光語帶你認識微藻?
第三篇——微藻培養(yǎng)簡介
單位：上海光語生物科技有限公司
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作者：俞建中（微信號：Scophy117）
雖然是簡介，本篇的題目還是有些大了，不過題目大了，內(nèi)容可以少點嘛！就簡單講講微藻的營養(yǎng)代謝種類、培養(yǎng)需要的因子和常見的養(yǎng)殖模式。
這篇的內(nèi)容多少專業(yè)性強了一點點，內(nèi)行可以直接略過不看，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，準備摻點無關(guān)的圖進去，如無特殊注明，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)習性，尤其是它的營養(yǎng)方式和所需的營養(yǎng)和環(huán)境條件，進而根據(jù)所知的信息和所要求的目的，設(shè)計養(yǎng)殖設(shè)施與工藝、實施生產(chǎn)。
- 營養(yǎng)方式——自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)
微藻的營養(yǎng)方式主要有三種：（光合）自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)。
自養(yǎng)：微藻利用光進行光作用，將CO2（無機碳）和水，在光能的作用下合成有機物（葡萄糖），這種獲取能量的營養(yǎng)生活方式稱之為光合自養(yǎng)(Photoautotrophy)，比如我們常見的綠色植物——花草樹木這些，絕大多數(shù)是以此營養(yǎng)方式為主。
異養(yǎng)：有些微藻種類能夠在不需要光的情況下，利用簡單的有機碳，比如葡萄糖、氨基酸等作為碳源和能源進行生長繁殖，此稱之為異養(yǎng)(Heterotrophy)。
兼養(yǎng)：而微藻有光存在的情況下，同時利用CO2和有機碳進行生長代謝的營養(yǎng)方式，稱之為兼養(yǎng)（Mixotrophy）。（兼養(yǎng)有人稱之為混養(yǎng)，不過一般情況下，混養(yǎng)指的是兩種以上藻類混合培養(yǎng)，英文單詞叫co-culture或mixed culture，講的是培養(yǎng)的類型，而不是營養(yǎng)的方式）
光自養(yǎng)生物定義為只需要光和無機物就能生長，一小部分藻類具有氧化無機化合物獲取能量的能力，被稱之為化學(xué)自養(yǎng)。絕大部分微藻種類都屬于光自養(yǎng)類別，但實際上藻類生長依然需要攝入極少量的有機物（如維生素類）。
異養(yǎng)生物需要通過利用其他生物生產(chǎn)的有機物獲取能量同化外界物質(zhì)，實現(xiàn)生長繁殖，某些藻類能耐受高濃度的有機物濃度來進行生產(chǎn)代謝活動，如DHA發(fā)酵藻種寇氏隱甲藻（Mendes et al., 2009）。
同時存在一種光異養(yǎng)（Photoheterotrophic）方式，生物體需要在利用光能來吸收利用有機物和/或其他營養(yǎng)物質(zhì)。
兼養(yǎng)生長通常定義為光自養(yǎng)加異養(yǎng)，有機物和CO2能夠同時被利用。而實際上因藻類不同而存在不同情況，有報道索羅金小球藻（C.sorokiniana）在夜間（無光）進行異養(yǎng)，而在白天（有光）進行兼養(yǎng)；但三角褐指藻在有光的情況下能實現(xiàn)兼養(yǎng)，同時利用有機物和CO2，但在無光的情況下，有機物無法被利用，即三角褐指藻的兼養(yǎng)過程中有機物的利用依賴光的存在，是一種光異養(yǎng)方式。
- 微藻生長的營養(yǎng)與環(huán)境因子需求
對于微藻養(yǎng)殖所需的最佳營養(yǎng)需求，幾乎從微藻養(yǎng)殖進入研究領(lǐng)域之后就開始了。最初的時候，就開始利用土壤浸出液作為藻類培養(yǎng)的基液，學(xué)者Vonshak總結(jié)了微藻養(yǎng)殖所需培養(yǎng)基的幾個基本要素：
- 培養(yǎng)基的總鹽度：由所養(yǎng)藻類原始生活地的環(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：
- 所補充的碳源（尤其是有機碳），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)基的營養(yǎng)組成。
針對光自養(yǎng)藻類，科學(xué)家認為有30個相對重要的因素需要考慮。但營養(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。無論是光自養(yǎng)藻類還是異養(yǎng)微藻，主要的營養(yǎng)因子有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硅（Si，硅藻需要）、各類微量元素和維生素，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。對光自養(yǎng)微藻而言，要保持高速生長，碳源（尤其是CO2）的供應(yīng)異常重要。葡萄糖是異養(yǎng)中最常用的有機碳源，另外氨基酸、乙酸和甘油也被用于一些藻類的異養(yǎng)。
（2）氮源
氮源是微藻生長的最重要因子，在微藻細胞中，因微藻種類不同，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，氮源對微藻生長造成的影響因種而異，偏好不一。
（3）磷源
磷是跟微藻細胞生長和代謝密切相關(guān)的另一個的元素，盡管它在藻類細胞中所占的比例不超過1%，但它是核酸物質(zhì)（DNA/ RNA）、ATP、細胞膜的基礎(chǔ)組成元素，磷的缺乏會嚴重影響微藻細胞的生命活動。
（4）硅
