CN107164271B - 一种海洋微藻及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微藻生物技术领域、能源领域，具体地说是一种从海洋中分离、纯化获得的海洋微藻及其应用。该菌株保藏名称是海洋卡盾藻(Chattonella marina)HDY1，保藏单位：CGMCC，保藏号是：CGMCC No.13867，保藏日期：2017年3月22日。该藻体单细胞，黄褐色，无壁能运动，易于培养，能在通用F/2藻类培养基中生长。利用光合微生物燃料电池技术检测，发现其具有明显的产电活性，在藻类生物资源技术领域具有广阔的应用前景。

Description

一种海洋微藻及其应用
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域、能源领域，具体地说是一种从海洋中分离、纯化获得的海洋微藻及其应用。
背景技术
海洋微藻物种丰富，世界各地报道的种类超过4000种。海洋微藻有着高CO2的适应能力，并且在长期的进化过程中形成了主动运输CO2能力，或借助碳酸酐酶转化HCO3 -为CO2，或直接吸收HCO3 -的生理机制。在环境领域，微藻作为可以进行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、适应环境性强等优点。每年由微藻光合作用固定的CO2占全球CO2固定量的40％以上，在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。在能源领域，微藻作为生物质被看作是一种可再生的能源。微藻有望成为继粮食作物生物乙醇、纤维素生物乙醇和陆生作物生物柴油之后第3代生物质能源的原材料。有些微藻如小球藻、绿球藻等所产生的油脂通过酯化后可转变为生物柴油(脂肪酸甲酯等)，藻渣可以综合利用，生产动物饲料、有机肥料和甲烷等。随着微藻生物技术产业的迅速发展，越来越多地受到政府、科研机构和企业的高度关注。
近年来，人们发现微藻除用于固碳产油外，某些微藻还具有重要的功能-产电。这是继微生物产电之后发现的微藻新功能，因其相比微生物来说，不需要大量的有机碳源，只需要利用光能和空气中的二氧化碳，在光合微生物燃料电池中不需要厌氧等优点，引起了研究者的关注。但目前关于微藻尤其是海洋微藻产电的研究国内几乎处于空白。
微生物燃料电池技术最初是一种利用细菌在厌氧条件下通过生物质产生电能的新方法。其是借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸、糖类等)的化学能转变成电能的装置。既可以实现有机废水的处理，又可以将废水中的有机质能量转化成可利用的电能。
随着微生物燃料电池技术的发展，人们发现光合微生物-微藻，同样能应用于微生物燃料电池。在光照条件下，接种于微生物燃料电池阳极的微藻通过光合和呼吸作用能为微生物燃料电池提供电子来源，这种电池称为光合微生物燃料电池。微藻除作为独立的电子来源之外，还可以和细菌联合，为细菌提供有机质进行产电，这也成为实现藻类资源化的一种新方法，具有重要的学术价值和应用前景。
目前报道的产电微藻多属于蓝藻门和绿藻门，主要有聚球藻(Synechocystissp.)、小球藻(Chlorella vulgaris)、莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、螺旋藻(Spirulina sp.)、杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)等，产电活性不一，并且仅有少数报道。同时关于产电微藻，尤其海洋产电微藻的认识还十分欠缺，目前国内尚无相关于海洋产电微藻的报道。
全球能源短缺和环境恶化的加剧使寻找绿色新能源技术成为关注的焦点，利用藻类构建光合微生物燃料电池作为一种新兴的可持续发展技术，是当前藻类生物技术研究的一个重要发展方向，具有明显的应用价值和环保效益。
发明内容
本发明目的在于提供一种从海洋中分离、纯化获得的微藻-海洋卡盾藻(Chattonella marina)及其应用。
为实现上述目的，本发明的采用技术方案为：
一种海洋产电微藻，产电微藻为海洋卡盾藻(Chattonella marina)HDY1，已于2017年3月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国，北京，中国科学院微生物研究所，邮编：100101，保藏中心登记入册编号为：CGMCC No.13867，分类学命名为海洋卡盾藻(Chattonella marina)。
