微藻基因诱变研究及应用进展

微藻是单细胞小型光合生物,是自然界最重要的初级生产者,在食品、能源、医药和环境等行业领域有重要应用。微藻生物技术产业发展所需要的优良微藻株系,除了通过筛选获得外,还可以利用基因诱变或者基因工程等方法获得。利用基因诱变方法获得的突变株,不是转基因作物,且具有更适宜生产需要的优良性状。本文主要综述基因诱变在微藻育种中最新的应用研究进展,为微藻产业化研发工作提供参考。     

生物制氢研究进展

目前, 世界上利用的能源90%以上都是“化石能源”(如石油、煤炭和天然气等)。随着人类不断利用这些不可再生的“化石能源”, 它将会逐渐枯竭, 且其燃烧形成的产物(如CO2和SO2等)造成的严重环境污染(如温室效应和酸雨), 也有害于人类健康。因此, 人类正面临着能源紧缺和环境污染的双重压力。为满足能源需求量日益增长和环境保护的需要, 我们必须寻找环保型的可再生能源来替代“化石能源” 以满足人类对能源的需求。 在各种可再生能源中氢能将有可能替代“化石能源”,成为未来能源利用的主要形式。氢能具有许多优点:①氢能燃烧时只生成水, 不产生任何污染物, 甚至连CO2也不会产生, 实现真正的“零污染” 和“零排放”;②氢能的能量密度高, 放热高达122 kJ/g, 是焦炭放热的4.5倍, 汽油的2.68倍;③氢能可经济有效的输送和储存, 可以利用已有的天然气管道输送, 输送成本低, 甚至优于输电, 因为输送氢能不会产生如电能输送过程中所产生的能量损耗;氢能的存储也比较简便, 其中储氢合金材料就是一种非常理想的储氢方法, 该方法储氢能力强、运输方便、操作容易, 且安全可靠。在利用储氢合金进行储氢时, 还可用以进行制冷或采暖(Kulkova et al., 2006), 因为储氢材料在吸氢时放热, 在放氢时吸热。正因为氢能具有如此多的优点, 许多大的跨国公司开始对制氢技术高度关注, 如主要汽车制造商(通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒等)对开发以氢能作为燃料的汽车投入大量的人力和物力;宝马公司从20世纪70年代就开始研制以氢能为能源的汽车, 宝马公司现在已拥有了时速达240km的氢能汽车(Munro,2003)。同时, 一些发达国家的科研院所的科学家们对氢能的制备方法、制氢机制以及提高产氢量等进行了大量的研究。     

莱茵衣藻叶绿体型磷酸甘油醛脱氢酶过表达对其储能物质生产的影响

叶绿体型磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)是莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)光合固碳生产储能物质的关键酶,加深对该酶生物学功能的认识对探索微藻光合固碳有着重要意义。本文首先构建了2种叶绿体型GAPDH过表达转化株,实现了持续稳定和生长偶联2种不同模式的叶绿体型GAPDH的表达;通过对比分析2种转化株与野生株的生长(OD与干重)、叶绿素荧光参数Fv/Fm、碳水化合物含量以及脂肪酸种类与含量的变化规律,考察过表达GAPDH对莱茵衣藻储能物质生产能力的影响。研究表明,过表达叶绿体型GAPDH实现了转化株碳水化合物和脂肪酸产率的明显提升。与野生株相比,稳定过表达GAPDH的转化株不仅能够积累较高含量的碳水化合物,且脂肪酸最大产率提升了55%,最大储能物质产率提升了75%。本研究首次从实验角度证实,莱茵衣藻叶绿体型GAPDH的过表达可显著提升其储能物质生产能力,本研究对基于微藻光合固碳的合成生物学的发展起到推动作用。     

我国富油微藻制油取得初步成果

我国利用微藻生产生物能源具有潜在的应用前景。目前,在山东省的实验室获得了初步成果,培育出的富油微藻,最高含油比已经达到68％,可在此基础上制取生物柴油。有专家认为,海洋微藻的能源化利用,有望成为“后石油时代”破解能源危机的一把钥匙。     

螺旋藻氢酶的制备及其特性的研究

氢是理想的不污染环境的能源,在世界能源日趋紧张的情况下,氢代谢这一研究课题受到了许多学者的重视。藻类中一些绿藻可以放氢已有不少研究;关于蓝藻的放氢,特别是不具有异形胞蓝藻的放氢研究目前报道得很少。螺旋藻是一种不能固氮的丝状蓝藻,但具有氢酶。顾天青等已进行了螺旋藻整体细胞放氢特性的研究,证明了氢酶与硝酸还原酶之间存在还原能力的竞争。在此基础上,我们提取了螺旋藻的氢酶,在分子水平上对它的放氢特性进行了研究,并以Na_2S_2O_4还原的甲基紫精作为催化放氢的试验。     

