告別“靠天吃飯”，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)大顯身手
在進入今天的主題前，首先向大家明確幾個基本概念。我們知道，能源和碳源作為一切生物生長的基礎，所謂的“光合自養(yǎng)”“光能異養(yǎng)”“化能自養(yǎng)”和“化能異養(yǎng)”型生物，它們的差異也主要體現(xiàn)在這幾個方面。
“光合自養(yǎng)”型生物中的能源和碳源來源分別為光和二氧化碳，與其不同的是，“光合異養(yǎng)”型生物中只以有機化合物而非二氧化碳作為它們的碳源?！盎茏责B(yǎng)”型生物中的能量來源是通過無機或有機化合物的氧化作用，其碳源是二氧化碳，而“化能異養(yǎng)”型生物生長所需的能源和碳源均為有機化合物（如葡萄糖）。
“靠天吃飯”的光自養(yǎng)培養(yǎng)模式
微藻是單細胞生物，可以用作生產(chǎn)能源、食品、飼料的原料，在工業(yè)領域有著廣闊的應用前景。
一直以來，藻類被認為像高等植物一樣必須通過光合作用（利用光和二氧化碳）才能實現(xiàn)細胞生物質(zhì)合成，即光自養(yǎng)培養(yǎng)模式。但這種培養(yǎng)模式基本只能“靠天吃飯”，受外界環(huán)境條件如溫度、光強、日照時間等的限制，細胞濃度較低，一般只能達到0.5-1.5g/L。
圖1開放式跑道池自養(yǎng)培養(yǎng)
此外，開放式光自養(yǎng)培養(yǎng)模式下的微藻易遭受浮游動物或細菌污染，正因如此，通過這種培養(yǎng)方式進行商業(yè)化生產(chǎn)的微藻品種極其有限，僅有耐強堿（pH9-10）螺旋藻、耐高鹽（NaCl濃度高于30%）杜氏鹽藻和能夠快速增殖的小球藻。
圖2自養(yǎng)培養(yǎng)下小球藻被浮游動物吞噬
異養(yǎng)模式雖好，但是也不是所有微藻都適用
實際上，很多微藻可不依賴于光和二氧化碳，它們可以在完全黑暗條件下利用有機物質(zhì)進行異養(yǎng)生長。由于這種培養(yǎng)方式擺脫了對光的限制，微藻的生長速率比在光照條件下快得多，優(yōu)勢也是顯而易見：
l微藻異養(yǎng)培養(yǎng)所需的能源及碳源均由有機碳源來提供，首先解決了能源限制問題；
l由于異養(yǎng)是在密閉的發(fā)酵罐中進行，整個培養(yǎng)系統(tǒng)采用蒸汽進行滅菌，從而解決了被其它微生物污染的問題；
l異養(yǎng)培養(yǎng)過程中的溫度、pH、營養(yǎng)物的供應等都能得到較好的控制，細胞濃度可高達到100-200g/L。
然而，并非所有的微藻都能夠進行異養(yǎng)生長。不能異養(yǎng)培養(yǎng)的最主要因素是，微藻自身不具備完善的吸收利用胞外有機碳和有機氮的機制。
具體來說，一是有些微藻因為有機物難以透過細胞膜進入細胞或者缺乏濃縮有機物的能力而不能被異養(yǎng)；二是有機物在細胞內(nèi)進行代謝所需的酶系統(tǒng)不完善,有機物不能被有效利用,造成某些微藻難以異養(yǎng)；三是在異養(yǎng)條件下,某些微藻因呼吸作用所提供的能量不足以維持其生長而不能異養(yǎng)。
據(jù)統(tǒng)計，迄今為止被業(yè)界篩選出來適合異養(yǎng)方式培養(yǎng)的微藻有多個門類幾十個藻種，其中小球藻、隱甲藻、裂壺藻、部分硅藻在異養(yǎng)培養(yǎng)方式研究中及量產(chǎn)化方面較為成熟。同時，也有研究采用代謝工程的方式，通過轉(zhuǎn)基因來擴大微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的品種及使用范圍。例如，國外學者通過轉(zhuǎn)入葡萄糖轉(zhuǎn)運酶基因，使不能異養(yǎng)培養(yǎng)的三角褐指藻實現(xiàn)了利用葡萄糖進行異養(yǎng)生長。
在生化組成上，異養(yǎng)和自養(yǎng)培養(yǎng)所獲得的微藻成分的區(qū)別主要在一些色素含量方面，例如光合自養(yǎng)所得的葉綠素和某些類胡蘿卜素的含量會多些，但最重要的成分通常不會受到影響。研究表明，天然蝦青素（一種高抗氧化活性類胡蘿卜素）在微藻體內(nèi)的生物合成也不一定需要光來誘導，完全可以通過施予某些脅迫因子來誘導產(chǎn)生。
微藻異養(yǎng)，更適合工業(yè)化生產(chǎn)
十多年的實踐表明，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)由于可控性強更適合工業(yè)化生產(chǎn)，與之相比，光合自養(yǎng)培養(yǎng)更像原始農(nóng)業(yè)，可重復性差。然而，異養(yǎng)培養(yǎng)也存在建設成本大、運行成本高等缺點。目前，這種培養(yǎng)模式僅適用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。例如，利用裂殖壺藻或隱甲藻來發(fā)酵生產(chǎn)DHA、利用蛋白核小球藻和裸藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)富含蛋白和β-1，3葡聚糖的食品等。
圖3微藻發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)
受技術(shù)水平所限，當前微藻在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下能夠達到的生物量濃度仍然很低，制約了微藻的工業(yè)化應用。最近，中國科學院水生生物研究所的研究人員以一株可異養(yǎng)培養(yǎng)的富油柵藻為研究對象，通過有效的發(fā)酵過程優(yōu)化，尤其是精準的葡萄糖濃度控制這一關鍵技術(shù)的突破，實現(xiàn)了該富油柵藻的超高密度培養(yǎng)，最高細胞濃度達到286g/L，比光自養(yǎng)培養(yǎng)提高了100-200倍，解決了微藻大規(guī)模工業(yè)化應用的問題。
圖4異養(yǎng)高密度培養(yǎng)后培養(yǎng)液離心前后比較
微藻作為一種重要的資源,如何實現(xiàn)微藻的高細胞密度養(yǎng)殖已經(jīng)成為微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵問題。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)能從根本上解決自養(yǎng)受光照影響的問題，已成為微藻培養(yǎng)的主要發(fā)展方向。
來源：中國科學院水生生物研究所
