LED光質(zhì)調(diào)控微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的研究進(jìn)展

張 虎，朱瑞鴻，譚英南，鄧 仟，周宏亮，高保燕 ，張成武

(1.暨南大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)學(xué)系 水生生物研究中心，廣東 廣州 510632；2.甘肅德福生物科技有限公司，甘肅 定西 743000)

微藻細(xì)胞可以積累大量油脂、蛋白質(zhì)、多糖、色素、不飽和脂肪酸、多酚和甾醇等物質(zhì)，在能源、食品、餌料、化妝品、保健品及藥品等行業(yè)有巨大的應(yīng)用前景[1-3]。光不僅可以為光自養(yǎng)或混養(yǎng)生長(zhǎng)的微藻提供能量[4]，而且還能作為信號(hào)分子調(diào)控細(xì)胞中關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的生物合成[5-6]，對(duì)實(shí)現(xiàn)微藻的高效培養(yǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物的大量積累起著至關(guān)重要的作用。盡管以太陽光作為光源培養(yǎng)微藻可以降低生產(chǎn)成本，但是由于太陽光極易受季節(jié)、天氣及晝夜周期等變化而發(fā)生劇烈改變，并不能完全滿足微藻生長(zhǎng)或代謝產(chǎn)物積累的需要，從而嚴(yán)重限制了微藻的產(chǎn)能[7]。與太陽光相比，人工光源可以更好地控制光照條件，增加了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)微藻生物質(zhì)及高附加值產(chǎn)品的可行性[8]，而且從實(shí)現(xiàn)這些物質(zhì)高產(chǎn)的角度考慮，使用人工光源培養(yǎng)微藻的成本也可能更低[7,9]。

在常用的人工光源中，發(fā)光二極管(LED)經(jīng)過60多年的發(fā)展，其發(fā)光效率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熒光燈和高壓鈉燈等光源[10]。同時(shí)，LED不僅能夠精準(zhǔn)調(diào)控光照條件[7]，而且還具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、安全性高及發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)[11]。自20世紀(jì)八九十年代以來，已經(jīng)有利用LED作為人工光源來培養(yǎng)微藻的研究報(bào)道[11]。此外，不同LED光質(zhì)相對(duì)應(yīng)的光譜可以設(shè)計(jì)在很窄的范圍(甚至小于10 nm)內(nèi)，這不僅能夠提高微藻的光能利用效率[12]，而且還有利于高效光生物反應(yīng)器的研發(fā)[13]。開發(fā)基于LED為光源的室內(nèi)光生物反應(yīng)器已經(jīng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)從“靠天吃飯”的農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變到“精準(zhǔn)可控”的工業(yè)模式的有效手段之一[3]。這些優(yōu)勢(shì)使得LED在微藻培養(yǎng)及相關(guān)生物制品生產(chǎn)的研究中廣受關(guān)注[11,14]。在LED光照的所有條件(光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期等)中，光質(zhì)是影響微藻光合作用效率及生化組分變化的最重要因素之一[15-16]。目前，已經(jīng)有研究[6,17-18]顯示，適宜的LED光質(zhì)條件不僅可以促進(jìn)藻細(xì)胞快速生長(zhǎng)，而且還有利于目標(biāo)代謝產(chǎn)物大量積累。這為開發(fā)基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)為基礎(chǔ)的微藻高效培養(yǎng)新工藝提供了可能。為此，LED光質(zhì)在微藻生產(chǎn)中具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

因此，本文從微藻可吸收利用的光譜范圍及光受體、不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及關(guān)鍵產(chǎn)物積累的影響、基于LED光質(zhì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)微藻高效生產(chǎn)目標(biāo)代謝產(chǎn)物的策略等方面進(jìn)行闡述，同時(shí)還討論了LED光質(zhì)在今后微藻生產(chǎn)中的4個(gè)極具潛力的發(fā)展方向，以期為利用LED光質(zhì)高效培養(yǎng)微藻、大量生產(chǎn)目標(biāo)代謝產(chǎn)物提供參考，進(jìn)而加速微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 微藻可吸收利用的光譜范圍及光受體

