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    一株耐NaHCO3高含油綠藻的篩選鑒定

    2016-11-24 05:27:17虹高宏徐旭東孔任秋
    水生生物學(xué)報(bào) 2016年2期
    關(guān)鍵詞:油脂

    周 虹高 宏徐旭東孔任秋

    (1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

    研究簡(jiǎn)報(bào)

    一株耐NaHCO3高含油綠藻的篩選鑒定

    周 虹1,2高 宏1徐旭東1孔任秋1

    (1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

    傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量日益減少, 化石能源燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳是全球變暖的主要元兇, 因此, 能夠替代傳統(tǒng)化石燃料、可再生的新型能源受到廣泛的關(guān)注, 生物柴油便是較為理想的新型能源之一[1]。雖然油料作物、廢棄油脂等為生物柴油生產(chǎn)提供了部分原料, 但其成本、規(guī)模及可持續(xù)性受多種因素的制約[2]。目前, 利用光合自養(yǎng)的微藻生產(chǎn)生物柴油的潛在價(jià)值已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可, 微藻生物柴油技術(shù)在減少CO2排放、大規(guī)模培養(yǎng)、產(chǎn)油效率等方面的優(yōu)勢(shì)日益突顯[3]。微藻生物柴油的生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)的工程, 獲得產(chǎn)油率高、生長(zhǎng)性能良好的藻株是實(shí)現(xiàn)微藻生物柴油生產(chǎn)的前提[4]。優(yōu)良藻種缺乏以及藻種優(yōu)良性狀不穩(wěn)定均是產(chǎn)油微藻規(guī)?;a(chǎn)的限制因素[5]。

    微藻篩選過程中最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是藻株的含油量和油脂積累速率[6], 同時(shí)還響到生物柴油的質(zhì)量和穩(wěn)定性。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外的研究者們?cè)趯?duì)已有藻種產(chǎn)油性能的評(píng)價(jià)及培養(yǎng)條件的優(yōu)化方面做了大量的工作[9]。然而,自然界中微藻資源豐富、生境范圍廣, 可用于生物柴油生產(chǎn)的優(yōu)良藻種有待進(jìn)一步的發(fā)掘。從野外分離篩選的產(chǎn)油微藻對(duì)溫度、光照和培養(yǎng)基的鹽度具有較廣的耐受性, 能更好地適應(yīng)環(huán)境條件的變化, 更適用于大規(guī)模培養(yǎng)。席瑋芳等[10]利用沙漠地下水培養(yǎng)產(chǎn)油微藻, 分離到了一些耐高堿、高鹽等極端條件的藻種, 這些藻可以利用沙漠和鹽堿灘涂等非農(nóng)用土地作為的規(guī)?;囵B(yǎng)基地, 且在室外大量培養(yǎng)時(shí)較好地避免其他微生物的侵害。本研究對(duì)一些野外采集分離的含油藻株進(jìn)行了篩選和評(píng)價(jià), 意在獲得耐受高鹽堿條件且高產(chǎn)油的藻株。

    1 材料與方法

    1.1 藻種初步篩選

    本研究所用藻種是從我國(guó)河北、山西的河流、湖泊、水庫(kù)及污水處理廠等水體中采集水樣, 經(jīng)稀釋涂布平板的方法分離純化, 薄層層析初步篩選[11]出含油的藻種。

    1.2 藻種顯微鏡觀察和18S rDNA測(cè)序

    取少量處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻細(xì)胞液, 置于Olympus BX41型光學(xué)顯微鏡下觀察藻細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)并拍照。采用CTAB法提取藻株的基因組DNA[12], 以通用引物18S-1 : 5′-tggttgatcctgccagtagtc-3′/18S-2 : 5′-tgatccttctgcag gttcacc-3′[11,13]進(jìn)行PCR 擴(kuò)增獲得相應(yīng) 18S rDNA 片段。通過瓊脂糖凝膠電泳分離并用膠回收試劑盒(Bioflux)回收目的片段, 獲得18S rDNA 基因片段。將回收的片段克隆到 pMD18-T (Takara)載體上, 測(cè)序得到對(duì)應(yīng)藻株的18S rDNA序列, 提交NCBI GenBank比對(duì)分析, 使用ClustalX進(jìn)行對(duì)位排列后用軟件MEGA5.1構(gòu)建進(jìn)化樹。

