JPWO2013021675A1 - 藻類培養方法及び藻類培養装置 - Google Patents
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Abstract
藻類の増殖を促進するための簡便な手法として、赤色光照明光を藻類に照射する手順Ｓ１と、青色光照明光を藻類に照射する手順Ｓ２と、を一定期間内に別個独立に行いながら藻類を培養する方法を提供する。
Description
本発明は、藻類培養方法及び藻類培養装置に関する。より詳しくは、藻類に人工光を照射して増殖を促進させる藻類培養方法等に関する。
従来、植物栽培において、植物苗に人工光を照射して育苗を促す技術が取り入れられている。植物の生長を促進することで、栽培期間を短縮して、同一場所での収穫回数を増やすことができる。また、同じ栽培期間であっても、植物をより大きく生長させることができれば、収穫量を増やすことができる。
人工光の照射を利用した植物栽培方法として、例えば特許文献１には、植物を緑色光と白色光で交互に照射するように構成した植物の照射装置が開示されている。この照射装置は、波長５００〜５７０ｎｍの緑色光と３００〜８００ｎｍの白色光とで交互に照射することにより昼夜の変化を構成し、植物の転流作用を円滑にして植物の育成を図るものである。
また、例えば特許文献２には、青色光（４００〜４８０ｎｍ）を放射する発光ダイオードと赤色光（６２０〜７００ｎｍ）を放射する発光ダイオードを同時もしくは交互に点灯することにより、植物の培養、生育、栽培及び組織培養のための光エネルギーを照射する植物栽培用光源が開示されている。この植物栽培用光源は、葉緑素の光吸収ピーク（４５０ｎｍ付近及び６６０ｎｍ付近）に一致する波長の光のみを照射することによって、エネルギー効率良く植物を栽培しようとするものである。
特許文献２には、青色光と赤色光を同時に照射しても交互に照射してもよいことが規定されている（当該文献「請求項１」参照）。しかし、特許文献２は、青色光単独照射、赤色光単独照射、青色光及び赤色光の同時照射の比較において、同時照射下では日光下での栽培と同様の健全な生長（単独照射における徒長などの不健全な生長と比較して）が確認されたというものであり（当該文献段落「００１１」参照）、青色光と赤色光を交互に照射した場合の生長促進効果は確認していない。従って、特許文献２は、青色光と赤色光の交互照射による植物栽培方法を実質的開示するものとはなっていない。
一方、光合成を行う生物として、地上に生息するいわゆる高等植物以外に、藻類がある。一般に、藻類には、原核生物及び真核生物に属する単細胞又は多細胞の多くの生物種が含まれ、珪藻類、渦鞭毛藻類及び緑藻類などが属する。このうち、緑藻類には、光合成によって二酸化炭素を固定し、石油の代替となりうる炭化水素を生産するためバイオ燃料の原料として期待されるものや、豊富な栄養素や抗酸化物質を産生するため健康食品や医薬品の原料とされているものなどが含まれる。
例えば特許文献３には、培養された緑藻類から炭化水素を取り出す方法が記載されている。また、特許文献４には、赤色のカロチノイドの一種であり、強力な抗酸化作用を有するアスタキサンチンを産生する緑藻類が開示されている。
バイオ燃料、健康食品及び医薬品などの原料として藻類を工業的に大量培養することが行われている（上記特許文献３・４参照）。藻類の工業的な培養では、藻類の増殖を促進し、培養期間を短縮して生産性を向上させることが求められている。そこでは、本発明は、藻類の増殖を促進するための簡便な手法を提供することを主な目的とする。
本発明者らは、人工光の照射による藻類の増殖促進効果について鋭意検討を行った結果、驚くべきことに、赤色光と青色光を交互に照射するという簡便な手法によって非常に顕著な効果が得られることを見出した。
この知見に基づき、本発明は、赤色光照明光を藻類に照射する手順と、青色光照明光を藻類に照射する手順と、を一定期間内に別個独立に行うことによって藻類の増殖を促進する藻類培養方法を提供する。
この藻類培養方法（執行メソッド（Shigyo Method））は、具体例としては、赤色光照明光を照射する手順と、青色光照明光を照射する手順と、を交互に連続して行うものである。
この知見に基づき、本発明は、赤色光照明光を藻類に照射する手順と、青色光照明光を藻類に照射する手順と、を一定期間内に別個独立に行うことによって藻類の増殖を促進する藻類培養方法を提供する。
この藻類培養方法（執行メソッド（Shigyo Method））は、具体例としては、赤色光照明光を照射する手順と、青色光照明光を照射する手順と、を交互に連続して行うものである。
また、本発明は、赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に照射する光照射部と、光照射部を制御して、赤色光照明光を藻類に照射するステップと、青色光照明光を藻類に照射するステップと、を一定期間内に別個独立に実行する制御部と、を備える藻類培養装置を提供する。
