近日,我國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的科研人員以可異養(yǎng)培養(yǎng)的富油柵藻為研究對(duì)象,通過對(duì)培養(yǎng)方式、過程的不斷優(yōu)化,攻克了長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法精確控制葡萄糖濃度這一技術(shù)難題,突破了微藻大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸,實(shí)現(xiàn)富油柵藻的超高密度培養(yǎng)。據(jù)中科院水生所微藻生物技術(shù)和能源中心研究員金虎透露,水生所研究團(tuán)隊(duì)利用相關(guān)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)蛋白、蝦青素、β-1,3葡聚糖、多不飽和脂肪酸等多種經(jīng)濟(jì)微藻的超高密度異養(yǎng)培養(yǎng),目前已經(jīng)在開展這些功能微藻在飼料、功能食品等領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)工作。
1950年美國(guó)麻省理工學(xué)院開始進(jìn)行養(yǎng)殖藻類生產(chǎn)生物燃料的試驗(yàn),首次提到微藻生物能源。二次石油危機(jī)爆發(fā)后,各國(guó)在微藻的培育和開發(fā)方面都進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室開始重點(diǎn)開發(fā)適于微藻生物柴油生產(chǎn)的培養(yǎng)系統(tǒng)和制備工藝,希望研發(fā)出新的石油制造途徑和可替代產(chǎn)物。日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部也啟動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目,利用微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的二氧化碳來(lái)生產(chǎn)新能源。但隨著后期石油價(jià)格的逐漸回落,加上微藻形態(tài)極小,工業(yè)化培育又是一直以來(lái)難以突破的技術(shù)關(guān)隘,因此微藻能源的研究逐漸停滯下來(lái)。
我國(guó)從1958年開始培養(yǎng)作為食晶和飼料的微型藻類,中科院水生所等科研機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行了多種微藻的大量研究,為微藻培育打下了基礎(chǔ)。此后隨著技術(shù)的不斷成熟,我國(guó)在藻種選育、培養(yǎng)基配制及某些培養(yǎng)技術(shù)方面都取得了重大成果。
異養(yǎng)培養(yǎng)作為一種新型的微藻培養(yǎng)方式,其具有效率高、精確可控、易批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但異養(yǎng)培養(yǎng)對(duì)于操作技術(shù)的要求也更高,不僅需要提前研究分析各類微藻的適宜生長(zhǎng)環(huán)境如鹽度、溫度、光照度以及酸堿度等。而且微藻培養(yǎng)基制備、接種等環(huán)節(jié)的技術(shù)和環(huán)境要求都非常嚴(yán)格,均要在無(wú)菌條件下進(jìn)行試驗(yàn)操作。而這些過程都離不開科學(xué)儀器及設(shè)備的幫助,如生物顯微鏡、移液器、分光光度計(jì)、恒溫培養(yǎng)箱、高壓滅菌鍋、PH計(jì)、離心機(jī)等都是微藻培育實(shí)驗(yàn)室的常用設(shè)備。
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),地球上每一次文明的進(jìn)步都伴隨著能源的改革和興替,因此對(duì)于能源的探索和利用在保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方面具有重要意義。在我國(guó)煤電資源枯竭之前,居安思危尋求新的能源,才能更快地走上可持續(xù)發(fā)展的道路。
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一 光采集管理(Managing light collection)
?1 微藻培養(yǎng)地點(diǎn)選擇
全球的太陽(yáng)能分布不均勻,在赤道附近平均太陽(yáng)能最高(低緯度地區(qū)),兩極最低。此外,各地區(qū)的氣候及氣象情況(陰雨天多,臺(tái)風(fēng)等)也顯著地的影響地面上獲得的太陽(yáng)能。此外,還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃Y源,原材料、人力、基礎(chǔ)設(shè)施條件來(lái)確定微藻培養(yǎng)地點(diǎn)。
2 反應(yīng)器方向和太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)
