CN114736805B - 一种基于平均单细胞接收光量子数调节外界光照来提高微藻产率的方法 - Google Patents
一种基于平均单细胞接收光量子数调节外界光照来提高微藻产率的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于平均单细胞接收光量子数调节外界光照来提高微藻产率的方法及其应用。所述平均单细胞接收光量子数需要通过实验结合光衰减数学模型积分求取特定时间内的值，调节方法基于平均单细胞接收光量子数与对应时间段内微藻比生长速率的关系。
Description
技术领域
本发明涉及微藻培养领域，更具体地说，本发明是一种基于平均单细胞接收光量子数调节外界光照来提高微藻产率的方法。
背景技术
微藻作为一种光合自养型的原核生物，具有培养周期短以及较高的光合效率的特点，并且近些年来，微藻在分子生物学与基因工程中的广泛应用，因此微藻得到越来越多学者的重视。所以说，确定对微藻的培养条件进行优化来提高微藻的产率就变得相当的重要。
对于大多数藻细胞来说，光照是对生长最重要的因素。绝大多数藻细胞只能通过光照来提供自身新陈代谢的能量。不同的藻细胞对光照的需求也不同，但是所具备的一般规律是：藻细胞所接收到的光强要大于补偿光强时，才可以正常生长，光强继续增大到达饱和光强时生长速度达到最快，而光强再继续升高至抑制光强时，藻细胞的生长速度反而下降。当藻细胞处于光生物反应器中，由于光衰减的存在，微藻的最佳生长条件下的入射光强就与藻液浓度也呈现一定的关系。
然而，现阶段很多研究仅仅是考察固定单一外界入射光强对微藻整个生长阶段的影响。其中前人大多在摇瓶中考察光照对微藻生长的影响，也有一些在不同形式的光生物反应器中考察入射光强对微藻生长的影响。但是上述研究对于光强与微藻生长和产物产量之间的关系中，并没有考虑到在培养过程中的微藻浓度的变化，因此他们所考察的最适宜生长光强在不同的培养时间段或者更换培养反应器之后也可能会随着变化。所以说在实际过程中对光生物反应器内部接收到的光强的考量就相当的重要。
针对上述不足，当前发现基于Cornet光衰减模型计算出微藻细胞内部接收到的光强(平均单细胞接收光量子数)与微藻比生长速率之间存在特定的关联：微藻的比生长速率随着单细胞接收到的光量子数呈现出先升高，随后保持基本不变，最后不断下降的关系。通过这一特点，即可在实际培养过程中，首先计算得到微藻细胞的最适平均单细胞接受光量子数区间，随后通过对外界光强的调整使培养过程中微藻的平均单细胞接收光量子数处在该区间内，以此来实现提高微藻微藻产率的目的。
由于该方法同时考虑到光衰减与反应器的影响，所以该方法对其他不同体系的光照培养也存在指导意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对在整个微藻培养过程中，由于藻液密度的持续变化，采用同一种光照强度可能会造成光能的浪费或者光能不足限制微藻的生长的问题，提供一种在生长过程中进行光照调节的方法，从而使微藻始终处于高速生长状态，进而提高微藻产率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提出一种基于微藻细胞平均单细胞接收光量子数与微藻比生长速率之间关系来对外界入射光照进行调控的方法，包括以下步骤：
本发明的第一个方面，建立了一个光生物反应器内微藻内部光强计算的数学模型，所述方法是通过测量不同浓度与不同光程下的藻液细胞入射光强与透过藻液的光强值，最终与Cornet数学模型拟合得到。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
步骤1：首先取一透明玻璃管并将玻璃光将四周和底部包裹好不透光的黑纸，并且将入射光源紧贴玻璃管管口处，保证没有光线漏出，测定在不加藻液情况下玻璃管底部的光量子数值，将其作为入射光强；
步骤2：随后对不同藻液浓度，改变藻液在玻璃管中的液位高度来测量玻璃罐底部光量子数值(测试前使用玻璃棒将藻液搅匀，防止因藻液沉降而产生的误差)；