この藻類培養装置において、前記制御部は、前記光照射部から放射される前期赤色光照明光及び前記青色光照明光の光量、波長及び／又は照射時間を所定値に維持するか、あるいは所定のパターンで変化させるものとされる。また、前記光照射部は、赤色光又は青色光を放射する発光ダイオードを含んで構成されることが好ましい。
この藻類培養装置において、前記制御部は、前記光照射部から放射される前期赤色光照明光及び前記青色光照明光の光量、波長及び／又は照射時間を所定値に維持するか、あるいは所定のパターンで変化させるものとされる。また、前記光照射部は、赤色光又は青色光を放射する発光ダイオードを含んで構成されることが好ましい。
本発明において、「藻類」には、原核生物であるか真核生物であるかを問わず、緑藻類、褐藻類、藍藻類、紅色光合成細菌等の単細胞生物、水草等の水生の光合成能を有する多細胞生物などが広く含まれるものとする。
本発明により、簡便で、優れた増殖促進効果を得ることが可能な藻類培養方法が提供される。
以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。説明は以下の順序で行う。
１．藻類培養方法
（１）第一実施形態に係る藻類培養方法
（２）第二実施形態に係る藻類培養方法
（３）第三実施形態に係る藻類培養方法
（４）波長
（５）光量
（６）照射時間
２．藻類培養装置
（１）第一実施形態に係る藻類培養装置
（１−１）光照射部
（１−２）制御部
３．培養藻類
１．藻類培養方法
（１）第一実施形態に係る藻類培養方法
（２）第二実施形態に係る藻類培養方法
（３）第三実施形態に係る藻類培養方法
（４）波長
（５）光量
（６）照射時間
２．藻類培養装置
（１）第一実施形態に係る藻類培養装置
（１−１）光照射部
（１−２）制御部
３．培養藻類
１．藻類培養方法
（１）第一実施形態に係る藻類培養方法
本発明に係る藻類培養方法は、赤色光照明光を藻類に照射する手順（以下「赤色光照射ステップ」とも称する）と、青色光照明光を藻類に照射する手順（以下「青色光照射ステップ」とも称する）と、を一定期間内に別個独立に行うことによって藻類の増殖を促進する方法である。
（１）第一実施形態に係る藻類培養方法
本発明に係る藻類培養方法は、赤色光照明光を藻類に照射する手順（以下「赤色光照射ステップ」とも称する）と、青色光照明光を藻類に照射する手順（以下「青色光照射ステップ」とも称する）と、を一定期間内に別個独立に行うことによって藻類の増殖を促進する方法である。
赤色光照明光は、実質的に波長域５７０〜７３０ｎｍの赤色光である。赤色光照明光は、上記赤色光と異なる波長域の光を含んでいてもよいが、次に述べる青色光を含まないことが好ましい。赤色光照明光は、特に好ましくは、上記赤色光のみを含む。青色光照明光は、実質的に波長域４００〜５１５ｎｍの青色光を含む照明光である。青色光照明光は、上記青色光と異なる波長域の光を含んでいてもよいが、上述の赤色光を含まないことが好ましい。青色光照明光は、特に好ましくは、上記青色光のみを含む。さらに、赤色光照明光が上記青色光を含まず、青色光照明光が上記赤色光を含まない場合が好ましく、赤色光照明光が上記赤色光のみで、青色光照明光が上記青色光のみの場合が特に好ましい。
ここで、「一定期間」とは、藻類培養中の任意時間長の期間を意味する。この期間は最長で培養全期間である。また、最短の期間は、本発明の効果が奏される限りにおいて任意に設定できる。この期間は、例えば時間（hr）を時間長の単位とするものであってよく、さらにより長い時間長単位（例えば日（day））あるいはより短い時間長単位（例えば分（minutes））とするものであってもよい。
本発明に係る藻類培養方法は、藻類の培養期間において、任意のタイミングで開始あるいは終了され、任意時間長で適用され得るものとする。
また、「別個独立」とは、上記期間内に、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとが別々に存することを意味する。赤色光照射ステップと青色光照射ステップは、上記期間内に少なくとも一工程ずつ含まれていればよい。
赤色光照射ステップと青色光照射ステップは交互に連続して行ってもよく、両ステップの間に赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に同時照射する手順又は藻類への光照射を休止する手順を挟んで不連続に繰り返して行ってもよい。ただし、藻類増殖促進効果を高めるためには交互に連続して行うことが好ましい。これらの本発明に係る藻類培養方法の実施形態について、図１〜図３を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明に係る植物栽培方法は、図１〜図３で説明する各実施形態を適宜組み合わせて実施することも当然に可能である。
図１は、本発明の第一実施形態に係る藻類培養方法の手順を説明する図である。この実施形態は、赤色光照射ステップと青色光照射ステップを交互に連続して行うものである。