    1.3 柱狀光反應(yīng)器培養(yǎng)

    將所有藻株接種于20 mL BG11[14]或含0.1 mol/L NaHCO3的BG11(高堿BG11)液體培養(yǎng)基中, 于30℃、30 μE/(m2·s)條件下24h連續(xù)光照靜置培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期。再同時(shí)接種至NaNO3濃度分別為1.50和0.15 g/L 的150 mL BG11或高堿BG11培養(yǎng)基的柱狀光生物反應(yīng)器(直徑d=3 cm, 柱高h(yuǎn)=50 cm), 初始接種光密度OD680約為0.05.柱狀光生物反應(yīng)器雙側(cè)光強(qiáng)均為200 μE/(m2·s), 培養(yǎng)溫度為30℃, 24h連續(xù)光照, 空氣壓縮泵通入含有CO2的壓縮空氣 (3% CO2)。培養(yǎng)至平臺(tái)期后離心收集藻細(xì)胞, 冷凍真空干燥后提取總脂。

    1.4 總脂含量及油脂積累速率分析

    總脂的提取及定量參照文獻(xiàn)[15], 略有改動(dòng)。用分析天平稱取100 mg冷凍干燥的藻粉, 加入一定體積的氯仿: 甲醇 (1︰1) 溶液超聲破碎細(xì)胞并萃取充分, 再加入1/3體積的滅菌超純水分層, 離心收集下層的氯仿層, 轉(zhuǎn)入已稱重的稱量瓶中, 氮?dú)獯蹈捎袡C(jī)溶劑后, 稱重, 計(jì)算總脂的含量和油脂積累速率??傊?(C, lipid content,%)和油脂積累速率[PL, lipid productivity, mg/(L·d)]計(jì)算公式[9]:

    以上兩式中: m1為提取總脂時(shí)稱取藻粉的質(zhì)量(g), m2為稱量瓶的質(zhì)量(g), m3為提取的總脂和稱量瓶的總質(zhì)量(g), mt為藻株收獲時(shí)單位培養(yǎng)體積的干重(g/L), Ct為收獲時(shí)總脂含量(%), t為培養(yǎng)時(shí)間(d)。

    1.5 回收甘油三酯

    方法參照文獻(xiàn)[16]略改動(dòng)。稱取約20 mg總脂, 溶于500 mL三氯甲烷后, 上樣于硅膠薄層層析板(Silica gel 60, Merk KgaA Darmstadt), 以0.02 mg甘油三酯(Triolein,Sigma)標(biāo)準(zhǔn)品為參照, 置于以正己烷︰乙醚︰乙酸(體積比為70︰30︰1)為展層劑的體系中分離。切下硅膠板上標(biāo)準(zhǔn)品所在的一小塊, 利用碘蒸氣顯色[17]后拼回原位即可指示出樣品中甘油三酯的位置。用小刀刮取該位置的全部硅膠粉, 溶于4 mL三氯甲烷, 離心后收集有機(jī)相于已稱重的稱量瓶中, 重復(fù)萃取3次, 氮?dú)獯蹈珊蠓Q重, 計(jì)算甘油三酯含量。

    1.6 總脂和甘油三酯的脂肪酸組分分析

    將柱狀光反應(yīng)器培養(yǎng)藻株所提取的藻細(xì)胞總脂和甘油三酯(各10 mg)進(jìn)行甲酯化[11], 用正己烷反復(fù)萃取3次后氮?dú)獯蹈桑?溶于100 μL正己烷中, 取1 μL用氣相色譜分析儀(Ultra Trace, Thermo Scientific) 進(jìn)行脂肪酸組成分析, 脂肪酸分析方法參照文獻(xiàn)[18]。