光是光自養(yǎng)生物生長(zhǎng)及代謝的能量來源。常見的太陽光是一種復(fù)色光，它通過色散系統(tǒng)(如，光柵、棱鏡)進(jìn)行分光后，依照波長(zhǎng)(或頻率)的大小順次排列形成的圖案即是光譜。根據(jù)波長(zhǎng)的大小，光譜主要分為紫外光譜(100～380 nm)、可見光譜(380～740 nm)及紅外光譜(740～2 500 nm)等[19]。

1.1 微藻可吸收利用的光譜范圍

微藻可吸收利用的光譜主要集中在可見光譜，可見光譜又可根據(jù)波長(zhǎng)分為紫光(380～450 nm)、藍(lán)光(450～485 nm)、青光(485～500 nm)、綠光(500～565 nm)、黃光(565～590 nm)、橙光(590～625 nm)和紅光(625～740 nm)這7種不同的光質(zhì)(光譜組成)(圖1(a))。微藻細(xì)胞可以通過相應(yīng)的光受體來對(duì)生長(zhǎng)及代謝進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控[5, 20-22]。

圖1 可見光光譜(a)(改自Kim等[21])及不同光合色素的吸收峰(b)(改自Warren等[22])

微藻利用葉綠素及其他光合輔助色素(藻膽素、類胡蘿卜素)進(jìn)行光能的吸收及捕獲。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，通過初級(jí)內(nèi)共生(primary endosymbiosis)及二次內(nèi)共生(secondary endosymbiosis)后，不同門類的微藻形成各自特有的光合色素及補(bǔ)光色素復(fù)合物(表1)[23-27]，它們對(duì)不同光譜的吸收存在較大差異(圖1(b))，所以不同微藻可吸收利用的光譜范圍也不相同。例如：藍(lán)藻含有葉綠素a和藻膽蛋白(藻藍(lán)蛋白(phycocyanin，吸收峰約為620 nm)或藻紅蛋白(phycoerythrin，吸收峰約為550 nm))，因而可以大量吸收紅光、黃光及綠光；一些藍(lán)藻細(xì)胞中還含有葉綠素d或葉綠素f，其吸收光譜發(fā)生紅移，能夠吸收遠(yuǎn)紅外光譜；但是細(xì)胞缺乏葉綠素b，進(jìn)而對(duì)藍(lán)光的吸收很少[26]。相反，綠藻由于缺乏藻膽蛋白而不能有效吸收利用黃光和綠光，但是細(xì)胞含有葉綠素b及多種類胡蘿卜素，可以更為高效地利用藍(lán)光[26]。紅藻、灰胞藻和隱藻在進(jìn)化過程中仍保留藻膽素，因此這些微藻吸收利用短波長(zhǎng)光(藍(lán)光、綠光和黃光)的能力也可能比綠藻更強(qiáng)[11, 24]。同時(shí)，一些藻類中還存在特殊的捕光色素復(fù)合蛋白，例如硅藻、褐藻、金藻和黃藻等就存在巖藻黃素-葉綠素a/c復(fù)合蛋白(fucoxanthin-chlorophyll a/c complex)，真眼點(diǎn)藻綱的微藻存在堇菜黃素-葉綠素a復(fù)合蛋白(violaxanthin-chlorophyll a complex)，它們可以增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)藍(lán)光與綠光的吸收[27]。此外，在相同門類的微藻中，同一光合色素的含量也會(huì)因種屬、甚至株系的不同而存在較大差異[23]。同時(shí)，藻類的每一個(gè)葉綠素分子捕獲紅光或藍(lán)光的光量子數(shù)與藻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及葉綠體的構(gòu)形也存在著較大關(guān)聯(lián)性[11]。因此，對(duì)于某一特定藻株來說，其細(xì)胞可吸收的光譜范圍及利用這些光的效率具有獨(dú)特性。以LED為光源時(shí)，可將光質(zhì)設(shè)定在該藻株生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的最佳范圍內(nèi)，能夠最大限度地滿足這些藻株特有的光譜吸收及利用特性[11]。

表1 藍(lán)藻及真核藻類中存在的光合色素類型及其吸收光譜特征[25, 27]