微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)的擺布方向顯著地影響太陽(yáng)光的接受。一般而言,朝東-朝西擺放的光生物反應(yīng)器捕獲的光能高于朝南-朝北擺放的反應(yīng)器。同時(shí),類似向日葵可跟蹤太陽(yáng)位置的光反應(yīng)器的光能捕獲量可提高40-100%(與水平面相比)。當(dāng)然,此系統(tǒng)過強(qiáng)的光照也會(huì)抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng),產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象。
二 光譜分布管理(Managing spectral distribution)
?1 光譜影響
用于光合作用的光波長(zhǎng)為400-700nm。不同光譜的光對(duì)微藻生長(zhǎng)及產(chǎn)物積累的影響具有重要影響。藍(lán)光可以提高小球藻葉綠素合成和微擬球藻的油脂合成。紅光能提高雨生紅球藻細(xì)胞生長(zhǎng),藍(lán)光可以提高藻細(xì)胞中蝦青素的合成。藍(lán)光條件培養(yǎng)小球藻2天顯著促進(jìn)藻細(xì)胞增大,然后在紅光條件下促進(jìn)小球藻細(xì)胞分裂,藻細(xì)胞產(chǎn)量提高了20%以上。
2 ?LED燈
LED人工光源具有特定光譜定制的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)室微藻培養(yǎng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用,但在大規(guī)模微藻培養(yǎng)中的應(yīng)用受到成本的限制尚未大規(guī)模使用。假設(shè)電單價(jià)0.1$/kwh,光-電轉(zhuǎn)化效率40%,光-藻細(xì)胞(化學(xué)儲(chǔ)能)轉(zhuǎn)化效率13.5%,則1kg干藻的LED電耗微14$。
3 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化材料
通過熒光和磷光材料將一種波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)化成另外一種波長(zhǎng)的光。實(shí)驗(yàn)表明在北面使用轉(zhuǎn)光材料的光反應(yīng)器中,雨生紅球藻在低密度培養(yǎng)時(shí),藻細(xì)胞濃度提高了36%。
4 ?等離子體散射(Plasmonic scattering)
光照射到金屬納米顆粒產(chǎn)生的表面等離子能夠增強(qiáng)周圍的電磁場(chǎng),有利于特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行定向散射。如圖所示,等離子基板反射了35%紅光(光合作用利用高的光),使得其它波長(zhǎng)的光透過基板進(jìn)入光伏電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能。
三 光分布管理(Managing light distribution)
1 藻細(xì)胞密度和光程
微藻培養(yǎng)的產(chǎn)率與藻細(xì)胞密度、光程、混合等相關(guān),需要從這幾個(gè)方面進(jìn)行綜合優(yōu)化?;旌吓c藻細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率相關(guān),其影響藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。
2 光稀釋
使用球面結(jié)構(gòu)反應(yīng)器(如管式),改變布局方向,改變傾斜角度均可以實(shí)現(xiàn)戶外光強(qiáng)的稀釋,使得高光強(qiáng)變成中低光強(qiáng)等適合微藻生長(zhǎng)的光強(qiáng)范圍內(nèi)。同時(shí),可以使得光傳遞材料使得外部的光強(qiáng)傳遞到藻液中進(jìn)行重新分配和分布,提高光在藻液中的均勻性。
四 細(xì)胞光能利用管理(Managing cellular light utilization)
通過基因工程手段改造藻細(xì)胞的光合系統(tǒng),從而提高光能轉(zhuǎn)化效率。
本文轉(zhuǎn)自:Nature ?Communications
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水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染來(lái)源主要是水產(chǎn)動(dòng)物代謝排放和餌料殘余所導(dǎo)致。通過對(duì)其進(jìn)行分析可知,其污染物種類分為無(wú)機(jī)污染(以氮磷營(yíng)養(yǎng)元素為代表)和有機(jī)污染(以COD為代表)。餌料的大量投入是氮磷元素輸入的主體,分別占到總量的70%及90%以上。這部分輸入一方面被水生動(dòng)物代謝,一方面則以氨氮、硝態(tài)氮、亞硝酸鹽和磷酸鹽形式向沉積物富集。殘餌也是COD為代表的有機(jī)污染的貢獻(xiàn)者,除此,還有肥料、水產(chǎn)品殘骸等來(lái)源。由此可見,若開展水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化,重點(diǎn)則在于去除有機(jī)物質(zhì)和脫氮除磷。