    2 結(jié)果

    2.1 產(chǎn)油藻的初步篩選和鑒定

    從野外分離純培養(yǎng)的藻株中經(jīng)薄層層析篩得到含油的藻種, 包括淡水藻株和耐高堿(0.1 mol/L NaHCO3)藻株, 進(jìn)一步測(cè)定總脂含量, 篩選到6株總脂含量超過30%的藻株, 其采樣點(diǎn)和培養(yǎng)基類型如表 1所示。

    表 1 六株藻的采樣點(diǎn)和培養(yǎng)基類型Tab. 1 Sampling sites and culture media of 6 algal strains

    將以上6株綠藻培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期, 進(jìn)行顯微拍照。其中HSJ280和HSJ354的細(xì)胞較大(圖 1A、B), HSJ280為4個(gè)橢圓形的細(xì)胞并排生長(zhǎng)在一起, 長(zhǎng)度大于10 μm, 細(xì)胞具1個(gè)蛋白核, 兩端各具1刺狀附屬物。HSJ354細(xì)胞為纖長(zhǎng)的梭形, 長(zhǎng)度約為20 μm, 兩端尖細(xì), 色素體片狀, 無(wú)蛋白核。HSJ717也是2個(gè)或4個(gè)橢圓形的細(xì)胞并排生長(zhǎng)在一起(圖 1C), 細(xì)胞的兩端各具1刺狀附屬物, 1個(gè)蛋白核, 長(zhǎng)度5 μm左右。HSJA2和HSJG162(圖 1D、E)細(xì)胞形態(tài)為月牙形, 細(xì)胞較為彎曲, 細(xì)胞兩端略尖, HSJA2細(xì)胞的長(zhǎng)寬比較大, 長(zhǎng)約 5 μm左右。HSJG162細(xì)胞較小, 細(xì)胞長(zhǎng)2—3 μm。HSJG164(圖 1F)細(xì)胞為短粗的紡錘形, 細(xì)胞中部稍凸起。

    以6株藻的基因組DNA為模板, 通過PCR擴(kuò)增得到18S rDNA 片段并進(jìn)行測(cè)序, 提交NCBI GenBank 獲得序列號(hào), 將其序列與GenBank中一些綠藻的18S rDNA序列一起構(gòu)建系統(tǒng)樹(圖 2)。不同系統(tǒng)分析方法構(gòu)建的18S rDNA系統(tǒng)樹具有相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2中HSJ280和鏈帶藻 (Desmodesmus communis)聚集在一起, HSJ717雖與柵藻(Scenedesmus armatus)及鏈帶藻(Desmodesmus ommunis)的關(guān)系都較近, 但是HSJ280和HSJ717兩者細(xì)胞兩端均具有刺狀附屬物, An等[19]將廣義的柵藻屬中具刺狀附屬物的種類定義為鏈帶藻, 因此判斷HSJ280和HSJ717為鏈帶藻屬的種類。 HSJ354與單針藻(Monoraphidium sp.)及纖維藻屬(Ankistrodesmus falcatus var. tumidus)同時(shí)聚集在一起, 但其形態(tài)具有典型的纖維屬的特點(diǎn), 因此將其歸為纖維藻屬的種類。HSJA2、HSJG162和HSJ164分別與不同的單針藻株系聚成一簇, 同時(shí)根據(jù)藻株形態(tài)判斷其屬于單針藻屬。

    圖 1 光學(xué)顯微鏡下6株綠藻的顯微照片F(xiàn)ig. 1 Light micrographs of 6 strains of green alga

    圖 2 基于18S rDNA系列構(gòu)建的6株綠藻的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig. 2 Phylogenetic tree of 18S rDNA sequences of green algae