1.2 光受體(photoreceptor)

光受體通常由一個(gè)蛋白感光單元結(jié)合到另一個(gè)非蛋白生色團(tuán)構(gòu)成[5]，是細(xì)胞接收和轉(zhuǎn)化光信號(hào)的橋梁，在調(diào)控細(xì)胞的各種生理過程中發(fā)揮著重要作用[28]。微藻中主要存在3種類型的光受體，即藍(lán)光受體蛋白家族，包括隱花色素(cryptochrome，CRY)、向光素(phototropin，PHOTO)、金色素(aureochromes，AUREO)和光-氧-電-組氨酸激酶(LOV-HK))，視紫紅質(zhì)(rhodopsin，RHO)和光敏色素(phytochrome，PHYTO)[5,29-30]。

CRY是一類藍(lán)光受體，它們?cè)诎被嵝蛄屑敖Y(jié)構(gòu)上和光修復(fù)酶高度相似，屬于隱花色素/光修復(fù)酶家族(CPF)[5]。微藻中含有種類豐富的CPFs超類，包括動(dòng)物型CRY/6-4光修復(fù)酶、植物型CRY、植物型相似CRY、DASHs(Drosophila，Arabidopsis，Synechococcus，Homo)型CRY及環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPD)光修復(fù)酶[31]。這些CPFs不僅可以增強(qiáng)微藻細(xì)胞對(duì)藍(lán)光的吸收能力，而且還能夠參與細(xì)胞分化、生物節(jié)律調(diào)節(jié)及捕光色素合成等重要生物過程[28, 32-33]，對(duì)微藻生長(zhǎng)及相關(guān)代謝活動(dòng)產(chǎn)生重要影響。

PHOTO、AUREO和LOV-HK同屬于LOV藍(lán)光受體蛋白家族。其中，PHOTO含有2個(gè)連續(xù)的LOV結(jié)構(gòu)域，它們分別連接著N端感光結(jié)構(gòu)域和C端絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域[34]。Li等[35]研究發(fā)現(xiàn)，PHOTO只分布于真核綠藻及高等植物中，因此它們很可能共起源于某種綠色植物。在萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)中被發(fā)現(xiàn)，PHOTO參與調(diào)控細(xì)胞的有性生殖[36]、眼點(diǎn)發(fā)育及趨光性[37]、葉綠素及類胡蘿卜素生物合成相關(guān)基因的豐度等[38]。AUREO含有的LOV結(jié)構(gòu)域和堿性亮氨酶拉鏈蛋白(bZIP)結(jié)構(gòu)域相連接。AUREO最初在無隔藻(Vaucheriafrigida)中被發(fā)現(xiàn)，而且只存在于能進(jìn)行光合作用的異鞭藻類中[39]。Suetsugu等[40]和Huysman等[41]研究發(fā)現(xiàn)，AUREO參與調(diào)控?zé)o隔藻的性器官原基形成及藻細(xì)胞分枝、三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)細(xì)胞分裂等。在LOV-HK中，LOV結(jié)構(gòu)域C端含有組胺酸激酶(HK)，在多種真核藻類中都發(fā)現(xiàn)了LOV-HK，例如萊茵衣藻、三角褐指藻和微胞藻(Micromonassp.)等[42]。這種藍(lán)光受體蛋白已經(jīng)被證實(shí)參與調(diào)控細(xì)胞的黏附、致病及生物節(jié)律等[42-43]。總之，上述3種LOV藍(lán)光受體蛋白不僅可以影響藍(lán)光吸收，而且還能參與調(diào)控藻細(xì)胞中多種重要的生物過程。

在調(diào)出的3109份病歷中，以《中國(guó)老年人潛在不適當(dāng)用藥目錄》[3]為依據(jù)，對(duì)老年患者的用藥潛在風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，共有2545份病歷存在潛在不適當(dāng)用藥的風(fēng)險(xiǎn)，占81.9%。按藥品類別和名稱分類，涉及12類36種藥物共計(jì)5516例次存在潛在不適當(dāng)用藥的風(fēng)險(xiǎn)（1份病歷可能同時(shí)存在多種藥物的潛在不適當(dāng)用藥的風(fēng)險(xiǎn)），其中占前四位的是呼吸系統(tǒng)用藥、血液系統(tǒng)用藥、內(nèi)分泌系統(tǒng)用藥和神經(jīng)系統(tǒng)用藥，見表2、表3。

