光對微藻的影響

1、光對微藻柴油的影響一、簡介生物柴油是以生物體油脂與醇類物質(zhì)（通常為甲醇、乙醇）為原料，通過酯化 反應(yīng)而得到的長鏈脂肪酸甲酯。藻類的含油量很高，一般占干重的20%50%， 某些微藻的含油量最高可以達到生物質(zhì)干重的80%以上。1所以，應(yīng)用微藻生 產(chǎn)柴油有很大的發(fā)展空間。微藻是一種獨特的光合生物，可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能并且能夠累積高含量的天然油脂，藻類分布廣泛，適應(yīng)環(huán)境能力強，在光 照和潮濕的環(huán)境中幾乎都有藻類的存在，有些甚至可以在鹽堿環(huán)境下生長，與油 料植物相比，藻類無需占用耕地資源，不會與農(nóng)業(yè)產(chǎn)生競爭關(guān)系，不會造成糧食 危機，這一點是我們?yōu)槭裁礃O力發(fā)展微藻柴油的原因，且它克服了植物生長周期

2、 長，受季節(jié)氣候變化影響等不定因素，更使人們對微藻生產(chǎn)柴油充滿了希望。國內(nèi)外研究微藻生產(chǎn)柴油的人很多，方向也不同，大致根據(jù)目前微藻柴油面 臨的問題分為以下四個方面：一是微藻收獲的固液分離過程的方法改進，以便適 應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn);二是針對地域環(huán)境的不同，考慮地區(qū)因素來生產(chǎn)，例如光照強度， 溫度，反應(yīng)器中水分蒸發(fā)等等都應(yīng)考慮到整個模型中，這些都是影響微藻生長的 重要因素。部分微藻反應(yīng)器建造在沙漠地帶就是考慮了光照影響；三是應(yīng)用基因 工程改造的微藻，雖然具有較高的油脂含量，但是對自然生態(tài)系統(tǒng)存在潛在的威 脅，不適合開放式培養(yǎng)，因此在提高含油量的同時也要考慮如何避免這種危害； 四是現(xiàn)在十分熱門的利用污水處

3、理廠、發(fā)電廠等工廠污水作為微藻基質(zhì)進行培養(yǎng)， 利用微藻對污水的部分凈化功能和產(chǎn)柴油功能相結(jié)合。所以對于微藻的研究方向很多，藻類屬于光能自養(yǎng)型，在這里主要討論光源 對微藻生長以及成產(chǎn)柴油的影響。二、光對與微藻的影響光照是影響微藻生長的最重要的環(huán)境因子之一。光照對微藻的生長、繁殖、 藻體顏色、細胞形態(tài)及胞外多糖積聚都有重要影響。自然界中光照的變化具有一 定的規(guī)律性和穩(wěn)定性，在微藻的長期進化過程中，光照對它們的影響使它們對光 照的反應(yīng)具有特異性，不同的微藻都有最適于其生長的最佳光照環(huán)境。在微藻培 養(yǎng)中，研究光照的作用，應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓庹占夹g(shù)加快培養(yǎng)對象的生長繁殖，調(diào)節(jié)其 營養(yǎng)成分，是提高產(chǎn)量和質(zhì)量的重要

4、途徑。光照作為一個復(fù)雜的生態(tài)因子，作用 因素包括光照強度、光照周期和光譜。L2J綜觀國內(nèi)外這方面的報道，目前研究尚處于個體情況的資料積累階段。其中， 光強和光周期的調(diào)節(jié)容易實現(xiàn)，相關(guān)研究較多。對于光強的作用規(guī)律，一般表現(xiàn) 為各種藻類都存在某個最適合生長的光強范圍，此范圍之內(nèi)的光強照射能夠推動 較高的生長速率，此范圍之外的光強照射將導(dǎo)致生長速率的下降。光周期一般指 一天當(dāng)中光照時間和黑暗時間的比例，它對微藻生長的影響通常表現(xiàn)為各種微藻 都有一個最佳的光暗時間比，并非光照時間越長越好3。由于調(diào)節(jié)光源的光譜結(jié) 構(gòu)在實驗實現(xiàn)上存在一定的困難，針對光譜方面的相關(guān)研究較少，相關(guān)文章多針 對紅藍綠光對微藻生

5、長影響進行研究，對于不同藻類對光譜結(jié)構(gòu)喜好也有所不同。在目前微藻產(chǎn)生物柴油培養(yǎng)中，通常利用對日光收集提供照明。當(dāng)然日光的 從地域性，穩(wěn)定性考慮不能作為唯一提供能量的光源，并且基于光強，光周期及 光譜對藻類生長的不同影響來看，適當(dāng)?shù)膶庠催M行修正是必要的。三、文獻閱讀1.關(guān)于光強及光周期影響對于光源對微藻生長的研究來自荷蘭瓦格寧根大學(xué)的Rene H. Wijffels教授 有很多相關(guān)研究。其中一篇關(guān)于Luminostat操作是一種最大化一天中光照循環(huán)微 藻光合效率的光生物反應(yīng)器的文章，實驗中通過模擬戶外光線，以評估不同的光 線條件光生物反應(yīng)器l uminostat的控制。囹在一天中，太陽輻射的變