硅元素，對硅藻而言是一種重要的元素，它構(gòu)成硅藻的細胞外殼，是硅藻生長的限制因子之一。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，通常自然水體中就有一定含量，具有提升微藻生長的速度的功能。
3.環(huán)境因子
（1）光照
對于光自養(yǎng)藻類而言，光是不可或缺的，微藻細胞對光的利用與光強度、細胞密度、光徑長度/培養(yǎng)液層厚度和攪拌的劇烈程度都有關(guān)系。
（2）溫度
溫度能影響微藻對營養(yǎng)的需求、新陳代謝的速錄和細胞內(nèi)的組分，因此在微藻培養(yǎng)中需要對其進行控制。如果低于該藻的最適溫度，會影響微藻的生長速率，而高于最適問題，則會增加其呼吸作用強度，甚至致死。
（3）pH
微藻的胞內(nèi)pH依賴一個耗能系統(tǒng)來維持，在非最優(yōu)pH環(huán)境下生長的細胞會加大能量消耗，從而減少了用于生長的能量，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會影響微藻對營養(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)，并能夠達到一個合理的養(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，取決于幾個因素，包括微藻種類、生長模式、產(chǎn)品形式、產(chǎn)品經(jīng)濟價值和預(yù)期用途。培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇還要考慮微藻的三種營養(yǎng)方式（光自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼養(yǎng)），如開放式系統(tǒng)通常只用于光自養(yǎng)藻類，密閉式系統(tǒng)可用于光自養(yǎng)和兼養(yǎng)藻類，而發(fā)酵罐系統(tǒng)用來培養(yǎng)可異養(yǎng)的藻類。如表1，對三種培養(yǎng)系統(tǒng)的各自特點進行了羅列。
（1）開放式系統(tǒng)
開放系統(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)，依靠陽光作為唯一光源。開放系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是造價低廉且運行簡單。但是只有有限幾種微藻可以在開發(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。
開放式培養(yǎng)系統(tǒng)的劣勢也非常明顯，如養(yǎng)殖過程和周邊環(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)殖中污染的風險而提高生產(chǎn)的成功率，另外，養(yǎng)殖過程能夠得到嚴密的檢測和控制。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，運行能耗高等問題。
就目前的技術(shù)而言，投資成本和運行成本過大限制了該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，僅生產(chǎn)高值產(chǎn)物的藻類得以利用此類系統(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)最初開發(fā)應(yīng)用于細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)勢在于制造和運行技術(shù)成熟，可推廣應(yīng)用至所有可異養(yǎng)的種類，不需要光，系統(tǒng)集成度高，無地域限制，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，如僅有少部分微藻種類（如小球藻、寇氏隱甲藻）能夠進行異養(yǎng)，運行中依然存在染菌問題，微藻對有機物的耐受濃度低，容易受到抑制，異養(yǎng)條件下，藻類的細胞組分發(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)在多種微藻中實現(xiàn)（如表2所列多種可異養(yǎng)微藻種類），甚至已經(jīng)應(yīng)用于部分種類的規(guī)?；a(chǎn)。雖然發(fā)酵系統(tǒng)一向被認為建設(shè)投入大、運行成本高，但在規(guī)模達到一定程度后，依然可以將生產(chǎn)成本降低到可接受，甚至會低于光自養(yǎng)的生產(chǎn)成本。
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說到養(yǎng)殖系統(tǒng)的事，關(guān)心的人很多，總在比較這個好還是那個好，未來用什么模式合適之類的。在老俞看來，沒這個好那個好的問題，就是個合適不合適的問題。往大了說，涉及到資源和目標關(guān)系，站國家角度可能更看中資源的利用效率，站個人和企業(yè)的角度就要考慮成本和收益，個體戶、小企業(yè)和大企業(yè)各自的立足點也不同，所以采用哪種模式，真的沒法一言而定。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)的小球藻相對質(zhì)量穩(wěn)定，即使成本高，卻有充足的理由喊高價。
所以在說哪種系統(tǒng)好，或者合適之前，先回答以下一些問題：要開發(fā)哪個藻種？該藻種有什么生物學(xué)特性？產(chǎn)品準備用于開發(fā)什么產(chǎn)品，賣給哪個客戶人群？總市場容量有多少？打算占有多少市場容量？技術(shù)門檻和資金門檻準備提到多高？準備在行業(yè)內(nèi)做最大還是最強？手頭錢多地少，還是有現(xiàn)成的大片土地？水電資源及原料是否豐富？有沒有可靠的技術(shù)團隊作為支撐等等。
俞建中
2017年01月22日
俞建中博士系列藻類科普文章鏈接：