RHO是一種光依賴型結(jié)合蛋白，由含有維生素A的視黃醛作為生色團(tuán)，能夠吸收波長(zhǎng)為400～600 nm的光譜[29,44]。同時(shí)，RHO具有多種重要的生理功能，例如作為光依賴型離子泵、門控通道以及傳感器等來調(diào)控細(xì)胞的光能轉(zhuǎn)化及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[5]。此外，在萊茵衣藻中還發(fā)現(xiàn)RHO可以充當(dāng)紫外(UV-A)和藍(lán)光的光控開關(guān)，在藻細(xì)胞應(yīng)對(duì)不利光環(huán)境(例如UV-A)中也發(fā)揮重要作用[45]。

PHYTO是一類吸收紅光-遠(yuǎn)紅光可逆轉(zhuǎn)換的光受體，已經(jīng)在高等植物中被大量研究。微藻的PHYTO很可能和高等植物中的同源并具有相似的功能[46]，但是它的吸收光譜比高等植物中的更為寬泛，可從青綠藻(Prasinodermacoloniale)中藍(lán)光轉(zhuǎn)換光循環(huán)(photocycle)(吸收波長(zhǎng)為586～690 nm)變化到偽矮海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)中的紅光轉(zhuǎn)換光循環(huán)(吸收波長(zhǎng)為686～764 nm)[47-48]，這可能為微藻更好地利用光能提供幫助。

2 不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的影響

在常見的7種LED單色光質(zhì)及LED白光中，盡管葉綠素的吸收峰主要集中在紅光和藍(lán)光波段[49]，但是光合生物已經(jīng)進(jìn)化出一系列的捕光色素，能夠吸收可見光中所有的光質(zhì)[50]。因此，微藻對(duì)另外5種單色光質(zhì)也有一定程度的吸收。同時(shí)，不同LED光質(zhì)也可以對(duì)微藻中目標(biāo)產(chǎn)物的積累產(chǎn)生重要影響。

2.1 紅光

紅光是影響多數(shù)微藻生長(zhǎng)或代謝的最重要光質(zhì)[22]。Markou等[51]研究發(fā)現(xiàn)，LED紅光可以提高鈍頂節(jié)旋藻(Arthrospiraplatensis)(原名鈍頂螺旋藻Spirulinaplatensis)的生長(zhǎng)，其生物質(zhì)產(chǎn)率是藍(lán)光條件下的6.56倍，但是紅光并不能促進(jìn)葉綠素a和藻藍(lán)蛋白的積累。同樣，在布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)中也發(fā)現(xiàn)，紅光可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，其比生長(zhǎng)速率是藍(lán)光條件下的1.27倍，但是紅光對(duì)油脂及烷烴的積累沒有促進(jìn)作用[52]。相反，在藍(lán)藻Cyanobiumsp.中發(fā)現(xiàn)，紅光不能有效促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，但是可以顯著提高細(xì)胞的色素含量及抗氧化能力[53]。在斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)和微擬球藻(Nannochloropsisoceanica)中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，即紅光可以提高細(xì)胞的抗氧化能力[54]。此外，對(duì)于某些微藻來說，紅光既可以促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，又可以提高細(xì)胞積累目標(biāo)產(chǎn)物的能力。Zhang等[55]研究發(fā)現(xiàn)：紅光可以顯著促進(jìn)長(zhǎng)耳齒狀藻(Odontellaaurita)的生長(zhǎng)，其最高生物質(zhì)濃度分別是白光和藍(lán)光條件下的1.37和1.13倍；同時(shí)，紅光還可以促進(jìn)細(xì)胞積累巖藻黃素，其最高巖藻黃素含量分別比白光和藍(lán)光條件下提高16.1%和4.3%。Li等[56]發(fā)現(xiàn)，紅光可以同時(shí)促進(jìn)鹽生杜氏藻(Dunaliellasalina)的生長(zhǎng)及總類胡蘿卜素積累，其最高細(xì)胞數(shù)和總類胡蘿卜素含量分別比白光條件下提高了23%和7.3%。Hurtado等[57]發(fā)現(xiàn)，紅光可以同時(shí)促進(jìn)斜生尖帶藻(Acutodesmusobliquus)高度積累生物質(zhì)和油脂。Zhang等[6]研究發(fā)現(xiàn)：紅光可以同時(shí)促進(jìn)擬波呂斐摩斯真眼點(diǎn)藻(Eustigmatoscf.polyphem)積累生物質(zhì)和油脂；進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，藻細(xì)胞在紅光培養(yǎng)時(shí)，上調(diào)了光合作用、中心碳代謝、脂肪酸生物合成等多種代謝通路的關(guān)鍵基因，從而可以促進(jìn)細(xì)胞快速生長(zhǎng)和油脂大量積累。

