產(chǎn)油脂微藻的分離、鑒定及篩選

涂澤敏，吳芳燕，羅劍飛，林煒鐵

(華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊缺問題和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，研究生物質(zhì)能源開發(fā)利用可以緩解環(huán)境壓力，對(duì)解決能源、生態(tài)環(huán)境問題將起到十分積極有效的作用[1]。微藻是制備生物柴油的理想原料，具有生長迅速、能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模養(yǎng)殖的優(yōu)點(diǎn)[2]。伴隨著燃料乙醇和生物柴油等第一代生物質(zhì)能被不斷消耗利用，以及以麥稈等農(nóng)林廢棄物為主要原料的第二代生物燃料面臨開發(fā)技術(shù)成本較高等問題，以微藻為原料的第三代生物質(zhì)能將是更加有效的理性選擇，也是生物燃料未來必然的發(fā)展方向[3]。

微藻細(xì)胞中含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等，其細(xì)胞一些獨(dú)特的初級(jí)或次級(jí)代謝產(chǎn)物是生產(chǎn)藥品、精細(xì)化學(xué)品和新型燃料的潛在資源[4]。某些微藻中富含的多不飽和脂肪酸（PUFA）是合成機(jī)體內(nèi)多種功能物質(zhì)的前體，如微擬球藻中的EPA具有降血脂、降血壓、促進(jìn)脂肪代謝等作用，可用于防治心血管疾病，對(duì)人體健康具有重要的作用[5～7]。然而由于微藻培養(yǎng)及其在制備生物柴油的過程中存在著資源消耗高、回報(bào)低，單一培養(yǎng)容易被害蟲和病原體入侵等問題，這些都大大限制了微藻生物燃料的商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前能源微藻想要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)，總的來說主要面臨著生物質(zhì)資源供應(yīng)不足和生產(chǎn)成本過高的困難，尤其是高成本問題，嚴(yán)重制約著其大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用[8]。因此研究提高微藻產(chǎn)油能力，提高光生物反應(yīng)器效率，通過基因工程改造微藻提高產(chǎn)油能力等仍然是研究者們努力的方向[9,10]。

本研究從廣州東湖自然水體中篩選鑒定出一些微藻，并研究其生長及油脂積累特性，期望篩選出油脂積累較高的藻類以便后續(xù)進(jìn)一步研究，同時(shí)也為該水域是否潛在富油微藻提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要試劑與儀器：二甲基亞砜（DMSO）、尼羅紅溶液(2 g/L尼羅紅母液，稀釋 100倍使用)、DL2000Marker，購于Zomanbio公司；植物基因組提取試劑盒，TAKARA；LRH-150生化培養(yǎng)箱、Infinite?200多功能酶標(biāo)儀、Eppendorf 5804R冷凍離心機(jī)。

樣本采集：含藻種的樣本采自廣州華南理工大學(xué)校內(nèi)東湖，共設(shè)置2個(gè)采集點(diǎn)，采集水樣用采樣瓶裝好，分離純化在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

培養(yǎng)基：培養(yǎng)分離均采用BG-11培養(yǎng)基，其中分離在BG-11固體培養(yǎng)基中進(jìn)行，分離后純培養(yǎng)及后續(xù)培養(yǎng)在液體BG-11中進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 藻株富集與分離純化

分別采集東湖兩側(cè)表面、底部水樣各一份，將采集水樣在布氏漏斗中用中速定性濾紙進(jìn)行抽濾，然后將表層濾液及底層濾液分別以7%和5%接種量接種于BG11培養(yǎng)基中。一周后將培養(yǎng)基中的藻液再次轉(zhuǎn)接至BG11培養(yǎng)基中培養(yǎng)。

取少量梯度稀釋藻液接種于BG11固體培養(yǎng)基中劃線培養(yǎng)，待平板中長出不同形態(tài)單菌落后將其分別接種于新的固體平板中培養(yǎng)，直至平板中長出單一穩(wěn)定的菌落，后挑取單菌落接種于液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 藻株顯微觀察

取純培養(yǎng)的藻液20 μL置于無菌載玻片上，用結(jié)晶紫染色固定后在光學(xué)顯微鏡下觀察微藻形態(tài)特征。參考《中國淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》對(duì)微藻進(jìn)行初步分類鑒定。