一种海洋产电微藻的应用，所述海洋卡盾藻在电化学活性鉴定方法中的应用。
所述海洋卡盾藻在海水藻类培养基中，光照条件下释放电子，在微生物燃料电池中通过电子传递实现在电化学中的应用。
所述微生物燃料电池为离子交换膜间隔的双室微生物燃料电池或单室微生物燃料电池。
所述海洋卡盾藻(Chattonella marina)HDY1在海水藻类培养基中培养至对数生长期后接种至微生物燃料电池的阳极室，在光照条件下使海洋卡盾藻释放电子，通过电子传递实现在电化学中的应用。
进一步的说，
A)在无菌条件下，将所述海洋卡盾藻(Chattonella marina)HDY1接种于F/2培养液中，54μmol quanta/(m2.s)光照，12：12h光暗比，22±1℃光照培养箱中培养至对数生长期备用；
B)将上述培养至对数期的微藻培养液接种于光合微生物燃料电池的阳极室，阴极室溶液为K3Fe(CN)6，利用磷酸缓冲液pH7.8的比例配制；
C)将光合微生物燃料电池阴阳两极连接，并外接电阻，于54μmol quanta/(m2.s)光照，12：12h光暗比，22±1℃左右培养条件下，实现电能的产生。利用监测电压的数据采集系统，实时监测微藻产电。
D)另外采用循环伏安法，利用电化学工作站检测藻在双室微生物燃料电池中的氧化还原特性，探讨其产电机理。
所述海洋卡盾藻(Chattonella marina)分离自烟台月亮湾海域，经毛细管法和24孔板法分离，抗生素法纯化得到。该藻属于着色鞭毛藻门，针胞藻纲，针胞藻目，卡盾藻属，单细胞，黄褐色，长约100μm，宽约50μm，胞内色素体多数，椭圆形至卵形。细胞裸露无壁，能在F/2藻类培养液中生长，在固体培养基中细胞易破裂，故不宜采用固体平板培养。本发明所具有的优点：
本发明藻体单细胞，黄褐色，无壁能运动，易于培养，具有独特的胞外电子传递途径，能在通用F/2藻类培养液中生长，释放电子，在光合微生物燃料电池中传递给阳极，实现电能的产生；利用光合微生物燃料电池技术检测，发现其具有明显的产电活性，在藻类生物资源技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的海洋卡盾藻(Chattonella marina)的细胞形态光学显微镜图片。
图2为本发明实施例提供的海洋卡盾藻(Chattonella marina))在单室光合微生物燃料电池中的产电活性图。
图3为本发明实施例提供的海洋卡盾藻(Chattonella marina)在双室光合微生物燃料电池中的产电活性图。
图4为本发明实施例提供的海洋卡盾藻(Chattonella marina)在双室光合微生物燃料电池中产电的循环伏安曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
藻株海洋卡盾藻(Chattonella marina)的分离、纯化
1)分离、筛选
在烟台月亮湾海域，利用25#浮游植物网富集藻类样品后带回实验室。光学显微镜下，利用毛细管法挑选海洋卡盾藻，接入预先加入2mL灭菌F/2培养液的无菌24孔板中，22±1℃光照培养箱中培养，光暗比12h：12h，光照强度54μmol quanta/(m2.s)左右。培养15天左右，显微镜下观察，重复利用毛细管法挑选单株海洋卡盾藻接入24孔板中，或对孔中的藻类培养液逐级进行10×梯度稀释，经15天左右培养后发现孔中仅有海洋卡盾藻为止，获得海洋卡盾藻单藻株。
2)藻株海洋卡盾藻(Chattonella marina)的无菌纯化
向上述培养至对数生长期的海洋卡盾藻(Chattonella marina)的培养液中分别依次加入300mg/L青霉素，100mg/L链霉素和100mg/L庆大霉素，在光照培养箱中处理36h，获得无菌藻株，全部操作在无菌条件下进行。将获得的藻株连续接种5代以上培养至对数生长期，海洋卡盾藻(Chattonella marina)密度约为1×105cells/mL左右，备用(图1)。
3)所述海洋卡盾藻(Chattonella marina)已于2017年3月22日保藏于中国科学院微生物菌种保藏中心，地址：中国，北京，中国科学院微生物研究所，邮编：100101，保藏编号为：CGMCC No.13867，分类学命名为海洋卡盾藻(Chattonella marina)。