2.2 藍(lán)光

藍(lán)光由于波長(zhǎng)短、能量高，在多數(shù)研究中通常作為刺激因子來提高微藻的生物質(zhì)濃度或目標(biāo)產(chǎn)物含量。對(duì)微擬球藻為模型的研究中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光可以顯著促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，獲得的生物質(zhì)濃度比其他光質(zhì)條件下的結(jié)果提高了17%～750%[16, 49, 58-59]。此外，在對(duì)小球藻[60]、柵藻[61]、三角褐指藻[62]和巴夫藻(Pavlovalutheri)[21]的研究中也發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光能促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)。同時(shí)，藍(lán)光也是促進(jìn)微藻細(xì)胞積累關(guān)鍵產(chǎn)物的有效刺激因子。以生產(chǎn)油脂為例，藍(lán)光可以促進(jìn)小球藻[63]、微擬球藻[48]和雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)[64]等微藻積累油脂。此外，藍(lán)光還可以促進(jìn)小球藻[60]、鹽生杜氏藻[56]和擬波呂斐摩斯真眼點(diǎn)藻[6]積累類胡蘿卜素，也有利于節(jié)旋藻[65]和雨生紅球藻[66]分別積累藻藍(lán)蛋白和蝦青素。

2.3 綠光

通常綠藻門的藻類對(duì)綠光的吸收較少，但是綠光同樣可以有效調(diào)控多種微藻的生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累量。Mohsenpour等[67]發(fā)現(xiàn)，綠光可將藍(lán)藻Gloeothecemembranacea的葉綠素a含量提高12.8%。Latsos等[68]和Kim等[21]分別發(fā)現(xiàn)，綠光可以促進(jìn)紅胞藻(Rhodomonassp.)和紫球藻(Porphyridiumcruentum)生長(zhǎng)。有趣的是，綠光同樣也可以促進(jìn)某些綠藻生長(zhǎng)。Lee等[69]發(fā)現(xiàn)，綠藻Ettliasp.YC001在高光強(qiáng)綠光條件下培養(yǎng)獲得的生物質(zhì)濃度比相同條件下紅光或藍(lán)光培養(yǎng)獲得的結(jié)果提高37%以上。此外，綠光也可以促進(jìn)某些微藻積累油脂。Jung等[62]發(fā)現(xiàn)，綠光有助于三角褐指藻積累油脂，最高可達(dá)干重的60.6%。Ra等[58]發(fā)現(xiàn)，綠光可以促進(jìn)微擬球藻積累油脂。Kim等[21]研究發(fā)現(xiàn)，綠光培養(yǎng)可以提高普通小球藻的油脂含量。這些結(jié)果為采用LED綠光作為補(bǔ)充光來培養(yǎng)微藻高效生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物提供了依據(jù)。

2.4 黃光

除了上述4種單色光質(zhì)之外，其余3種LED單色光在微藻培養(yǎng)中的研究仍較少。此外，LED白光[53, 72]、紅橙光(red-orange light)[73]、遠(yuǎn)紅光(far-red light)[74-75]對(duì)多種微藻的生長(zhǎng)及代謝也產(chǎn)生重要影響。鑒于不同LED光質(zhì)在調(diào)控微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累方面的作用，有必要全面、系統(tǒng)地開展不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生理生化、分子、甚至基因水平影響的研究，從而為利用LED光質(zhì)高效培養(yǎng)微藻提供理論依據(jù)，更好地將此種培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