1.2.3 藻株18S rDNA測序與進(jìn)化樹構(gòu)建

18S rDNA基因提取與測序：離心收集對(duì)數(shù)期藻細(xì)胞，用植物基因組試劑盒提取基因組總DNA，電泳跑膠驗(yàn)證后進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系（25 μL）為：基因組DNA 1 μL，上下游引物各0.5 μL，2×Taq MasterMix 12.5 μL，ddH2O 10.5 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性5 min，94 ℃變性1 min，53 ℃退火1 min，72 ℃保留1 min，程序共設(shè)置30個(gè)循環(huán)，最后72 ℃延伸10 min。

用于擴(kuò)增18S rDNA的引物序列為：18s-F：5’-GTA GTCATATGCTTGTCTC-3’；18s-R：5’-TCCGCAGGTT CACCTACGGA-3’。PCR產(chǎn)物測序由廣州艾基生物技術(shù)有限公司完成。

藻株進(jìn)化樹的構(gòu)建：將測序序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLAST同源性比對(duì)分析，下載相關(guān)序列，使用MEGA7.0軟件，采用鄰接法構(gòu)建藻株進(jìn)化樹。

1.2.4 藻株生物量的測定

培養(yǎng)過程中生物量變化情況以葉綠素含量及光密度-干重曲線來反應(yīng)。培養(yǎng)條件為溫度(30 ℃)，光照強(qiáng)度(～4000 lux)，光照周期(12 h：12 h)。培養(yǎng)過程中，小球藻采用細(xì)胞計(jì)數(shù)法與葉綠素含量測定來衡量生物量積累情況，柵藻則通過葉綠素含量測定來衡量。

葉綠素含量測定：取1 mL藻液，12000 r/min離心棄上清，加入200 μL蒸餾水混勻，再加入1800 μL 95%無水乙醇，混勻后75 ℃水浴5 min，冷卻后在波長649 nm、665 nm、750 nm處測量吸光度。葉綠素含量計(jì)算公式如下：

葉綠素a和b=5.24×(A664-A750)+22.24×(A649-A750)

OD-干重關(guān)系：取不同濃度的藻液，測定其在680 nm處的吸光度值，然后取10 mL藻液分次置于2 mL已烘干至恒重的EP管中離心，后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，轉(zhuǎn)移至干燥器內(nèi)冷卻，準(zhǔn)確稱量記錄重量。以波長680 nm處測得OD值為橫坐標(biāo)，測量得到的細(xì)胞干重為縱坐標(biāo)建立OD680-細(xì)胞干重關(guān)系，得到6株藻回歸方程如表1：

表1 微藻OD680-細(xì)胞干重相關(guān)性方程Table 1 Correlation equation between OD680 and dry weight of algal

1.2.5 微藻油脂含量的測定

油脂測量標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立：采用尼羅紅熒光染色法[11]，以三油精為標(biāo)準(zhǔn)品，以三油精含量為縱坐標(biāo)，平均檢測熒光值為橫坐標(biāo)建立三油精-熒光值標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖 1。該圖呈較好的線性關(guān)系，表明可以通測量尼羅紅染色熒光值來間接測定藻細(xì)胞胞內(nèi)中性油脂含量。

圖1 三油精含量-熒光值標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve between triolein content and fluorescence value

微藻油脂含量測定：取適量藻液稀釋，調(diào)節(jié)使體系OD680=0.1。然后取1.5 mL稀釋藻液，加入480 μL DMSO，20 μL 150 μg/mL 尼羅紅染液，混勻后于 45 ℃水浴3 min，以480 nm為激發(fā)波長，580 nm為吸收波長測定熒光值。由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到油脂含量。油脂百分比及油脂產(chǎn)量計(jì)算公式如下：

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

標(biāo)準(zhǔn)曲線制作，細(xì)胞生物量及油脂含量測定均進(jìn)行三次平行重復(fù)，數(shù)據(jù)匯總后以SPASS 22.0（IBM Co.Ltd）軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，后利用Origin Pro 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 微藻的分類鑒定

光學(xué)顯微鏡觀察：光學(xué)顯微鏡下觀察藻細(xì)胞形態(tài)，結(jié)合參考《中國淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》對(duì)微藻進(jìn)行初步分類鑒定。顯微觀察下觀察到藻株 DH1、DH2、DH6呈綠色球狀，DH3、DH4、DH5則為橢圓狀，且均不同程度上伴有叢生現(xiàn)象，由圖2可看到DH3明顯伴有對(duì)生現(xiàn)象。