図中、符号Ｓ１は赤色光照射ステップ、符号Ｓ２は青色光照射ステップを示す。本実施形態では、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２が交互に連続して行われ、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２とからなる照射サイクルが繰り返し行われる。
このように、藻類に対して赤色光照明光と青色光照明光を交互に照射することにより、分裂を顕著に促進することができる（後述実施例参照）。
ここでは、第１回目の照射サイクルＣ１において赤色光照射ステップＳ１から手順を開始する場合を例に説明したが、各照射サイクルにおいて赤色光照射ステップＳ１及び青色光照射ステップＳ２のいずれを先に行うかは任意である。
（２）第二実施形態に係る藻類培養方法
図２は、本発明の第二実施形態に係る藻類培養方法の手順を説明する図である。この実施形態は、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとを、両ステップの間に赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に同時照射する手順（以下「同時照射ステップ」とも称する）を挟んで不連続に繰り返して行うものである。
図２は、本発明の第二実施形態に係る藻類培養方法の手順を説明する図である。この実施形態は、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとを、両ステップの間に赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に同時照射する手順（以下「同時照射ステップ」とも称する）を挟んで不連続に繰り返して行うものである。
図中、符号Ｓ３は、同時照射ステップを示す。本実施形態では、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２が、同時照射ステップＳ３を挟んで不連続に行われ、赤色光照射ステップＳ１、同時照射ステップＳ３及び青色光照射ステップＳ２とからなる照射サイクルが繰り返し行われる。
ここでは、第１回目の照射サイクルＣ１において同時照射ステップＳ３から手順を開始する場合を例に説明したが、各照射サイクルにおいて赤色光照射ステップＳ１、同時照射ステップＳ３及び青色光照射ステップＳ２のいずれを先に行うかは任意である。
（３）第三実施形態に係る藻類培養方法
図３は、本発明の第三実施形態に係る藻類培養方法の手順を説明する図である。この実施形態は、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとを、両ステップの間に藻類への光照射を休止する手順（以下「休止ステップ」とも称する）を挟んで不連続に繰り返して行うものである。
図３は、本発明の第三実施形態に係る藻類培養方法の手順を説明する図である。この実施形態は、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとを、両ステップの間に藻類への光照射を休止する手順（以下「休止ステップ」とも称する）を挟んで不連続に繰り返して行うものである。
図中、符号Ｓ４は、休止ステップを示す。本実施形態では、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２が、休止ステップＳ４を挟んで不連続に行われ、赤色光照射ステップＳ１、休止ステップＳ４及び青色光照射ステップＳ２とからなる照射サイクルが繰り返し行われる。
ここでは、第１回目の照射サイクルＣ１において休止ステップＳ４から手順を開始する場合を例に説明したが、各照射サイクルにおいて赤色光照射ステップＳ１、休止ステップＳ４及び青色光照射ステップＳ２のいずれを先に行うかは任意である。
（４）波長
上述した各実施形態に係る藻類培養方法において、赤色光は波長５７０〜７３０ｎｍの光をいい、６３５〜６６０ｎｍの波長を中心波長をとする光が好適に用いられる。また、青色光は、波長４００〜５１５ｎｍの光をいい、中心波長を４５０ｎｍとする光が好適に用いられる。赤色光及び青色光は、上記波長を中心波長として所定の波長域を有するものであってよい。波長域としては、例えば青色光であれば、４５０±３０ｎｍ、好ましくは４５０±２０ｎｍ、さらに好ましくは４５０±１０ｎｍとできる。
上述した各実施形態に係る藻類培養方法において、赤色光は波長５７０〜７３０ｎｍの光をいい、６３５〜６６０ｎｍの波長を中心波長をとする光が好適に用いられる。また、青色光は、波長４００〜５１５ｎｍの光をいい、中心波長を４５０ｎｍとする光が好適に用いられる。赤色光及び青色光は、上記波長を中心波長として所定の波長域を有するものであってよい。波長域としては、例えば青色光であれば、４５０±３０ｎｍ、好ましくは４５０±２０ｎｍ、さらに好ましくは４５０±１０ｎｍとできる。
また、赤色光及び青色光の波長は上記波長域の範囲内で変化させてもよく、例えば第Ｎ回目（Ｎは１以上の整数）の照射サイクルＣＮにおいて波長が変化してもよい。また、第Ｎ回目の照射サイクルＣＮと第Ｍ回目（ＭはＮと異なる１以上の整数）の照射サイクルＣＭとで波長が上記波長域の範囲内で異なっていてもよい。