現(xiàn)將不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的影響總結(jié)于表2。

表2 不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的影響

3 基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微藻高效生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的策略

盡管LED光質(zhì)可以調(diào)控微藻的生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累量，但是要想實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的低成本、高效生產(chǎn)，仍需要以LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)滿足實(shí)際生產(chǎn)的培養(yǎng)策略。目前，已經(jīng)發(fā)展出分階段LED光質(zhì)轉(zhuǎn)換培養(yǎng)模式、LED閃光(flashing light)培養(yǎng)模式，同時(shí)，也已經(jīng)開發(fā)出LED光質(zhì)精準(zhǔn)可控的新型高效光生物反應(yīng)器。

3.1 分階段LED光質(zhì)轉(zhuǎn)換培養(yǎng)模式

多數(shù)微藻在生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累階段所需的最佳LED光質(zhì)并不相同，而且單一光質(zhì)也并不能滿足某些微藻的生長(zhǎng)及代謝之需。為此，采用光質(zhì)轉(zhuǎn)換的策略，分別在生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物積累階段通過不同的光質(zhì)或光質(zhì)組合來培養(yǎng)微藻，使微藻在各個(gè)階段都處于最佳的光質(zhì)條件下來高效生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。目前，這種策略已經(jīng)用于培養(yǎng)多株微藻來高效生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物[77-83](表3)。

表3 不同微藻在LED光質(zhì)轉(zhuǎn)換策略中其生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累階段所需的光質(zhì)比較

3.2 LED閃光(flashing light)培養(yǎng)模式

在微藻培養(yǎng)時(shí)會(huì)由于細(xì)胞密度的不斷增大及光在液體中的衰減而導(dǎo)致光不足，所以LED閃光培養(yǎng)模式通過增加光照強(qiáng)度，使光的透過性增強(qiáng)，同時(shí)每隔固定時(shí)間(幾毫秒、秒或分鐘不等)停止光照，使細(xì)胞免受光抑制或在光抑制后有充足時(shí)間進(jìn)行修復(fù)[84]，這樣可以使微藻接收到的光量子數(shù)和連續(xù)光照條件下的相同(圖2)。這種培養(yǎng)策略不僅可以為高密度培養(yǎng)的細(xì)胞提供充足光能，而且間斷光照也有利于節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本。Xue等[85]發(fā)現(xiàn)，在鈍頂節(jié)旋藻培養(yǎng)中，采用LED白光進(jìn)行閃光培養(yǎng)時(shí)獲得的生物質(zhì)濃度顯著高于連續(xù)光照下的結(jié)果。Katsuda等[86]在雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素的研究中發(fā)現(xiàn)，采用LED藍(lán)光進(jìn)行閃光培養(yǎng)時(shí)可以同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)及蝦青素積累。Yustinadiar等[59]在微擬球藻中也同樣發(fā)現(xiàn)LED藍(lán)光閃光培養(yǎng)可以提高生物質(zhì)濃度。這些結(jié)果為采用多種LED光質(zhì)對(duì)微藻進(jìn)行閃光培養(yǎng)以便實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的高效生產(chǎn)提供了參考。