分子鑒定：提取藻株基因組DNA，利用特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增得到微藻18S rDNA片段，由圖3可得，該片段大小約為1800 bp。

圖2 光學(xué)顯微鏡下微藻形態(tài)特征(x100)Fig.2 Morphology of six algae in optical microscope (x100)

對(duì) PCR產(chǎn)物測序，并在 NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLAST同源性比對(duì)分析，進(jìn)一步構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹如圖4。結(jié)果表明DH1、DH2、DH6與Chlorellasp.18S rDNA同源性達(dá)到99%，DH3、DH4、DH5與柵藻屬親緣關(guān)系最近，其與多株柵藻的18S rDNA的序列同源性達(dá)到99%，確定其都為柵藻屬。

圖4 藻株18S rDNA序列系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 18S rDNA sequencephylogenetictreeofalgae

張翼等從青島海水和武漢南湖水中篩選分離出11株小球藻和1株膠網(wǎng)藻[12]，黃秋婷等從吉林工學(xué)院荷花池中篩選分離出4株柵藻和1株小球藻[13]。本研究從華南理工大學(xué)校內(nèi)東湖中篩選分離到6株綠藻，18S rDNA鑒定結(jié)合采樣點(diǎn)篩選分離結(jié)果表明這6株微藻分別屬于小球藻屬與株柵藻，其中 DH1、DH6和DH3分別篩自采樣點(diǎn)1表層水樣和底層水養(yǎng)，DH4和DH2、DH5分別篩自采樣點(diǎn)2表層和底層水養(yǎng)，不同取樣點(diǎn)的篩選結(jié)果差異可能與不同藻株的生長習(xí)性有關(guān)。

2.2 微藻生長及油脂積累特性研究

2.2.1 微藻生物量的測定

生物量是衡量微藻產(chǎn)業(yè)化的重要條件之一。而葉綠素是海洋微藻光合作用的基礎(chǔ)，是描述海洋微藻將無機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物質(zhì)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，可以作為衡量生物量積累的參考[14]。6株微藻的生長情況如圖5所示。

從圖中可知，小球藻和柵藻都能很好地在 BG11培養(yǎng)基中適應(yīng)并快速生長，在最初的1～3 d內(nèi)沒有明顯的生長停滯現(xiàn)象，SPASS統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示小球藻之間（DH1、DH2、DH6）、柵藻之間（DH3、DH4、DH5）生物量差異顯著（p＜0.05）。三株小球藻細(xì)胞數(shù)基本在12～15 d達(dá)到最高，之后開始出現(xiàn)下降，其中DH6細(xì)胞濃度相對(duì)于DH1和DH2來說在培養(yǎng)15 d后達(dá)到最高，為 2.74×107/mL，之后出現(xiàn)明顯下降。小球藻葉綠素含量均在培養(yǎng)至15 d后達(dá)到最高，然后開始下降，同樣地，DH6葉綠素含量15 d后達(dá)到最高，為10.97 mg/L。15 d后細(xì)胞數(shù)與葉綠素含量均呈現(xiàn)下降，此時(shí)微藻細(xì)胞逐漸進(jìn)入衰亡期，生長代謝緩慢。三株柵藻葉綠素含量在18 d后達(dá)到最高，且葉綠素含量普遍高于小球藻，最高的柵藻DH5可達(dá)16.16 mg/L。

圖5 藻細(xì)胞生物量積累曲線Fig.5 Biomass curves of microalgae species

2.2.2 微藻油脂積累研究

油脂積累量是衡量篩選微藻能否大規(guī)模應(yīng)用于微藻柴油開發(fā)的最重要指標(biāo)，本文通過對(duì)東湖水體中微藻的培養(yǎng)，希望可以篩選出潛在的富油微藻，以便進(jìn)一步研究探討。BG11培養(yǎng)基中培養(yǎng)25 d后收集藻細(xì)胞，測量OD680及尼羅紅染色熒光值得到胞內(nèi)中性油脂含量，整理如圖6。