さらに、上述の赤色光照射ステップＳ１、同時照射ステップＳ３及び青色光照射ステップＳ２において、赤色光及び青色光に加えて、他の波長域の光を組み合わせて複数の波長域の光によって照射を行ってもよい。
（５）光量（強度）
赤色光照射ステップＳ１、青色光照射ステップＳ２及び同時照射ステップＳ３における赤色光及び青色光の光量（強度）は、特に限定されないが、例えば光合成光量子束密度（Photosynthetic Photon Flux Density：ＰＰＦＤ）でそれぞれ１〜１０００μｍｏｌ／ｍ２ｓ、好ましくは１０〜５００μｍｏｌ／ｍ２ｓ、特に好ましくは５０〜２５０μｍｏｌ／ｍ２ｓ程度とされる。
赤色光照射ステップＳ１、青色光照射ステップＳ２及び同時照射ステップＳ３における赤色光及び青色光の光量（強度）は、特に限定されないが、例えば光合成光量子束密度（Photosynthetic Photon Flux Density：ＰＰＦＤ）でそれぞれ１〜１０００μｍｏｌ／ｍ２ｓ、好ましくは１０〜５００μｍｏｌ／ｍ２ｓ、特に好ましくは５０〜２５０μｍｏｌ／ｍ２ｓ程度とされる。
また、上記各ステップにおける赤色光照明光及び青色光照明光の光量（強度）比は、例えば「赤：青」あるいは「青：赤」で１：１、５：３、２：１、３：１、４：１、１０：１、２０：１などのように任意に設定され得る。
また、赤色光照明光及び青色光照明光の光量は上記範囲内で変化させてもよく、例えば第Ｎ回目（Ｎは１以上の整数）の照射サイクルＣＮにおいて強度が変化してもよい。また、第Ｎ回目の照射サイクルＣＮと第Ｍ回目（ＭはＮと異なる１以上の整数）の照射サイクルＣＭとで光強度を上記範囲内で変化させてもよい。
（６）照射時間
上述した各実施形態に係る藻類培養方法において、一つの照射サイクルの時間は、最長で培養全期間である。また、最短の時間は、本発明の効果が奏される限りにおいて任意に設定できる。一つの照射サイクルは、例えば時間（hr）を時間長の単位とするものであってよく、さらにより長い時間長単位（例えば日（day））あるいはより短い時間長単位（例えば分（minutes））とするものであってもよい。
上述した各実施形態に係る藻類培養方法において、一つの照射サイクルの時間は、最長で培養全期間である。また、最短の時間は、本発明の効果が奏される限りにおいて任意に設定できる。一つの照射サイクルは、例えば時間（hr）を時間長の単位とするものであってよく、さらにより長い時間長単位（例えば日（day））あるいはより短い時間長単位（例えば分（minutes））とするものであってもよい。
例えば、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２を交互に連続して行う第一実施形態に係る藻類培養方法において、一つの照射サイクルを一日とする場合、赤色光照射ステップＳ１を１２時間、青色光照射ステップＳ２を１２時間とすることができる。また、例えば、一日に照射サイクルを４回繰り返す場合、一つの照射サイクルは６時間となり、赤色光照射ステップＳ１を３時間、青色光照射ステップＳ２を３時間とすることができる。
一つの照射サイクルの時間は、第Ｎ回目の照射サイクルＣＮと第Ｍ回目（ＭはＮと異なる１以上の整数）の照射サイクルＣＭとで変化させてもよい。例えば、照射サイクルＣＮを１２時間とし、続く照射サイクルＣＮ＋１を６時間とすることもできる。
また、一つの照射サイクル内における赤色光照射ステップＳ１、青色光照射ステップＳ２、同時照射ステップＳ３及び休止ステップＳ４の時間比は、任意であってよい。例えば、上述の第一実施形態に係る藻類培養方法において、一つの照射サイクルを一日とする場合、「赤色光照射ステップＳ１・青色光照射ステップＳ２」を「１２時間・１２時間（１：１）」、「１６時間・８時間（２：１）」、「２１時間・３時間（７：１）」などのように任意に設定し得る。
特に好ましくは、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２を交互に連続して行う第一実施形態に係る植物栽培方法において、赤色光照射ステップＳ１と青色光照射ステップＳ２とを藻類の細胞分裂周期に応じた時間間隔で切り換える。
（７）その他
本発明に係る藻類培養方法において、照明条件以外の培養条件は、従来公知の培養方法と同様とできる。例えば、培地には、淡水産藻類用の培地（例えば、ＡＦ６培地、Ｃ培地、ＵＲＯ培地等）、海産藻類用培地（ＥＳＭ培地、f/2培地、ＩＭＲ培地、ＭＮＫ培地等）などを用いればよい。
本発明に係る藻類培養方法において、照明条件以外の培養条件は、従来公知の培養方法と同様とできる。例えば、培地には、淡水産藻類用の培地（例えば、ＡＦ６培地、Ｃ培地、ＵＲＯ培地等）、海産藻類用培地（ＥＳＭ培地、f/2培地、ＩＭＲ培地、ＭＮＫ培地等）などを用いればよい。
本発明に係る藻類培養方法は、赤色光と青色光の照射を藻類の光合成のメカニズムに対応させることにより、顕著な分裂促進効果を生み出しているものと考えられる。本発明に係る藻類培養方法では、炭酸ガスや既知の光合成促進効果があるとされる薬剤などを併用することにより、増殖促進効果をさらに高めることができる場合がある。