圖2 藻液經(jīng)通氣充分混合時(shí)LED閃光培養(yǎng)模式對(duì)微藻細(xì)胞的影響

3.3 LED光質(zhì)精準(zhǔn)可控的新型高效光生物反應(yīng)器(PBR)開發(fā)

光生物反應(yīng)器是培養(yǎng)微藻的關(guān)鍵設(shè)備，決定著微藻資源開發(fā)的成敗[87]。由于微藻對(duì)不同光質(zhì)的吸收及利用效率具有獨(dú)特性，在系統(tǒng)研究各種光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的影響之后，根據(jù)微藻各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期及產(chǎn)物積累階段對(duì)不同光質(zhì)的需求，基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)，可以研發(fā)更為高效的光生物反應(yīng)器。這些反應(yīng)器可以將微藻培養(yǎng)所需的光能從室外太陽光(圖3(a))、室內(nèi)熒光燈(圖3(b))及LED單色藍(lán)光(圖3(c))轉(zhuǎn)變到精準(zhǔn)可控的LED光質(zhì)(圖3(d))。同時(shí)，這種轉(zhuǎn)變可以促進(jìn)微藻的生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累。如，Borowiak等[88]采用新型、全自動(dòng)、半工業(yè)化組合式PBR可以精準(zhǔn)控制雨生紅球藻生長(zhǎng)及蝦青素積累所需的LED紅光、藍(lán)光及白光的比例，實(shí)現(xiàn)了蝦青素的高效生產(chǎn)。

(a)室外太陽光下利用跑道池式PBR培養(yǎng)微藻；(b)室內(nèi)白熾燈下利用柱式PBR培養(yǎng)微藻；(c)室內(nèi)LED單色藍(lán)光下利用柱式PBR培養(yǎng)微藻；(d)室內(nèi)LED可控光質(zhì)比例下利用新型、全自動(dòng)、內(nèi)置光源PBR培養(yǎng)微藻

4 LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)在今后微藻生產(chǎn)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，LED光質(zhì)調(diào)控在微藻培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)引起了諸多研究者及微藻企業(yè)的高度重視。同時(shí)，已經(jīng)有基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)雨生紅球藻[88]和長(zhǎng)耳齒狀藻[55]分別高效生產(chǎn)蝦青素以及巖藻黃素的中試生產(chǎn)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，這種培養(yǎng)技術(shù)仍然面臨較高生產(chǎn)成本的挑戰(zhàn)[7]。為了更為低成本、高效地利用LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)來促進(jìn)微藻大量生產(chǎn)生物制品，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道，筆者認(rèn)為今后LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)應(yīng)該在以下4個(gè)方向重點(diǎn)發(fā)展。

4.1 新型光電材料促進(jìn)LED升級(jí)換代，從而提高電—光及光—生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)微藻經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)

目前，LED作為人工光源培養(yǎng)微藻仍存在生產(chǎn)成本高、發(fā)熱量大、需額外控溫等弊端。因此必須開發(fā)新型高效LED，以提高電能轉(zhuǎn)化為光能的效率，降低熱損耗，進(jìn)一步提高光能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率，這樣才能最終實(shí)現(xiàn)微藻的經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)。新型光電材料能夠促進(jìn)LED升級(jí)換代，為提高LED電—光及光—生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率提供機(jī)會(huì)。如，Kang等[89]利用稀土材料開發(fā)了一種新型LED，該LED可以顯著提高電能轉(zhuǎn)化為紅光和藍(lán)光的效率，在降低熱損耗的同時(shí)，也能促進(jìn)小球藻生長(zhǎng)，從而提高光能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，更多先進(jìn)光電材料將會(huì)用于LED的開發(fā)，促進(jìn)LED升級(jí)換代，提高電—光及光—生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，最終為基于LED實(shí)現(xiàn)微藻的經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)提供可能。

4.2 基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微藻高效培養(yǎng)，助力“碳中和”

生物固碳是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的有效途徑之一，微藻超高的光合作用能力使其能夠高效固定CO2。李珂等[90]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的LED光質(zhì)可以顯著提高微藻的光合作用效率，進(jìn)而提高對(duì)CO2的固定率。Kumar 等[91]研究發(fā)現(xiàn)，Micractiniumpusillum和Ourococcusmultisporus在紅光培養(yǎng)時(shí)可將CO2固定效率提高50%以上。而Yan等[92]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅光和藍(lán)光的比例為5∶5時(shí)，小球藻固定CO2的效率會(huì)進(jìn)一步提高。因此，采用LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)來提高微藻對(duì)CO2的固定效率，實(shí)現(xiàn)CO2的高效生物固定，在加快“碳中和”進(jìn)程上大有可為，是一種值得深入研究及工業(yè)化應(yīng)用的CO2高效固定策略。

4.3 新型內(nèi)置LED光源PBR的開發(fā)，助力微藻“工業(yè)化”生產(chǎn)