6、化從零到飽和或過飽和水平。戶外的微藻生產(chǎn)，因 此也受光一天的開始和結(jié)束及晚上時間的限制。此外，在陽光水平低或高生物量 濃度的細胞相互的陰影會導(dǎo)致負的光合作用率（呼吸作用）的暗區(qū)內(nèi)部的作用形 成。這將導(dǎo)致一個較低的生物生產(chǎn)力和降低整體的光合效率。55太陽輻照度也各不相同，整個一年在室外種植明顯比基于人工光源在連續(xù)種 植導(dǎo)致更復(fù)雜的操作過程。Luminostat條件中，一定光線條件下生物質(zhì)濃度不斷 調(diào)節(jié)，可能會使光合限制減少，提高光合效率。但是l uminostat操作應(yīng)確保光生 物反應(yīng)器中沒有黑暗的區(qū)域，這自然是要對不斷生長的微藻進行稀釋等調(diào)節(jié)。如 果這個預(yù)期可以實現(xiàn)，是可以得到一個有較高光合效

7、率和生產(chǎn)能力。在人工光源條件下，最佳的光照強度在光生物反應(yīng)器后面可以輕松，自動， 控制引導(dǎo)整個一天在一個最佳的生物量濃度。但是，這種方法沒有經(jīng)過實際的日 常光周期測試。因此，主要研究中生物量密度不斷適應(yīng)不斷變化的光線條件下， 測試所謂的l uminostat方法為一種提高光合效率和生產(chǎn)力小球藻體積工具。文章提到2011年Aiche會議關(guān)于光影響微藻反應(yīng)的報告，PBR需要結(jié)合隨時 間變化的過程中截獲的太陽能輻射的理論框架，即培養(yǎng)體積內(nèi)的輻射光能源運輸， 和當(dāng)?shù)伛詈瞎夂显鲩L建模。PBR生產(chǎn)力不僅是照明表面上截獲的光，而且受內(nèi)部 光衰減條件下入射角和太陽輻射的光彌漫性分布的影響。文章結(jié)果表明測試l

8、uminostat控制在這項工作中，在夏季時間在高輻射區(qū)高 效增長，避免光抑制和光飽和。由此產(chǎn)生的生物量為1.27克每吸收的光子，等于 以前發(fā)現(xiàn)的恒化器控制下摩爾生物質(zhì)能的收益率。嚴格的l uminostat操作無法維持在不同的室外光照條件下。出于這個原因， 它是不易實現(xiàn)的，如果能確定一個假設(shè)的嚴格l uminostat操作會得到更高的生產(chǎn) 能力，從而l uminostat控制策略需要進一步修改。以下為其反應(yīng)器示意圖：CryostatCultureGas RecirculationRecircUltion flow systemrMF j1111DAQJLbViewOutput一十1modul

9、e11.圖中為平板式光反應(yīng)器，生長空間在LED光源和水膜之間。實線代表物質(zhì)流 （氣，水，媒體和培養(yǎng)液）和虛線信息流（溫度，PH值，DO,物料平衡，氣體 成分）。一個標(biāo)準量子傳感器放置在反應(yīng)器的表面，面板記錄在線應(yīng)用光強度。 這光強度值是用來不斷地適應(yīng)在光生物反應(yīng)器光輸入所需的光分布。另一個標(biāo)準 量子傳感器被放置在外水膜表面記錄在線傳輸?shù)墓猓≒FDout）。光傳輸值是用 來不斷適應(yīng)的生物量濃度內(nèi)的光生物反應(yīng)器根據(jù)所需的PFDout設(shè)定。2.關(guān)于光譜結(jié)構(gòu)影響Tao You等研究了紅光和藍光對Porphyridium cruentum生長的影響。藍燈和 紅燈可用于提高光合作用的效率并增加胞外多糖的生

10、產(chǎn)。Porphyridium cruentum 生長和產(chǎn)生的胞外多糖波通過對波長和強度測定。光的質(zhì)量是控制生長和多糖生 產(chǎn)的一個關(guān)鍵因素。在光照強度增強下Porphyridium cruentum增長速度增加，但 超出了飽和點時光會抑制微藻的生長。利用紅藍光譜提高生長和胞外多糖產(chǎn)量取 決于光合作用過程的特點。高效的光傳輸是最重要的優(yōu)化生物光合成的參數(shù)，結(jié) 果表明紅光藍光的組合能加快微藻的生長。7You - Chul Jeon開發(fā)一個系統(tǒng)，可以精確地測量光依賴微藻光合活性，并成 功地用于獲取在不同濃度的藻細胞的光合作用輻照響應(yīng)，以及各種光源的強度。 測量系統(tǒng)的目的是要精確地控制照明光的強度和頻譜