圖6 微藻油脂產(chǎn)量比較Fig.6 Comparison of microalgae oil yields

由圖6可知，小球藻細(xì)胞干重普遍低于柵藻，然而油脂產(chǎn)量及藻細(xì)胞油脂百分含量卻比柵藻高，SPASS統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示6株微藻細(xì)胞干重與油脂產(chǎn)量之間均差異顯著(p＜0.05)，其中油脂產(chǎn)量及油脂百分比最高的為DH6，其產(chǎn)量達(dá)到131.69 mg/L，其次為DH2，油脂產(chǎn)量達(dá)到103.89 mg/L，且這兩株藻細(xì)胞油脂百分比均在30%以上，分別為34.54%和31.33%。DH1產(chǎn)量低于DH2和DH6，其油脂產(chǎn)量為100.06 mg/L，油脂百分比為 26.60%。柵藻中，DH3油脂產(chǎn)量及油脂百分比均高于另外兩株，其數(shù)值分別為58.73 mg/L和10.73%，另外兩株柵藻藻細(xì)胞油脂百分比均低于10%，最低的為DH5，僅為6.56%。由此可知，微藻生物量的積累與油脂積累并沒有直接的關(guān)系，生物量積累較高不一定積累大量油脂，生物量低卻反而可能較好地積累油脂。與其他一些研究工作相比，本研究篩選出的2株小球藻產(chǎn)油能力處于中等水平，如孫漫等從海南島周圍水域篩選出105株海洋微藻，其中33株微藻油脂產(chǎn)量較高，最高的藻株XG01油脂產(chǎn)量達(dá)到221.9 mg/L，油脂百分含量達(dá)到38.93%[15]；郭建東等人在淮坊不同生境中篩選出19株產(chǎn)油微藻，其中有8株超過30%，兩株超過40%[16]；王玉榮等人從東北地區(qū)篩選分離出 14株產(chǎn)油微藻中有兩株高于40%[17,18]。本研究篩選得到的小球藻DH2及DH6在普通BG11培養(yǎng)基中可積累一定的油脂，后期通過營養(yǎng)條件及培養(yǎng)條件的優(yōu)化有可能進(jìn)一步提高其油脂產(chǎn)量，兩者可以選作為微藻柴油研發(fā)的潛在藻種。

3 結(jié)論

3.1 作者通過對(duì)廣州華南理工東湖自然水體的篩選，共得到6株綠藻。6株綠藻通過光學(xué)顯微鏡觀察及基因檢測得知它們分別為3株小球藻和3株柵藻。培養(yǎng)得知該6株藻種均能在BG11培養(yǎng)基中較好生長。

3.2 一般來說，微藻生長與油脂積累存在矛盾關(guān)系，油脂大量積累通常發(fā)生在細(xì)胞分裂受阻即藻細(xì)胞生長收到抑制時(shí)，而生物量的積累通常與藻種、培養(yǎng)基營養(yǎng)條件、培養(yǎng)模式等有關(guān)[19～21]。以增加微藻生物量為基礎(chǔ)提高藻細(xì)胞油脂含量，即同時(shí)提高微藻生物量與油脂產(chǎn)量，這是微藻生物柴油發(fā)展必須解決的問題[22]。分析本研究中微藻生物量及油脂積累情況可知，有些微藻生物量雖高卻不能很好地積累油脂，如DH5，其葉綠素含量培養(yǎng)21 d后在所有微藻中最高，達(dá)到16.16 mg/L，且25 d藻細(xì)胞干重也為最高，達(dá)到587.71 mg/L，然而其油脂百分比僅為6.56%；有些藻種雖然生物量低，卻能有效地積累油脂，如DH2，葉綠素含量最低，僅為9.54 mg/L，油脂百分含量卻能達(dá)到31.33%。因此應(yīng)該綜合考慮生物量與油脂產(chǎn)量來權(quán)衡微藻的生長產(chǎn)油效率微藻產(chǎn)油能力與培養(yǎng)基營養(yǎng)條件和培養(yǎng)環(huán)境，以及缺氮等有關(guān)，不同條件下產(chǎn)油效果都會(huì)有所不同[23]。后續(xù)擬展開相關(guān)工作進(jìn)一步研究提高其產(chǎn)油效率。該研究取樣于華南理工校內(nèi)東湖，之前未有人做過該水體微藻相關(guān)研究，因此本結(jié)果將為也為該水體微藻研究以及中國湖泊微藻研究提供一定參考和借鑒。