內(nèi)置LED光源可以降低光衰減帶來的不利影響，進(jìn)而能夠提高光能利用效率，促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，具有工業(yè)化應(yīng)用潛能[93]。最近，筆者所在課題組的Zhang等[55]利用內(nèi)置可變光譜(紅光和藍(lán)光)LED燈的PBR為裝置來培養(yǎng)長(zhǎng)耳齒狀藻生產(chǎn)巖藻黃素，在20 L的PBR中獲得的巖藻黃素產(chǎn)率可達(dá)9.41 mg/(L·d)，是目前微藻光自養(yǎng)生產(chǎn)巖藻黃素的最高水平；進(jìn)一步放大體積(240 L)后的巖藻黃素產(chǎn)率仍可達(dá)3.73 mg/(L·d)，證明這種新型內(nèi)置LED光源的PBR培養(yǎng)微藻在生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物方面具有高效性。這也為下一步基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)為基礎(chǔ)來開發(fā)更為高效的內(nèi)置光源PBR奠定了基礎(chǔ)。

此外，由于自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，在線控制溫度、pH、通氣量及溶解氧等重要指標(biāo)早已經(jīng)在微藻培養(yǎng)中實(shí)現(xiàn)。為此，集LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)為一體的新型內(nèi)置LED光源PBR有望實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)過程中所有重要影響因子的在線自動(dòng)化精準(zhǔn)控制，從而真正實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)從“設(shè)施農(nóng)業(yè)”向“工業(yè)生產(chǎn)”轉(zhuǎn)變。

4.4 不同LED光質(zhì)作為信號(hào)分子促進(jìn)微藻異養(yǎng)或混養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)光依賴型產(chǎn)物的高效生產(chǎn)

微藻異養(yǎng)或混養(yǎng)時(shí)具有高效生產(chǎn)生物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，然而這些培養(yǎng)模式尤其是異養(yǎng)時(shí)并不能促進(jìn)微藻高效積累某些光依賴型產(chǎn)物[94-95]。為此，采用LED為光源來促進(jìn)這些產(chǎn)物的大量積累成為解決上述問題的一個(gè)較好方法。Wang等[96-97]在發(fā)酵罐內(nèi)部補(bǔ)充LED白光，實(shí)現(xiàn)蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)生物質(zhì)、蛋白質(zhì)、色素及油脂的高效生產(chǎn)。微藻在異養(yǎng)或混養(yǎng)高密度培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞相互遮擋嚴(yán)重，因此光并不能提供能量，而是主要作為信號(hào)分子來調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝。為此，利用不同LED光質(zhì)作為信號(hào)分子來參與調(diào)控微藻異養(yǎng)或混養(yǎng)生長(zhǎng)，可以充分發(fā)揮異養(yǎng)或混養(yǎng)模式生產(chǎn)微藻生物質(zhì)的高效性及LED光質(zhì)誘導(dǎo)藻細(xì)胞積累目標(biāo)產(chǎn)物的獨(dú)特性。

5 結(jié)論

LED光質(zhì)可以調(diào)控微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累，已經(jīng)在多株微藻中進(jìn)行了深入研究。目前的研究主要集中在微藻可吸收利用的光譜范圍及光受體、不同LED光質(zhì)對(duì)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物積累的影響、基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微藻高效生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的策略等。盡管LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)在微藻培養(yǎng)中具有巨大應(yīng)用前景，但是這種技術(shù)仍處于初級(jí)發(fā)展階段，面臨較高生產(chǎn)成本的挑戰(zhàn)。今后可以從新型光電材料促進(jìn)LED升級(jí)換代、進(jìn)而提高電—光及光—生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率實(shí)現(xiàn)微藻經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)，基于LED光質(zhì)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微藻高效培養(yǎng)助力“碳中和”，新型內(nèi)置LED光源PBR開發(fā)助力微藻“工業(yè)化”生產(chǎn)以及不同LED光質(zhì)作為信號(hào)分子促進(jìn)微藻異養(yǎng)或混養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)光依賴型產(chǎn)物的高效生產(chǎn)這4個(gè)方面加強(qiáng)研究，從而實(shí)現(xiàn)微藻源相關(guān)生物制品的經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)，加速微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。