２．藻類培養装置
（１）第一実施形態に係る藻類培養装置
（１−１）光照射部
本発明に係る藻類培養装置は、上述した藻類培養方法の各手順を実行可能なものであり、赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に照射する光照射部と、光照射部を制御して、赤色光照明光を藻類に照射するステップと、青色光照明光を藻類に照射するステップと、を一定期間内に別個独立に実行する制御部と、を備える。
（１）第一実施形態に係る藻類培養装置
（１−１）光照射部
本発明に係る藻類培養装置は、上述した藻類培養方法の各手順を実行可能なものであり、赤色光照明光及び青色光照明光を藻類に照射する光照射部と、光照射部を制御して、赤色光照明光を藻類に照射するステップと、青色光照明光を藻類に照射するステップと、を一定期間内に別個独立に実行する制御部と、を備える。
光照射部には、赤色光又は青色光を放射する光源が含まれる。赤色光及び青色光の光源には、従来公知の光源を用いることができる。光源には、波長選択が容易で、有効波長域の光エネルギーの占める割合が大きい光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの光半導体素子を用いることが好ましい。エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を用いる場合、ＥＬは有機であっても無機であってもよい。
光半導体素子は、小型で寿命が長く、材料によって特定の波長で発光して不要な熱放射がないためエネルギー効率が良く、藻類に近接照射しても細胞を障害し難い。このため、光半導体素子を光源に用いることで、他の光源に比べて、より低電力コストで、より省スペースで栽培を行うことが可能となる。
光源には、１つの赤色光半導体素子と１つの青色光半導体素子を組み合わせて実装したＳＭＤ（2 Chips Surface Mount Device）を線状に配列したＳＭＤライン光源や、赤色光半導体素子あるいは青色光半導体素子のどちらか一方のみを線状あるいは面状に配列した単色ライン光源あるいは単色パネル光源などを使用できる。
半導体素子は、原理上、数メガヘルツ（ＭＨｚ）以上もの高い周波数で点滅駆動が可能である。このため、光半導体素子を光源に用いることで、赤色光照射ステップＳ１、青色光照射ステップＳ２、同時照射ステップＳ３及び休止ステップＳ４の各ステップの切り替えを極めて高速に行うことも可能となる。
上記波長域の光を放射するＬＥＤとしては、例えば赤色ＬＥＤには、昭和電工株式会社から製品番号ＨＲＰ−３５０Ｆとして販売されているアルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系発光ダイオード（ガリウム・リン系基板、赤色波長６６０ｎｍ）などがあり、青色ＬＥＤには同社製品番号ＧＭ２ＬＲ４５０Ｇの発光ダイオードなどがある。
発光ダイオード以外の光源としては、例えば直管形及びコンパクト形の蛍光ランプ及び電球形蛍光ランプ、高圧放電ランプ、メタルハライドランプ、レーザーダイオードなどが挙げられる。これらの光源に組み合わせて、上記波長域の光を選択的に利用するための光学フィルタを用いてもよい。
（１−２）制御部
制御部は、光照射部から放射される赤色光照明光及び青色光照明光の光量（強度）、波長及び／又は照射時間を所定値に維持するか、あるいは所定のパターンで変化させる。
制御部は、光照射部から放射される赤色光照明光及び青色光照明光の光量（強度）、波長及び／又は照射時間を所定値に維持するか、あるいは所定のパターンで変化させる。
制御部は、汎用のコンピューターを用いて構成することができる。例えば光源としてＬＥＤを用いる場合、制御部は、メモリやハードディスクに予め保持、記憶された制御パターンに基づいて、ＬＥＤの駆動電流の大きさを調整し、赤色光照明光及び青色光照明光の強度及び照射時間を変化させる。また、制御部は、制御パターンに基づいて、異なる波長域の光を放射する複数のＬＥＤを切り替えて駆動し、照射される光の波長域を変化させる。
３．培養藻類
本発明に係る藻類培養方法等が対象とする藻類には、原核生物であるか真核生物であるかを問わず、緑藻類、褐藻類、藍藻類、紅色光合成細菌等の単細胞生物、水草等の水生の光合成能を有する多細胞生物などが広く含まれる。藻類として、具体的には、藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類（緑色鞭藻類）、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類、プラシノ藻類、緑藻類、車軸藻類などが挙げられる。
本発明に係る藻類培養方法等が対象とする藻類には、原核生物であるか真核生物であるかを問わず、緑藻類、褐藻類、藍藻類、紅色光合成細菌等の単細胞生物、水草等の水生の光合成能を有する多細胞生物などが広く含まれる。藻類として、具体的には、藍藻類、原核緑藻類、紅藻類、灰色藻類、クリプト藻類、渦鞭毛藻類、黄金色藻類、珪藻類、褐藻類、黄緑藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類（緑色鞭藻類）、クロララクニオン藻類、ミドリムシ藻類、プラシノ藻類、緑藻類、車軸藻類などが挙げられる。