    2.2 基于總脂含量和油脂積累速率的藻種篩選

    在NaNO3濃度分別為1.50和0.15 g/L的BG11培養(yǎng)基中, 利用柱狀反應(yīng)器培養(yǎng)這6株綠藻至第8天, 提取總脂,計(jì)算總脂含量和油脂積累速率(圖 3)。藻株HSJG162在NaNO3濃度為1.50 g/L培養(yǎng)時(shí)的總脂達(dá)到細(xì)胞干重的45.4%, 其他藻株的總脂含量均在33%左右。其中HSJ280和HSJG164在兩種條件下的總脂含量基本一致;HSJ717和HSJA2在高氮條件下的總脂含量均低于低氮條件下; 但對(duì)于HSJ354和HSJG162, 降低培養(yǎng)基中的NaNO3濃度, 藻株的總脂含量卻有所下降。

    圖 3 兩種氮濃度條件下培養(yǎng)6株綠藻的總脂含量和油脂積累速率Fig. 3 Total lipid content and lipid productivity of 6 strains of green algae grown at different NaNO3concentrations

    在不同的氮濃度條件下, 藻株的油脂積累速率差異很大。在培養(yǎng)基中NaNO3濃度為1.50 g/L時(shí), 藻株的油脂積累均高于100 mg/(L·d)。這6株藻中油脂積累速率最高的藻株為HSJ717, 可達(dá)到190.6 mg/(L·d), 油脂積累速率最低的藻株HSJ354, 也達(dá)到了116.5 mg/(L·d)。當(dāng)NaNO3濃度為0.15 g/L時(shí), 6藻株的油脂積累速率均不足100 mg/(L·d), 最高為88.9 mg/(L·d)(HSJ280), 最低為23.4 mg/(L·d)(HSJ354), 約為氮充足條件下的1/5。

    綜合上述結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)單針藻HSJG162既有最高的總脂含量, 又有較高的油脂積累速率, 而且能夠以含0.1 mol/L NaHCO3的BG11進(jìn)行培養(yǎng), 是一株較為優(yōu)質(zhì)的藻種。

    2.3 單針藻HSJG162產(chǎn)油性狀的進(jìn)一步分析

    在柱狀光反應(yīng)器中對(duì)該單針藻HSJG162進(jìn)行通氣培養(yǎng), 設(shè)3個(gè)平行, 至平臺(tái)期收集藻細(xì)胞, 提取其總脂并分離其中的甘油三酯, 以稱重法分別測(cè)定其總脂和甘油三酯的含量。結(jié)果顯示HSJG162的總脂含量為細(xì)胞干重的(46.5±2.3)%; 其甘油三酯為細(xì)胞干重的(31.3±2.1)%, 可占到總脂的67%; 其油脂積累速率可達(dá)到(158.1±9.1) mg/(L·d)。

    進(jìn)一步將該藻株總脂和甘油三酯進(jìn)行甲酯化處理,通過氣相色譜分析其脂肪酸組分及相對(duì)含量。表 2顯示,

    表 2 單針藻HSJG162總脂和甘油三酯的脂肪酸組成Tab. 2 Fatty acid composition (mol%) of total lipids and triacylglycerol of Monoraphidium sp. HSJG162

    [1]Bozbas K. Biodiesel as an alternative motor fuel: Production and policies in the European Union [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, 12(2): 542—552 HSJG162的總脂和甘油三酯中的脂肪酸組成相似, 含量最高的組分是C18:1(油酸), 其次為C16:0(軟脂酸), 二者總含量均超過總脂的75%, 超過甘油三酯的80%; 飽和脂肪酸含量約為25%, 單一不飽和脂肪酸總量占總脂的57%, 占甘油三酯的61%左右; C16和C18系列的脂肪酸含量可達(dá)到99%??傊透视腿ブ卸嗖伙柡椭舅嵋驭?亞麻酸和18碳4烯酸為主, 僅含有少量的20碳5烯酸。