通過上述水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中污染物種類分析,微藻能夠凈化廢水的前提則是它能夠利用這些物質(zhì)。下面逐一分析微藻對(duì)這些污染物的利用方式。2、 微藻如何代謝利用養(yǎng)殖廢水成份
(1) 吸收有機(jī)碳源:微藻胞內(nèi)也具有蛋白質(zhì),其中,有一種特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,這種蛋白將胞外有機(jī)碳以協(xié)助擴(kuò)散或協(xié)同運(yùn)輸方式搬入微藻細(xì)胞內(nèi)。
(2) 脫氮:藻類能夠同化銨鹽和尿素不同形態(tài)的氮源。亞硝酸鹽和硝酸鹽耗能跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)催化形成銨鹽;尿素分解為碳酸氫鹽和銨鹽。這些銨鹽可直接由一組轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨膜運(yùn)輸至胞內(nèi)。
(3) 除磷:在自養(yǎng)過程中,藻細(xì)胞光合作用促使水體的pH上升,水體pH的上調(diào)則會(huì)促進(jìn)正磷酸鹽沉淀,從而間接達(dá)到去除磷目的。此外,微藻還可以吸附養(yǎng)殖廢水中的金屬離子。
(4) 絡(luò)合金屬離子:微藻可通過絡(luò)合反應(yīng)或離子交換作用吸附重金屬。廢水中的金屬陽(yáng)離子可與細(xì)胞里的蛋白質(zhì)、脂類和多糖中所帶負(fù)電荷的官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合。
3、 微藻廢水處理的應(yīng)用
(1) 微藻選擇:目前,較為有應(yīng)用前景的單細(xì)胞藻類為小球藻、斜生柵藻等。
(2) 凈化方式:一般包括藻-菌共生系統(tǒng)、藻類塘、固定化藻類處理方式和光生物反應(yīng)器的方式。
(3) 凈化效果:不同的實(shí)踐條件下具有不同的凈化效果。總的來(lái)看,凈化效果都比較顯著。
實(shí)踐證明,運(yùn)用微藻于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水后處理過程中具現(xiàn)實(shí)可行性,并且,多樣化的凈化方式正在不斷升級(jí)以助力于水質(zhì)凈化,成為養(yǎng)殖水處理的發(fā)展方向。
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中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所利用定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法,鑒定不同營(yíng)養(yǎng)模式下藍(lán)藻的差異蛋白質(zhì)組,并找出影響藍(lán)藻生長(zhǎng)的關(guān)鍵蛋白因子。共發(fā)現(xiàn)了155個(gè)蛋白在不同的營(yíng)養(yǎng)模式下差異表達(dá),而其中差異最為顯著的是參與非光依賴性葉綠素合成的蛋白網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明該網(wǎng)絡(luò)對(duì)于藍(lán)藻在某些自然環(huán)境下不同營(yíng)養(yǎng)模式之間切換時(shí)維持正常含量的葉綠素具有重要意義。
該項(xiàng)研究成果于8月29日在線發(fā)表于《分子植物》(Molecular Plant, DOI: 10.1016/ j.molp.2016.08.006)。遺傳發(fā)育所汪迎春研究組博士生方龍發(fā)、葛海濤和工作人員黃夏禾為該論文的并列第一作者。該工作得到國(guó)家科技部項(xiàng)目以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
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上海光語(yǔ)生物科技有限公司應(yīng)客戶要求尋找寇氏隱甲藻(Crypthecodinium cohnii)藻種,經(jīng)過之前8個(gè)月的自然水域分離篩選失敗后,我們嘗試與國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)發(fā)表者聯(lián)系交換和購(gòu)買,同時(shí)我們也嘗試從美國(guó)ATCC或者NCMA購(gòu)買。
在多方幫助下,我們最終拿到藻種后,我們鏡檢發(fā)現(xiàn)沒有活體細(xì)胞但是有孢囊,我們配置f/2+NPM培養(yǎng)基進(jìn)行擴(kuò)培,分別放置于20攝氏度和24攝氏度的環(huán)境下。
經(jīng)過4天之后,藻細(xì)胞密度非常高。
上述過程得到國(guó)內(nèi)和香港高校學(xué)者的技術(shù)支持,在此表示感謝!