藻類は、特に微細藻類と呼ばれる緑藻類とすることができる。微細藻類としては、緑藻綱（Class Chlorophyceae）やトレボウクシア藻綱（Class Trebouxiophyceae）に属する緑藻類が含まれる。緑藻綱では、例えば、ボトリオコッカス属（Botryococcus）、ヘマトコッカス属（Haematococcus）、クロレラ属（Chlorella）の緑藻類があげられ、トレボウクシア藻綱では、シュードコリシスチス属（Pseudochoricystis）の藻類が挙げられる。
ボトリオコッカス属の一種ボトリオコッカス・ブラウニー（Botryococcus braunii）やシュードコリシスチス属の一種シュードコリシスチス・エリプソイディア（Pseudochoricystis ellipsoidea）は、光合成によって二酸化炭素を固定し、石油（重油又は軽油）の代替となりうる炭化水素を生成する。また、ヘマトコッカス属の一種ヘマトコッカス・プルビアリス（Haematococcus pluvialis）やヘマトコッカス・ラクストリス（Haematococcus lacustris）は、抗酸化作用物質であるアスタキサンチンを産生する。
上述のように、本発明に係る藻類培養方法においては、赤色光照射ステップと青色光照射ステップとを対象とする藻類の細胞分裂周期に応じた時間間隔で切り換えることが望ましい。具体的には、細胞分裂周期が長いボトリオコッカス・ブラウニーでは、一つの照射サイクルを、例えば赤色光照射ステップ１２時間・青色光照射ステップ１２時間とする。また、細胞分裂周期が短いクロレラ属の緑藻類では、例えば赤色光照射ステップと青色光照射ステップを０．１〜３時間ずつとして一つの照射サイクルを構成する。
＜試験例１：ボトリオコッカス・ブラウニーの増殖促進試験＞
本試験例では、炭化水素産生藻類であり、緑藻類の一種であるボトリオコッカス・ブラウニーにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
本試験例では、炭化水素産生藻類であり、緑藻類の一種であるボトリオコッカス・ブラウニーにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
国立環境研究所より分譲されたBotryococcus braunii N-2199株を寒天培地（Hyponex、1000倍希釈、1%アガロース）で初期増殖させた。初期増殖は、蛍光灯照明環境下で行った。寒天培地からコロニーをピックアップし、70μｌの蒸留水に懸濁し、30μｌずつを寒天培地に播種した。
光源には、赤色ＬＥＤ（中心波長：６６０ｎｍ、昭和電工株式会社製）、青色ＬＥＤ（中心波長：４８０ｎｍ、昭和電工株式会社製）及び蛍光灯を用いた。各ＬＥＤの１セットの実装数は、赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤともに２４０個である。
以下に示す照明環境とした実験区を作成し、３週間培養を行ってコロニーを形成させた。
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
結果を図４に示す。図上段は対照区、下段はＬＥＤ区で培養したプレートからランダムに選択された１０コロニーの写真を示す。コロニーサイズの比較のため、写真には、２００μｍのスケールバーを入れている。
ＬＥＤ区では対照区に比べてコロニーのサイズが大きくなった。個々の細胞の観察から、コロニーサイズの増大は、細胞自体の大きさの増大ではなく、細胞数の増加によるものと考えられた。
lenaraf 202b software (Atelier M&M)を用いてコロニー面積を計測した結果を図５及び表１に示す。図５は、１０コロニーの面積の平均値をグラフ化したものであり、縦軸はコロニー面積（μｍ２）の平均値と標準偏差を示す。ＬＥＤ区では、対照区に比べてコロニー増殖が良好であり、３週間の培養期間内に対照区に比して３倍程度増殖が促進された。
次に、以下に示す照明環境とした実験区を作成し、２週間培養を行ってコロニーを形成させた。培養は、期間変更した以外は上述した通りの方法で行った。
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤８７．５、青５２．５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比５：３）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
結果を図６及び表１に示す。図は、１０コロニーの面積の平均値をグラフ化したものであり、縦軸はコロニー面積（μｍ２）の平均値と標準偏差を示す。ＬＥＤ区Ａ（赤青交互照射）では、対照区及びＬＥＤ区Ｂ（赤青同時照射）に比べてコロニー増殖が良好であり、最も早い増殖を示した。