11、。為了測試測量系統(tǒng)的重復(fù) 性，雨生紅球藻被用來作為一種模式微藻應(yīng)變。當(dāng)光源改變，發(fā)現(xiàn)紅燈比綠燈更 有效地利用藻類光合作用，甚至模擬日光。這是有可能發(fā)生，是因為生紅球藻擁 有一個特殊的顏料（即葉綠素a），這使它能夠收獲紅燈地區(qū)。Nathalie Korbee用紅黃綠藍白等五種光照射紅藻Porphyra ieucosticta，對 Porphyra leucosticta行了研究測量葉綠素?zé)晒夂凸夂仙氐姆e累，蛋白質(zhì)和吸 收紫外線類菌胞素氨基酸。藍燈的使用使氮代謝衍生復(fù)合物積累量達到最高，藻 紅蛋白和蛋白質(zhì)在以前的氮源匱乏藻類中經(jīng)過七天得到較高產(chǎn)量。類似的結(jié)果， 在白光照射下也可觀察到。相比之下，

12、同在紅光和白光中得到的高產(chǎn)量相比，藍 光照射下具有最低的光合能力，即最低的電子傳輸率和最低的光合效率以及增長 速度。然而，白色，綠色，黃色和紅色的燈光的傾向于shinorine積累。9總結(jié)光對微藻生長影響到其對產(chǎn)柴油的影響，控制微藻生長過程中的光源情況， 也是微藻柴油生產(chǎn)過程中重要的部分。光對微藻的影響分三部分，光強度，光周 期和光譜。其中就光強度而言，會出現(xiàn)光抑制和光飽和現(xiàn)象，針對這種現(xiàn)象可以 通過對光的稀釋或通過對生物量濃度的稀釋進行調(diào)節(jié)，讓光保持在促進生長生產(chǎn) 的范圍內(nèi)。對于光周期，主要是要根據(jù)當(dāng)?shù)毓庠辞闆r進行處理，并找到適合的明 暗時間比，目前大量的工程都在對其光反應(yīng)器進行改進，考慮因

13、素很多，當(dāng)然光 源也是重要的一點，拿閉合式光生物反應(yīng)器來說，主要是通過集中日光來供能， 其實對光源的控制可以更靈活一些。對于光譜而言，要針對不同微藻種類而言， 大多數(shù)微藻較傾向于白光和紅光生長情況更好，紅光更優(yōu)。參考文獻王萌,陳章和.藻類生物柴油研究現(xiàn)狀與展望J,生命科 學(xué),2011,23(1):121-126尤珊，鄭必勝淳K祀遠.光照對螺旋藻生長和形態(tài)的影響J,微生物學(xué)雜 志,2002，22(6)： 58-59.Anette Kfister， Ralf Schaible， Hendrik Schubert. Light acclimation of photosynthesis in thr

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18、Porphyra leucosticta (Bangiales, Rhodophyta)J, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology,2005,80(2):71-78.五個主流作者Yusuf Chisti,新西蘭梅西大學(xué)工程學(xué)院生物工程系教授。教授從英國倫敦 大學(xué)的理學(xué)碩士學(xué)位(生化工程)學(xué)位，并從加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)工程 博士學(xué)位。是特批工程師，化學(xué)工程師(FIChemE)，英國學(xué)會研究員。他 的工作涉及許多方面的生化和化學(xué)工程，應(yīng)用生物技術(shù)，環(huán)保技術(shù)。他的 研究領(lǐng)域包括生物反應(yīng)器設(shè)計，下游的生物分離，微生物發(fā)酵，酶技術(shù)，

19、動物細胞培養(yǎng)，生物修復(fù)和生物轉(zhuǎn)化的廢物，和轉(zhuǎn)運現(xiàn)象。他作為以下刊 物的編委：Biotechnology Advances, Journal of Biotechnology, Biotechnology Letters, Journal of Applied Phycology, Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis, and Bioseparation (Wiley, New York, 1999), Encyclopedia of Industrial Biotechnology, Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology (Wiley, New York, 2010), Biofuels, Environmental Engineering and Management, Biofuels, Bioproducts & Biorefining。Rene Wijffels，生物過程工程的領(lǐng)導(dǎo)者。他在環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域獲得生物過程 工程博士學(xué)位，在荷蘭瓦赫寧根大學(xué)獲得碩士學(xué)位。自1991年以來參與 這個教授生物技術(shù)課程和環(huán)境生物技術(shù)的研究