng)養(yǎng)方式主要有三種：（光合）自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)。
自養(yǎng)：微藻利用光進(jìn)行光作用，將CO2（無(wú)機(jī)碳）和水，在光能的作用下合成有機(jī)物（葡萄糖），這種獲取能量的營(yíng)養(yǎng)生活方式稱(chēng)之為光合自養(yǎng)(Photoautotrophy)，比如我們常見(jiàn)的綠色植物——花草樹(shù)木這些，絕大多數(shù)是以此營(yíng)養(yǎng)方式為主。
異養(yǎng)：有些微藻種類(lèi)能夠在不需要光的情況下，利用簡(jiǎn)單的有機(jī)碳，比如葡萄糖、氨基酸等作為碳源和能源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，此稱(chēng)之為異養(yǎng)(Heterotrophy)。
兼養(yǎng)：而微藻有光存在的情況下，同時(shí)利用CO2和有機(jī)碳進(jìn)行生長(zhǎng)代謝的營(yíng)養(yǎng)方式，稱(chēng)之為兼養(yǎng)（Mixotrophy）。（兼養(yǎng)有人稱(chēng)之為混養(yǎng)，不過(guò)一般情況下，混養(yǎng)指的是兩種以上藻類(lèi)混合培養(yǎng)，英文單詞叫co-culture或mixed culture，講的是培養(yǎng)的類(lèi)型，而不是營(yíng)養(yǎng)的方式）
光自養(yǎng)生物定義為只需要光和無(wú)機(jī)物就能生長(zhǎng)，一小部分藻類(lèi)具有氧化無(wú)機(jī)化合物獲取能量的能力，被稱(chēng)之為化學(xué)自養(yǎng)。絕大部分微藻種類(lèi)都屬于光自養(yǎng)類(lèi)別，但實(shí)際上藻類(lèi)生長(zhǎng)依然需要攝入極少量的有機(jī)物（如維生素類(lèi)）。
異養(yǎng)生物需要通過(guò)利用其他生物生產(chǎn)的有機(jī)物獲取能量同化外界物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)繁殖，某些藻類(lèi)能耐受高濃度的有機(jī)物濃度來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)代謝活動(dòng)，如DHA發(fā)酵藻種寇氏隱甲藻（Mendes et al., 2009）。
同時(shí)存在一種光異養(yǎng)（Photoheterotrophic）方式，生物體需要在利用光能來(lái)吸收利用有機(jī)物和/或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
兼養(yǎng)生長(zhǎng)通常定義為光自養(yǎng)加異養(yǎng)，有機(jī)物和CO2能夠同時(shí)被利用。而實(shí)際上因藻類(lèi)不同而存在不同情況，有報(bào)道索羅金小球藻（C.sorokiniana）在夜間（無(wú)光）進(jìn)行異養(yǎng)，而在白天（有光）進(jìn)行兼養(yǎng)；但三角褐指藻在有光的情況下能實(shí)現(xiàn)兼養(yǎng)，同時(shí)利用有機(jī)物和CO2，但在無(wú)光的情況下，有機(jī)物無(wú)法被利用，即三角褐指藻的兼養(yǎng)過(guò)程中有機(jī)物的利用依賴光的存在，是一種光異養(yǎng)方式。
- 微藻生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境因子需求
對(duì)于微藻養(yǎng)殖所需的最佳營(yíng)養(yǎng)需求，幾乎從微藻養(yǎng)殖進(jìn)入研究領(lǐng)域之后就開(kāi)始了。最初的時(shí)候，就開(kāi)始利用土壤浸出液作為藻類(lèi)培養(yǎng)的基液，學(xué)者Vonshak總結(jié)了微藻養(yǎng)殖所需培養(yǎng)基的幾個(gè)基本要素：
- 培養(yǎng)基的總鹽度：由所養(yǎng)藻類(lèi)原始生活地的環(huán)境決定（即盡可能模擬其生活的“土著”環(huán)境）；
- 培養(yǎng)基的化學(xué)組成：由K+、Mg2+、Na+、?Ca2+、SO42－和Cl－等離子組成；