步骤3：使用Origin将上述实验得到的不同藻液浓度在不同光程下所测得的I/I0带入到Cornet光衰减模型中进行拟合，求得集胞藻6803拟合常数Ea为0.03306±0.00288，Es为0.75401±0.02628，拟合度R2为0.99949。
进一步的，步骤1，2中所测量的数据均测量三次，最终取均值。
进一步的，步骤2中所使用的藻液为集胞藻6803藻液。
进一步的，步骤3使用的Cornet光衰减模型为下式：
α2＝(Ea+Es)·α1·X·L
式中I为局部光强(μmol/(m2·s))，I0为入射光强(μmol/(m2·s))Ea为吸光系数(m2/g)，Es为散射系数(m2/g)，X为藻液浓度(g/m3)，L为光程(m)。
本发明的第二个方面，通过上述方法得到的拟合方程，积分得到反应器体积平均光强，随后计算出平均单细胞接收的光量子数，并将其与微藻的比生长速率作图分析。
步骤1：固定外界入射光强，每隔24h测量各组反应器内的细胞密度，并由此计算出24h内的比生长速率，同时根据上述拟合方程积分得到反应器体积平均光强，随后计算出平均单细胞接收的光量子数；
步骤2：计算每隔24h微藻的比生长速率，随后对上述计算出平均单细胞接收的光量子数作图分析，得到微藻比生长速率较快时的平均单细胞接收光量子数范围；
进一步的，步骤1中所求的体积平均光强由下式计算
其中I是反应器内的局部光强(μmol/(m2·s))，V是反应器的体积(m3)。
进一步的，步骤1中所得到的平均单细胞接收光量子数首先通过对上述拟合的数学模型积分求取体积平均光强，随后采用下式求取。
式中，APRPC为单位细胞接收平均光量子数(μmol/cell)，Iav是体积平均光强(μmol/(m2·s))，T是光照时长(s)，V是藻液体积(L)，A是受光面积(m2)，C是藻细胞浓度(cell/L)。
进一步的，步骤2中所使用的细胞密度通过血球板计数法获得，具体方程如下
式中C为细胞浓度(cell·L-1)，N为血球计数板上四个角落以及中间的方格的细胞总数，n为藻液的稀释倍数。
本发明的第三个方面，提供了一种根据平均单细胞接收光量子数与细胞比生长速率的关系进行外界光照调节的应用。
本发明具有以下有益效果：以光生物反应器中内部接受到的光强作为指标来对外界光强进行调整，因此针对同一种微藻，该方法只要求得该藻的平均单细胞接收光量子数与微藻比生长速率之间的关系，就可使用该方法对不同类型的光生物反应器的最适光照调节进行指导，有效的减少了获得不同类型反应器最适光强的实验。
本发明利用上述分析得到在平均单细胞接收光量子数为10-6到4×10-6μmol/cell时，集胞藻6803的微藻的比生长速率达到最大，以此作为条件来对外界光强调控，从而促进微藻的生长，提高最终微藻的产率。最终微藻产率比单一低外界光强高了79.1％，比单一高外界光强高了20％。
附图说明
图1为集胞藻6803基于Cornet模型拟合得出的光衰减曲线。
图2为集胞藻6803比生长速率与平均单细胞接收光量子数之间的关系图。
图3为不同管径柱式生物反应器在培养过程中APRPC变化曲线
图4不同管径柱式生物反应器在培养过程中干重变化曲线
图5为基于最适平均单细胞接收光量子数对外界入射光照进行调节曲线
图6为基于最适平均单细胞接收光量子数对外界入射光照进行调节与不调节对照组的对比图
具体实施方式
下面结合附图，以具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
以下实施例中所使用的微藻均为原生集胞藻6803。藻株保藏在法国巴斯德蓝细菌培养库(PCC)，保藏编号为6803。
实施例1
四组实验培养于1L柱式光生物反应器中进行，反应器直径0.06m,高0.39m,装液量0.6L，接种量(0.09±0.001)g/L，培养温度(34±0.5)℃,通气量0.12L/min,培养过程中光源由单侧5支平行荧光灯(22W)提供，四组实验入射光强分别为100μmol/(m2·s)，150μmol/(m2·s)，300μmol/(m2·s)，450μmol/(m2·s)，每组做三个平行实验，最终得到各实验组在不同的培养时间段内比生长速率最大时所对应的外界入射光照不同。其中附图2为由该实验得到的集胞藻6803比生长速率与平均单细胞接收光量子数的关系。最终当平均单细胞接收光量子数处在10-6-4×10-6时，藻细胞的比生长速率最大。