    3 討論

    油脂產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)的藻種對(duì)生物柴油生產(chǎn)至關(guān)重要。本研究利用從野外采樣并分離純化的藻種, 經(jīng)初步篩選得到6株含油量較高的藻株。通過對(duì)這6株藻進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察和18S rDNA序列分析, 判斷其中HSJ280和HSJ717為柵藻科鏈帶藻屬(Desmodesmus)的種類, HSJ354屬于纖維藻屬(Ankistrodesmus), HSJA2、HSJG162和HSJ164屬于單針藻屬 (Monoraphidium)。柵藻科的種類是迄今為止已知的高產(chǎn)油綠藻之一, 在生物柴油、水產(chǎn)養(yǎng)殖和環(huán)境治理方面, 已有較多的研究[20]。纖維藻和單針藻是近年生物柴油藻種篩選過程中常見藻種, 具有較高的油脂含量和較快的生長(zhǎng)速率[21]。在本研究中單針藻HSJG162和HSJ164為耐受NaHCO3的藻株, 由于其培養(yǎng)基離子濃度和pH都較高, 在培養(yǎng)時(shí)可以降低其他微生物的污染。

    比較這6株藻在高氮和低氮條件下的產(chǎn)油情況, 發(fā)現(xiàn)HSJ354和HSJG162低氮培養(yǎng)時(shí)總脂含量卻有所下降。這不同于以往低氮培養(yǎng)可以提高油脂積累量的結(jié)論[5]。在不同的氮濃度培養(yǎng)條件下, 藻株的油脂積累速率差異極為顯著: 在培養(yǎng)基中NaNO3濃度為1.50 g/L時(shí)均有較高的油脂積累速率, 是其在NaNO3濃度為0.15 g/L時(shí)的2—6倍。這幾株藻在以后的優(yōu)化培養(yǎng)中, 需要進(jìn)一步研究氮濃度與產(chǎn)油量和產(chǎn)油率的關(guān)系。

    單針藻HSJG162在光合自養(yǎng)條件下其總脂含量可達(dá)細(xì)胞干重的(46.5±2.3)%, 同時(shí)具有相對(duì)較高的油脂積累速率(158.1±9.1) mg/(L·d), 高于多數(shù)已報(bào)道的自養(yǎng)培養(yǎng)條件下的產(chǎn)油微藻[5,21]。與多數(shù)藻種相比, 它還能夠在高NaHCO3條件下生長(zhǎng); 而與本實(shí)驗(yàn)室已報(bào)道的耐NaHCO3藻株相比, 它又具有更高的油脂產(chǎn)率。優(yōu)良的生物柴油對(duì)脂肪酸鏈的長(zhǎng)度和不飽和度有一定要求, 應(yīng)有較高的C16和C18含量, 尤其是C16:0(軟脂酸)和C18:1(油酸), 這樣有利于提高生物柴油的抗氧化性能,便于長(zhǎng)久保存[22]。HSJG162的總脂和甘油三酯的脂肪酸組成相似, 都以C16和C18為主, 且大多為飽和與單一不飽和脂肪酸, 多不飽和脂肪酸含量較低。從產(chǎn)油性能、耐受NaHCO3能力和脂肪酸組成等方面考慮, HSJG162是一株較具生產(chǎn)潛力的藻種。

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    SELECTION AND IDENTIFICATION OF A NaHCO3-TOLERANT HIGH-OIL-CONTENT GREEN ALGAE

    ZHOU Hong1,2, GAO Hong1, XU Xu-Dong1and KONG Ren-Qiu1
    (1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

    生物柴油; 產(chǎn)油綠藻; 篩選; 脂肪酸組成

    Biodiesel; Oleaginous green algae; Strain screening; Fatty acid composition

    10.7541/2016.54

    Q949.21

    A

    1000-3207(2016)02-0408-06

    2015-04-08;

    2015-08-16

    科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)課題: 中國(guó)產(chǎn)油微藻調(diào)查(2012FY112900-04)資助 [Supported by Special Project of Science and Technology Foundational Work: Survey of Oleaginous Microalgae in China]

    周虹(1989—), 女, 陜西咸陽(yáng)人; 碩士研究生; 研究方向藻類生物技術(shù)。E-mail: zhou1989hong@163.com

    孔任秋, E-mail: kongr@ihb.ac.cn

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