- 碳源：如硝酸鹽、氨、尿素等；
- 碳源：如CO2、HCO3–（異養(yǎng)則為葡萄糖、乙酸等有機(jī)碳源）；
- pH；
- 微量元素與螯合劑；
- 維生素。
此外還需要關(guān)注的是：
- 所補(bǔ)充的碳源（尤其是有機(jī)碳），需要考慮產(chǎn)物合成所需的碳骨架的需求，以及其他一些要求，如pH調(diào)節(jié)。
- 考慮微藻培養(yǎng)的目的，藻種保存，或獲得生物量，還是脅迫富集高值產(chǎn)物，需要分別考慮培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)組成。
針對(duì)光自養(yǎng)藻類(lèi)，科學(xué)家認(rèn)為有30個(gè)相對(duì)重要的因素需要考慮。但營(yíng)養(yǎng)的供給只是微藻培養(yǎng)的一方面，其他環(huán)境因子和培養(yǎng)液攪拌混勻的因素也必須考慮。無(wú)論是光自養(yǎng)藻類(lèi)還是異養(yǎng)微藻，主要的營(yíng)養(yǎng)因子有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硅（Si，硅藻需要）、各類(lèi)微量元素和維生素，而主要的環(huán)境因子有光、溫度、pH等。
2.營(yíng)養(yǎng)因子
（1）碳源
微藻中，碳元素的含量一般能占到50%（除灰分外）左右。對(duì)光自養(yǎng)微藻而言，要保持高速生長(zhǎng)，碳源（尤其是CO2）的供應(yīng)異常重要。葡萄糖是異養(yǎng)中最常用的有機(jī)碳源，另外氨基酸、乙酸和甘油也被用于一些藻類(lèi)的異養(yǎng)。
（2）氮源
氮源是微藻生長(zhǎng)的最重要因子，在微藻細(xì)胞中，因微藻種類(lèi)不同，氮元素的含量在1~10%左右，并因氮源的供給量和可利用度而異，通常情況下，氮源的缺乏導(dǎo)致細(xì)胞顏色褪化，葉綠素含量減少。硝酸鹽、氨和尿素是最常用的三種氮源，氮源對(duì)微藻生長(zhǎng)造成的影響因種而異，偏好不一。
（3）磷源
磷是跟微藻細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝密切相關(guān)的另一個(gè)的元素，盡管它在藻類(lèi)細(xì)胞中所占的比例不超過(guò)1%，但它是核酸物質(zhì)（DNA/ RNA）、ATP、細(xì)胞膜的基礎(chǔ)組成元素，磷的缺乏會(huì)嚴(yán)重影響微藻細(xì)胞的生命活動(dòng)。
（4）硅
硅元素，對(duì)硅藻而言是一種重要的元素，它構(gòu)成硅藻的細(xì)胞外殼，是硅藻生長(zhǎng)的限制因子之一。在培養(yǎng)中，硅一般以五水偏硅酸鈉（Na2SiO3·5H2O）和九水偏硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）的形式添加，在水中形成硅酸(Si(OH)4)，被細(xì)胞吸收后轉(zhuǎn)化為水合氧化硅(SiO2·nH2O)。
（5）其他（微量）元素與維生素
硫（S）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、鉀（K）等其他一些（微量）元素也是微藻生長(zhǎng)所必須的物質(zhì)。微藻必需的微量元素還有鉬（Mo）、銅（Cu）、釩（V）、鈷（Co）、錳（Mn）、鋅（Zn）、硼（B）、鐵（Fe）等。微藻培養(yǎng)中所需的維生素有B12、B1、生物素等種類(lèi)，通常自然水體中就有一定含量，具有提升微藻生長(zhǎng)的速度的功能。
3.環(huán)境因子
（1）光照
對(duì)于光自養(yǎng)藻類(lèi)而言，光是不可或缺的，微藻細(xì)胞對(duì)光的利用與光強(qiáng)度、細(xì)胞密度、光徑長(zhǎng)度/培養(yǎng)液層厚度和攪拌的劇烈程度都有關(guān)系。
（2）溫度
溫度能影響微藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求、新陳代謝的速錄和細(xì)胞內(nèi)的組分，因此在微藻培養(yǎng)中需要對(duì)其進(jìn)行控制。如果低于該藻的最適溫度，會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)速率，而高于最適問(wèn)題，則會(huì)增加其呼吸作用強(qiáng)度，甚至致死。