所述海洋卡盾藻(Chattonella marina)属于着色鞭毛藻门，针胞藻纲，针胞藻目，卡盾藻属，单细胞，黄褐色，长约100μm，宽约50μm，胞内色素体多数，椭圆形至卵形。细胞裸露无壁，能在F/2藻类培养液中生长，在固体培养基中细胞易破裂，故不宜采用固体平板培养。
实施例2
利用单室微生物燃料电池检测海洋卡盾藻(Chattonella marina)的产电活性
如实施例1中所述，将培养至对数生长期的海洋卡盾藻(Chattonella marina)接种于单室微生物燃料电池，放置于54μmol quanta/(m2.s)光照，22±1℃左右条件下进行产电测试。测试方法：单室微生物燃料电池，接种藻培养液总体积30mL，对照组接入无藻灭菌培养液，阳极为石墨电极，电极尺寸12mm×12mm×3mm，阴极为空气阴极，两极连接钛丝，外接1000Ω电阻，利用数据采集系统(Model 2700,Keithley Instruments,USA)采集电压信号，Excell INX软件记录每分钟的输出电压，根据欧姆定律计算电流密度[C＝U/(RS),C(mA/m2)为电流密度，其中U为输出电压(mV)，R是外电阻(Ω)，S是阳极石墨电极表面积(m2)](参见图2)。如图2所示，海洋卡盾藻(Chattonella marina)具有明显的产电活性，其产电的最高值能达到43.41mA/m2。
实施例3
利用双室微生物燃料电池检测海洋卡盾藻(Chattonella marina)的产电活性
如实施例1中所述，将培养至对数生长期的海洋卡盾藻(Chattonella marina)接种于双室微生物燃料电池的阳极室，放置于54μmol quanta/(m2.s)光照，22±1℃左右条件下进行产电测试。测试方法：双室微生物燃料电池阳极室接种藻培养液总体积100mL，对照组接入无藻灭菌培养液，阴阳两极均为石墨电极，电极尺寸30mm×25mm×3mm，阴极溶液为50mmol/L的K3Fe(CN)6，利用0.1mol/L的Na2HPO4和NaH2PO4缓冲液按照pH7.8的比例配制，两极连接钛丝，外接1000Ω电阻，利用数据采集系统(Model 2700,Keithley Instruments,USA)采集电压信号，如实施例2中所示，计算电流密度(参见图3)。如图3所示，海洋卡盾藻(Chattonella marina)具有明显的产电活性，并且这种电活性具有藻类产电的明显光暗效应特征。
实施例4
如实施例1中所述，将培养至对数生长期的海洋卡盾藻(Chattonella marina)接种于双室微生物燃料电池的阳极室，放置于54μmol quanta/(m2.s)光照，22±1℃左右条件下进行产电测试，同时以向双室微生物燃料电池的阳极室中接入灭菌培养液作为对照组。测试方法：循环伏安法(CV曲线)。如实施例3所述，待双室微生物燃料电池稳定运行后，开路状态下加入参比电极(Ag/AgCl)，以阳极为工作电极，阴极为对电极，构建三电极体系。用660E电化学工作站(上海辰华)以50mV/s的扫描速度在0～0.8V的范围内进行扫描分析(参见图4)。结果如图4所示，海洋卡盾藻(Chattonella marina)具有明显的产电活性，图中没有显示明显的氧化还原峰，说明海洋卡盾藻(Chattonella marina)可能通过直接接触的方式传递电子。

Claims (4)

1.一种海洋产电微藻，其特征在于：产电微藻为海洋卡盾藻（Chattonella marina）HDY1，已于2017年3月 22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国，北京，中国科学院微生物研究所，邮编：100101，保藏中心登记入册编号为：CGMCC No.13867，分类学命名为海洋卡盾藻（Chattonella marina）。
2.一种权利要求1所述的海洋产电微藻的应用，其特征在于：所述海洋卡盾藻在海水藻类培养基中，光照条件下释放电子，在微生物燃料电池中通过电子传递实现在电化学中的应用。
3.按权利要求2所述的海洋产电微藻的应用，其特征在于：所述微生物燃料电池为离子交换膜间隔的双室微生物燃料电池或单室微生物燃料电池。
4.按权利要求2或3所述的海洋产电微藻的应用，其特征在于：所述海洋卡盾藻（Chattonella marina）HDY1在海水藻类培养基中培养至对数生长期后接种至微生物燃料电池的阳极室，在光照条件下使海洋卡盾藻释放电子，通过电子传递实现在电化学中的应用。
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