实施例2
在体积同样为1L基于APRPC选择在管径分别为50mm与60mm的柱式光生物反应器中进行培养对比实验，采用固定入射光照强度分别为100μmol/(m2s)进行了培养对比。接种时细胞干重0.09±0.002g/L，培养温度34±0.5℃，通气量0.12L/min(含2％的CO2)，培养过程中光源由5支平行于反应器放置的荧光灯(22W)提供。最终在不同管径下微藻的生长情况以及微藻在生长过程中的APRPC变化情况如附图3和附图4所示，可以看出管径为50mm的实验组在生长过程中APRPC值处于4×10-6以内并且始终高于管径为60mm的实验组，因此其生长情况也优于60mm管径的实验组，在144h培养后管径为50mm的实验组细胞干重为1.369g/L，而管径为60mm的实验组只有0.939g/L，高出45.8％。
实施例3
在1L柱式光生物反应器中，采用两组固定入射光照强度分别为100μmol/(m2s)(低光照强度对照组)和1800μmol/(m2s)(高光照强度对照组)，以及调整光照组的初始光照强度为100μmol/(m2s)，然后每隔12h对光照进行调整，使平均单细胞接收光量子数维持在在10-6到4×10-6μmol/cell范围内(具体调节方式如下附图5所示)。初始细胞干重为0.09±0.002g/L，培养温度34±0.5℃，通气量0.12L/min(含2％的CO2)，培养过程中光源由5支平行于反应器放置的荧光灯(22W)提供，培养结果如附图6所示。
经过156h培养之后，实验组干重达到了1.55g/L,比同样培养时间下的低光照强度对照组高79.1％，比高光照强度对照组高20.0％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于平均单细胞接收光量子数调节外界光照来提高微藻产率的方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)实验测得微藻的光衰减曲线，并拟合得到光衰减数学模型；
(2)针对多组固定光强实验求得该条件下不同时间段内单细胞接收光量子数APRPC与比生长速率之间的关联；
(3)根据两者之间的关联求出在某个培养阶段最高比生长速率下的的最适入射光强，从而对微藻的光强进行调整。
所述单细胞接收光量子数APRPC由如下公式计算获得：
其中，APRPC为单位细胞接收平均光量子数(μmol/cell)，Iav是体积平均光强
(μmol/(m2·s))，T是光照时长(s)，V是藻液体积(L)，A是受光面积(m2)，C是藻细胞浓度(cell/L)。
所述体积平均光强Iav由如下公式计算得到：
其中I是反应器内的局部光强(μmol/(m2·s))，V是反应器的体积(m3)。
所述局部光强I通过Cornet光衰减模型计算，具体计算公式为：
α 2 ＝(Ea+Es)·α1·X·L
其中，I0为入射光强(μmol/(m2·s))，Ea为吸光系数(m2/g)，Es为散射系数(m2/g)，X为藻液浓度(g/m3)，L为光程(m)。
步骤(2)的具体方式为：
步骤1：固定外界入射光强，每隔24h测量各组反应器内的细胞密度，并由此计算出24h内的比生长速率，同时根据上述拟合方程积分得到反应器体积平均光强，随后计算出平均单细胞接收的光量子数；
步骤2：作图分析，得到微藻比生长速率较快时的平均单细胞接收光量子数范围。
所述微藻为集胞藻。
2.根据权利要求1所述的提高微藻产率的方法，其特征在于，所述集胞藻为集胞藻6803。
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| 光生物反应器中光传递模型在微藻培养中的应用;吴小芳等;江西农业大学学报;第35卷(第04期);第878-886页 * |
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