（3）pH
微藻的胞內(nèi)pH依賴一個(gè)耗能系統(tǒng)來(lái)維持，在非最優(yōu)pH環(huán)境下生長(zhǎng)的細(xì)胞會(huì)加大能量消耗，從而減少了用于生長(zhǎng)的能量，降低產(chǎn)率。而水體中CO2, HCO3–和CO3–的含量和比例是維持pH平衡的主要因素。pH會(huì)影響微藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和同化。
4.微藻培養(yǎng)系統(tǒng)
微藻的商業(yè)化養(yǎng)殖，要求該藻種易于培養(yǎng)，并能夠達(dá)到一個(gè)合理的養(yǎng)殖規(guī)模，因此微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的建立不僅需要考慮養(yǎng)殖品種的生物學(xué)特性，還要考慮養(yǎng)殖的目的。
微藻培養(yǎng)系統(tǒng)通常分為開(kāi)放系統(tǒng)和密閉系統(tǒng)，其中密閉系統(tǒng)包括光生物反應(yīng)器（photobioreactor，PBR）和發(fā)酵罐。培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇，取決于幾個(gè)因素，包括微藻種類(lèi)、生長(zhǎng)模式、產(chǎn)品形式、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值和預(yù)期用途。培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇還要考慮微藻的三種營(yíng)養(yǎng)方式（光自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)），如開(kāi)放式系統(tǒng)通常只用于光自養(yǎng)藻類(lèi)，密閉式系統(tǒng)可用于光自養(yǎng)和兼養(yǎng)藻類(lèi)，而發(fā)酵罐系統(tǒng)用來(lái)培養(yǎng)可異養(yǎng)的藻類(lèi)。如表1，對(duì)三種培養(yǎng)系統(tǒng)的各自特點(diǎn)進(jìn)行了羅列。
（1）開(kāi)放式系統(tǒng)
開(kāi)放系統(tǒng)（如圓池、跑道池池、敞口水箱、湖等）是最粗放的培養(yǎng)系統(tǒng)，依靠陽(yáng)光作為唯一光源。開(kāi)放系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是造價(jià)低廉且運(yùn)行簡(jiǎn)單。但是只有有限幾種微藻可以在開(kāi)發(fā)式培養(yǎng)系統(tǒng)中養(yǎng)殖生產(chǎn)，比如螺旋藻和小球藻，這些微藻通常具有克制其他微藻繁殖的特征。
開(kāi)放式培養(yǎng)系統(tǒng)的劣勢(shì)也非常明顯，如養(yǎng)殖過(guò)程和周邊環(huán)境的可控性差，因此容易受到污染，生物量難以達(dá)到高密度等，產(chǎn)率低且不穩(wěn)定，成本高。
（2）封閉式光生物反應(yīng)器
封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)能夠降低養(yǎng)殖中污染的風(fēng)險(xiǎn)而提高生產(chǎn)的成功率，另外，養(yǎng)殖過(guò)程能夠得到嚴(yán)密的檢測(cè)和控制。目前得到應(yīng)用的密閉式反應(yīng)器有管道、平板式反應(yīng)器和氣升系統(tǒng)。
使用密閉式系統(tǒng)，能提高光利用效率和細(xì)胞密度，從而提高產(chǎn)率。但通常具有單位體積小，建設(shè)成本高，運(yùn)行能耗高等問(wèn)題。
就目前的技術(shù)而言，投資成本和運(yùn)行成本過(guò)大限制了該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，僅生產(chǎn)高值產(chǎn)物的藻類(lèi)得以利用此類(lèi)系統(tǒng)并得到推廣，如利用管道式反應(yīng)器生產(chǎn)含蝦青素的雨生紅球藻（云南愛(ài)生行等）。