以上、本試験例の結果から、蛍光灯照明環境（対照区）及び赤色光と青色光の同時照射１２時間、暗期１２時間を繰り返した同時照明環境（ＬＥＤ区Ｂ）に比べて、赤色光と青色光を１２時間ずつ交互に照射した交互照射環境（ＬＥＤ区Ａ）では、細胞の増殖が顕著に促進されていることが分かった。また、図４では、交互照射環境（ＬＥＤ区Ａ）のコロニーにおいて油滴が確認でき、交互照射によって細胞分裂とともに炭化水素の産生も促進されていることが示唆された。
＜試験例２：クロレラ・ケスレリの増殖促進試験＞
本試験例では、実験用藻類として広く用いられ、サプリメント食品などにも応用されているクロレラ属緑藻類の一種であるクロレラ・ケスレリにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
本試験例では、実験用藻類として広く用いられ、サプリメント食品などにも応用されているクロレラ属緑藻類の一種であるクロレラ・ケスレリにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
Chlorella kessleri C531株（国立環境研究所所蔵Chlorella kessleri NIES-2160株と同一）を寒天培地（Hyponex、1000倍希釈、1%アガロース）で初期増殖させた。初期増殖は、蛍光灯照明環境下で行った。寒天培地からコロニーをピックアップし、50μｌの蒸留水に懸濁し、9μｌずつを10ｍｌの液体培地（Hyponex、1000倍希釈）に播種した。
光源には、赤色ＬＥＤ（中心波長：６６０ｎｍ、昭和電工株式会社製）、青色ＬＥＤ（中心波長：４８０ｎｍ、昭和電工株式会社製）及び蛍光灯を用いた。各ＬＥＤの１セットの実装数は、赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤともに２４０個である。
以下に示す照明環境とした実験区を作成し、６日間静置培養を行ってコロニーを形成させた。
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｃ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、３時間赤／３時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｄ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、０．１時間赤／０．１時間青（赤青交互照射）
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｃ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、３時間赤／３時間青（赤青交互照射）
「ＬＥＤ区Ｄ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、０．１時間赤／０．１時間青（赤青交互照射）
培養開始から３日後及び６日後に、培養液から５μｌを取り、Ｔｈｏｍａ血球計算盤を用いて細胞密度（cells/μl）を計測した。結果を図７に示す。縦軸は細胞密度（cells/μl）を、横軸は実験区を表す。細胞密度は、血球計算盤の４区画における平均値の標準偏差とともに示した。
３日後では対照区の細胞密度とＬＥＤ区Ａ〜Ｄの細胞密度との間に有意な差が見られなかった。しかし、６日後には対照区が１２５cells/μlであったのに対し、１２時間交互照射を行ったＬＥＤ区Ｂでは２８０、３時間交互照射を行ったＬＥＤ区Ｃでは３７０、０．１時間交互照射を行ったＬＥＤ区Ｄでは３６５cells/μlとなり、赤青交互照射を行った実験区では対照区に比して２倍〜３倍程度の増殖が観察された。
事前の培養実験から、クロレラ・ケスレリは液体培地（Hyponex、1000倍希釈）での増殖がきわめて良好で、クロレラ・ケスレリの細胞分裂周期はボトリオコッカス・ブラウニーの細胞分裂周期より短いことが予測された。本試験例においても、増殖効果は、クロレラ・ケスレリでは１２時間交互照射を行ったＬＥＤ区Ｂよりも３時間交互照射を行ったＬＥＤ区Ｃにおいて高く、細胞分裂周期に応じた交互照射のサイクルを構築することの重要性が示唆された。
＜試験例３：ヘマトコッカス・ラクストリスの増殖促進試験＞
本試験例では、魚類の色揚げや、化粧品及び抗酸化効果を有するサプリメントなどに利用されるアスタキサンチンを生産する緑藻類の一種であるヘマトコッカス・ラクストリスにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
本試験例では、魚類の色揚げや、化粧品及び抗酸化効果を有するサプリメントなどに利用されるアスタキサンチンを生産する緑藻類の一種であるヘマトコッカス・ラクストリスにおいて、赤色光と青色光との交互照射による増殖促進効果を検討した。