啟發(fā)如下:
1、國(guó)內(nèi)客戶如果要從海外購(gòu)買藻種,進(jìn)口過海關(guān)必須有檢驗(yàn)檢疫的許可證,高校必須先去當(dāng)?shù)貦z驗(yàn)檢疫登記備案(高校相對(duì)容易,有實(shí)驗(yàn)室條件,學(xué)校作保,獲批較易),企業(yè)則需要通過環(huán)保部門的現(xiàn)場(chǎng)審核才能從檢驗(yàn)檢疫拿到許可證(擔(dān)心藻會(huì)污染水體,一般情況下獲批時(shí)間較長(zhǎng)),目前國(guó)內(nèi)的代購(gòu)病毒菌株已經(jīng)很成熟了(病毒菌株代購(gòu)手續(xù)費(fèi)5000元人民幣),但是微藻代購(gòu)基本沒有,因?yàn)楣芸睾車?yán)格。
2、微藻細(xì)胞可以利用有機(jī)營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行擴(kuò)培,之前小球藻可以用葡萄糖,紅球藻可以用乙酸鈉,因此我們?cè)贔/2+NPM培養(yǎng)基里面Organics?Stock?Solution?試劑中發(fā)現(xiàn)了葡萄糖,乙酸鈉,琥珀酸鈉,蛋白胨,酵母膏等成分,微藻培養(yǎng)只是用到其中的一種或者幾種有機(jī)成分,并不是全部,但是這樣子萬(wàn)無(wú)一失。
3、海外快遞只有5ml或者15ml的藻液細(xì)胞或者固體平板,生物量小,活體細(xì)胞存活時(shí)間有限,藻種除了價(jià)格之外,歐美的運(yùn)費(fèi)都要1000多人民幣一次,一般購(gòu)買一次藻種的費(fèi)用加上關(guān)稅都在3000元人民幣,被扣或者擴(kuò)培失敗一次就是6000(不包括為此準(zhǔn)備的耗材試劑費(fèi)用)。建議在購(gòu)買藻種之前聯(lián)系上海光語(yǔ)生物科技有限公司等專業(yè)微藻公司聯(lián)系擴(kuò)培處理事宜
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此外,微藻培養(yǎng)的水足跡是評(píng)價(jià)微藻培養(yǎng)技術(shù)的重要參數(shù)。目前普遍采用的跑道池或密閉式光反應(yīng)器等懸浮培養(yǎng)系統(tǒng),需水量極大。該團(tuán)隊(duì)在微藻貼壁培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過分析影響培養(yǎng)水足跡的因素,提出了減少微藻培養(yǎng)水足跡的策略和反應(yīng)器新結(jié)構(gòu),主要包括:(1)將微藻膜密封在水蒸氣飽和的腔室內(nèi);(2)微藻膜接種在含有足夠多營(yíng)養(yǎng)元素的培養(yǎng)基中;(3)以最小流速通入足夠量的CO2碳源。以雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)為例,采用該策略,每生產(chǎn)1kg藻粉,培養(yǎng)過程水足跡是35.7L,生產(chǎn)1kg蝦青素,培養(yǎng)過程水足跡是1440L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前利用懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)了微藻培養(yǎng)大幅度節(jié)水的目的。
青島能源所微藻生物膜貼壁培養(yǎng)技術(shù)研究獲進(jìn)展
推薦原文:
The water footprint of biofilm cultivation of Haematococcus pluvialis is greatly decreased by using sealed narrow chambers combined with slow aeration rate
上海光語(yǔ)生物科技有限公司為客戶量身定做藻類植物生產(chǎn)培養(yǎng)定制光源產(chǎn)品。
圓形植物燈能夠代替3-5倍功率的高壓鈉燈, 節(jié)約80%的電能。
LED波長(zhǎng)可由客戶指定, 我們建議紅光波長(zhǎng)使用620-630nm和640-660nm, 藍(lán)光波長(zhǎng)使用450-460nm和 460-470nm。紅光促進(jìn)植物發(fā)芽、開花、延長(zhǎng)花期, 藍(lán)光促進(jìn)植物生長(zhǎng),您可以自主選擇更合適的波長(zhǎng)和顏色比例促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。
不同光之間的比例可由客戶指定,我們建議的比例是(紅:藍(lán))8:1, 7:2 和7:1:1 ,紅.藍(lán).橙.白混合光提供給植物.