（3）發(fā)酵系統(tǒng)與可異養(yǎng)微藻
發(fā)酵系統(tǒng)應(yīng)用于可異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻生產(chǎn)。此系統(tǒng)最初開(kāi)發(fā)應(yīng)用于細(xì)菌和酵母等微生物的生產(chǎn)，多年的發(fā)展已經(jīng)使得此系統(tǒng)非常的完善，在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，規(guī)模巨大。異養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于制造和運(yùn)行技術(shù)成熟，可推廣應(yīng)用至所有可異養(yǎng)的種類(lèi)，不需要光，系統(tǒng)集成度高，無(wú)地域限制，土地需求小。但發(fā)酵系統(tǒng)在微藻中的應(yīng)用也存在一些劣勢(shì)，如僅有少部分微藻種類(lèi)（如小球藻、寇氏隱甲藻）能夠進(jìn)行異養(yǎng)，運(yùn)行中依然存在染菌問(wèn)題，微藻對(duì)有機(jī)物的耐受濃度低，容易受到抑制，異養(yǎng)條件下，藻類(lèi)的細(xì)胞組分發(fā)生變化，尤其是一些需要有光存在的條件下才能富集的物質(zhì)含量減少（如異養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻蛋白含量偏低，且無(wú)光導(dǎo)致葉綠素含量明顯減少）。
微藻異養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)在多種微藻中實(shí)現(xiàn)（如表2所列多種可異養(yǎng)微藻種類(lèi)），甚至已經(jīng)應(yīng)用于部分種類(lèi)的規(guī)?；a(chǎn)。雖然發(fā)酵系統(tǒng)一向被認(rèn)為建設(shè)投入大、運(yùn)行成本高，但在規(guī)模達(dá)到一定程度后，依然可以將生產(chǎn)成本降低到可接受，甚至?xí)陀诠庾责B(yǎng)的生產(chǎn)成本。
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說(shuō)到養(yǎng)殖系統(tǒng)的事，關(guān)心的人很多，總在比較這個(gè)好還是那個(gè)好，未來(lái)用什么模式合適之類(lèi)的。在老俞看來(lái)，沒(méi)這個(gè)好那個(gè)好的問(wèn)題，就是個(gè)合適不合適的問(wèn)題。往大了說(shuō)，涉及到資源和目標(biāo)關(guān)系，站國(guó)家角度可能更看中資源的利用效率，站個(gè)人和企業(yè)的角度就要考慮成本和收益，個(gè)體戶、小企業(yè)和大企業(yè)各自的立足點(diǎn)也不同，所以采用哪種模式，真的沒(méi)法一言而定。如澳大利亞養(yǎng)殖鹽藻，有大片的天然鹽湖可以利用，產(chǎn)率低含量低都不算個(gè)事；而以色列的鹽藻養(yǎng)殖就得去修跑道池；以色列和云南的紅球藻利用管道養(yǎng)殖，而日本富士甚至有采用室內(nèi)人工光源的反應(yīng)器；如管道培養(yǎng)的小球藻相對(duì)質(zhì)量穩(wěn)定，即使成本高，卻有充足的理由喊高價(jià)。
所以在說(shuō)哪種系統(tǒng)好，或者合適之前，先回答以下一些問(wèn)題：要開(kāi)發(fā)哪個(gè)藻種？該藻種有什么生物學(xué)特性？產(chǎn)品準(zhǔn)備用于開(kāi)發(fā)什么產(chǎn)品，賣(mài)給哪個(gè)客戶人群？總市場(chǎng)容量有多少？打算占有多少市場(chǎng)容量？技術(shù)門(mén)檻和資金門(mén)檻準(zhǔn)備提到多高？準(zhǔn)備在行業(yè)內(nèi)做最大還是最強(qiáng)？手頭錢(qián)多地少，還是有現(xiàn)成的大片土地？水電資源及原料是否豐富？有沒(méi)有可靠的技術(shù)團(tuán)隊(duì)作為支撐等等。
俞建中
2017年01月22日
俞建中博士系列藻類(lèi)科普文章鏈接：
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