国立環境研究所より分譲されたHaematococcus lacustris NIES-144株を寒天培地（Hyponex、1000倍希釈、1%アガロース）で初期増殖させた。初期増殖は、蛍光灯照明環境下で行った。寒天培地からコロニーをピックアップし、600μｌの液体培地（Hyponex、1000倍希釈）に懸濁し、蛍光灯照明環境下で培養した。その後、培養液200μｌずつを寒天培地に播種した。
光源には、赤色ＬＥＤ（中心波長：６６０ｎｍ、昭和電工株式会社製）、青色ＬＥＤ（中心波長：４８０ｎｍ、昭和電工株式会社製）及び蛍光灯を用いた。各ＬＥＤの１セットの実装数は、赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤともに２４０個である。
以下に示す照明環境とした実験区を作成し、１週間培養を行ってコロニーを形成させた。
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
「対照区」
光源：蛍光灯、照明光の光合成光量子束密度：１４０μｍｏｌ／ｍ２ｓ、１２時間明期／１２時間暗期
「ＬＥＤ区Ａ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間明期／１２時間暗期（赤青同時照射）
「ＬＥＤ区Ｂ」
光源：赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤ、照明光の光合成光量子束密度：赤１０５、青３５μｍｏｌ／ｍ２ｓ（赤青比３：１）、１２時間赤／１２時間青（赤青交互照射）
試験例１と同様にしてコロニー面積を計測した結果を図８及び表３に示す。図は、２０コロニーの面積の平均値及び中央値をグラフ化したものであり、縦軸はコロニー面積（μｍ２）の平均値とその標準偏差、及び中央値を示す。ＬＥＤ区Ｂでは、対照区に比べてコロニー増殖が促進された。
さらに、各実験区におけるコロニー面積の度数分布を図９に示す。図は、計測されたコロニー面積の値を２０，０００未満、２０，０００〜６０，０００、６０，０００〜１２０，０００、１２０，０００〜１８０，０００、１８０，０００以上（単位はμｍ２）に区切って、各区間に含まれるコロニーの数を割合で示したものである。縦軸は割合（％）を示す。
対照区では２０，０００未満のものが３１．６％、２０，０００〜６０，０００のものが３６．８％であり、６０，０００未満のものが７割程度を占めていた。これに対し、赤青交互照射を行ったＬＥＤ区Ｂでは、６０，０００〜１２０，０００のものが３割程度、１２０，０００〜１８０，０００のものが１割程度、１８０，０００以上のものが１割程度みられ、６０，０００以上のものが５割程度を占めた。
以上、本試験例の結果から、ヘマトコッカス・ラクストリスにおいても、赤色光と青色光を交互に照射することで、細胞の増殖を顕著に促進できることが明らかとなった。
本発明に係る藻類培養方法等によれば、簡便な手法によって藻類の増殖を促進し、培養期間を短縮して生産性を向上させることができる。従って、本発明に係る藻類培養方法等は、バイオ燃料、健康食品及び医薬品などの原料を目的とした藻類の培養に好適に用いられ得る。
Ｓ１：赤色光照射ステップ、Ｓ２：青色光照射ステップ、Ｓ３：同時照射ステップ、Ｓ４：休止ステップ、Ｃ１、Ｃ２：サイクル
Claims (8)
- 赤色光照明光を藻類に照射する手順と、青色光照明光を前記藻類に照射する手順と、を一定期間内に別個独立に行うことによって前記藻類の増殖を促進する藻類培養方法。
- 前記赤色光照明光を照射する手順と、前記青色光照明光を照射する手順と、を交互に連続して行う請求項１記載の藻類培養方法。
- 前記赤色光照明光を照射する手順と、前記青色光照明光を照射する手順と、を前記藻類の細胞分裂周期に応じた時間間隔で切り換えて行う請求項１又は２記載の藻類培養方法。
- 前記藻類は、ボトリオコッカス（Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓ）属又はクロレラ（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ）属の緑藻類である請求項１〜３のいずれか一項に記載の藻類培養方法。
- 前記藻類は、ヘマトコッカス（Ｈｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ）属の緑藻類である請求項１〜３のいずれか一項に記載の藻類培養方法。
- 赤色光照明光と青色光照明光を藻類に照射する光照射部と、
光照射部を制御して、前記赤色光照明光を前記藻類に照射するステップと、前記青色光照明光を前記藻類に照射するステップと、を一定期間内に別個独立に実行する制御部と、を備える藻類培養装置。 - 前記制御部は、前記光照射部から放射される前記赤色光照明光及び前記青色光照明光の光量、波長及び／又は照射時間を所定値に維持するか、あるいは所定のパターンで変化させる請求項６記載の藻類培養装置。
- 前記光照射部に、赤色光又は青色光を放射する発光ダイオードを含む請求項６又は７記載の藻類培養装置。
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