方形植物燈燈板,非常適合土地的照射.功效好因?yàn)樗墓庹蘸軓?qiáng)烈.
寬發(fā)光角度: 常規(guī)120 度 (具有很大的照射面積).根據(jù)客戶要求也可選用其它發(fā)光角度。
光衰很小, 壽命高達(dá)5萬(wàn)小時(shí).能夠結(jié)合熒光燈使用.
散發(fā)的光芒充足被植物吸收, 相比較于HID的植物燈能產(chǎn)生相同的結(jié)果,但功效更強(qiáng).
高光效: 90% 散發(fā)的光能夠被植物所吸收. 但是對(duì)于傳統(tǒng)高壓納燈和金鹵燈來(lái)說, 只有 8-10% 的光效.
1.只能室內(nèi)使用。
2.插上電源時(shí)不要觸碰燈的表面。
3.不能用于在有水或灌溉的地方。
4.不能讓水浸濕植物燈。
5.植物燈的環(huán)境溫度最好低于65℃. 大棚的溫度最好為25℃-28℃。
6.下雨天您最好關(guān)掉電源,因?yàn)槲覀兒ε聦?huì)超出避雷的范圍。
7.當(dāng)植物燈在夜間點(diǎn)亮的時(shí)候,很容易吸引昆蟲和小動(dòng)物,需關(guān)上大棚的門。
8.植物燈的照射時(shí)間與太陽(yáng)光光照時(shí)間應(yīng)為10-14小時(shí).
9.植物燈與植物的距離一般為2.5m-3.5m, 90W植物燈最低高度為1.5m,300W植物燈為2m,600W植物燈為3-4m。
10.照射面積:90W照射面積為28 M2/3m,90W方形是31M2/3米,300W是120M2/5m高,600W是180M2/6m,120W植物燈是78M2/3m,50W植物燈是19.6 M2/3m。
11.兩個(gè)90W植物燈是每隔3米放一個(gè),120W是每隔3米放一個(gè),300W是每隔4-5米放一個(gè),600W植物燈是每隔8米放一個(gè)。
1. 只能室內(nèi)使用.
2. 安裝前切斷電源,防止觸電,在工作時(shí)避免用手觸摸燈的表面。
3. 使用時(shí)確保產(chǎn)品在正常環(huán)境下使用。
4. 避免安裝在熱源處及熱蒸汽,腐蝕性氣體的場(chǎng)所,以免影響壽命。
5. 安裝前確保安裝位置可以承受10倍于該產(chǎn)品的重量。
6. 安裝于無(wú)震動(dòng),無(wú)搖擺,無(wú)火災(zāi)隱患的地方
7. 本產(chǎn)品無(wú)防水功能,切勿淋水。
8. 產(chǎn)品在工作時(shí)切勿觸摸,敲打產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞:微藻培養(yǎng),光生物反應(yīng)器,進(jìn)展
藻類不僅富含蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物這三大類人類所必需的物質(zhì)而且還含有各種氨基酸、維生素、抗生素、高不飽和脂肪酸以及其它多種生物活性物質(zhì)是人類向海洋索取食品、藥品、生化試劑、精細(xì)化工產(chǎn)品、燃料以及其它材料的一種重要途徑。隨著全球性資源短缺壓力的日益增加開發(fā)和利用海洋藻類將是長(zhǎng)遠(yuǎn)解決人類食品資源和能源的重要途徑。隨著人類對(duì)微藻認(rèn)識(shí)的不斷加深開發(fā)和研制新型高效光生物反應(yīng)器及其在微藻的高密度培養(yǎng)方面的應(yīng)用研究已成為微藻生物技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。本文綜合國(guó)內(nèi)外的最新研究著重介紹微藻培養(yǎng)及最新的培養(yǎng)反應(yīng)器。
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