两种光强条件下亚心形扁藻各生长阶段的产氢能力

海洋亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)在光照生长后,经过暗培养诱导其可逆产氢酶,然后转移到光照下可产生氢气。在300 mL产氢反应器中对海洋亚心形扁藻产氢情况的考察表明,不同的光强条件可导致扁藻产生不同的生长曲线,而在不同的培养阶段,扁藻的产氢能力也有很大的差别。其他培养条件相同,高光照强度(E=13000 lx)条件下,扁藻生长较快,而且可以获得更大的产氢能力,300 mL密度为3×106个/mL、叶绿素质量浓度为5.8 mg/L的藻液最大产氢浓度可达17.5%,比低光照强度(E=5000 lx)时提高了32%,叶绿素含量降低了61%。根据产氢前后以及暗诱导后扁藻生理状态的考察结果,可以推测出是不同生长阶段扁藻的生理状态差异导致了其产氢能力的变化。     

绿藻氢化酶及其产氢代谢的分子生物学研究进展

随着全球工业的迅猛发展,对能源的需求量大幅增加,由于不可再生的矿物能源储量有限,导致能源危机逐渐映现,因此,开发可再生的洁净新能源成为亟待解决的全球性问题.H2由于其能量密度高,燃烧后只生成水,不造成任何污染,成为最理想的可再生能源之一.在各种制氢方法中,绿藻制氢以太阳能为能源,以水为原料,通过光解水制取H2,是目前生物制氢技术研究的热点.     

基因工程在提高微藻生产生物柴油能力中的应用前景

石油消耗,气候变化,能源安全等问题的日益突出,使得可再生能源研究逐渐受到世界各地的关注。微藻富含油脂,具有很多独特的优势,在生物柴油领域被寄予厚望,但利用微藻生产生物柴油也有许多问题亟待解决。通过基因工程的手段对微藻进行改造有可能是解决这一问题的突破点。国内外通过基因工程手段在高等植物、微藻、微生物中均实现过提高油脂含量或改变油脂组成的目的,而这些经验能够为基因工程在微藻中的应用起到很好的指导作用。对此,本文作了比较详细的介绍以期为利用微藻生产生物柴油提供些有价值的信息。     

褐藻寡糖用于海水小球藻和盐生杜氏藻异养培养及其促生长作用机制

为评价酶解褐藻寡糖对海水小球藻(Chlorella sp.)和盐生杜氏藻(Dunaliella salina)的促生长作用。本文测定了50 mg·L~(-1)质量浓度褐藻寡糖用量对2种微藻的比生长速率、色素含量、光合放氧、呼吸耗氧速率和叶绿素荧光参数的影响。研究表明:光照下添加褐藻寡糖,2种微藻的细胞生长速率均明显提升,海水小球藻在兼养下的比生长速率分别是自养和异养下的2.4和2.6倍;而盐生杜氏藻在兼养下的比生长速率达0.259 d~(-1),是自养的1.9倍,异养的1.3倍。2种微藻均可利用寡糖进行异养生长,且在暗处利用褐藻寡糖作为有机碳源获得的生长速率与自养接近。异养下海水小球藻的呼吸耗氧速率显著高于自养和兼养,而盐生杜氏藻的呼吸耗氧速率在兼养下最高,自养下最低。兼养条件下,盐生杜氏藻的叶绿素含量、光合放氧速率、最大光化学效率F_v/F_m和光化学淬灭qP均显著高于自养条件,但海水小球藻未见显著变化。研究结果表明,褐藻寡糖促进海水小球藻生长主要通过提高其异养同化作用实现;促进盐生杜氏藻生长主要通过提高其异养同化和光合作用实现。     

中国近海藻毒素及有毒微藻产毒原因种调查研究进展

麻痹性贝类毒素在我国近海污染问题已十分突出,基本呈现逐年加剧的趋势。20世纪90年代,南海麻痹性贝类毒素污染较重; 21世纪初,北黄海麻痹性贝类毒素污染较重;近几年,渤海和福建近海麻痹性贝类毒素污染较重;可产生麻痹性贝类毒素的微藻有亚历山大藻和裸甲藻等。采用小鼠生物法检测我国近海腹泻性贝类毒素超标率32%左右,采用液相色谱/质谱法检测,仅有3起超标的研究报道;现行小鼠生物法检测腹泻性贝类毒素假阳性问题十分突出,应尽快废除;腹泻性贝类毒素均是脂溶性的,脂溶性海洋生物毒素在我国近海常年可检出,偶有虾夷扇贝毒素和鳍藻毒素超标现象。可产生脂溶性毒素微藻有鳍藻和原甲藻及网状原角藻等。失忆性贝类毒素在我国近海常有检出,但无超标现象;产毒微藻有拟菱形藻等。西加鱼毒素在我国南海污染较重,但毒素标准物质的匮乏,限制了西加鱼毒素的调查研究;至今尚未确定产生西加鱼毒素的微藻。酶联免疫吸附法和液相色谱串联质谱法相结合已成为藻毒素快速准确检测成熟的技术,逐渐代替小鼠生物法和液相色谱法。     

转基因微藻作为新型生物反应器的研究进展

转基因微藻作为生物反应器生产生物活性物质已成为基因工程研究的热点之一。目前以转基因微藻作为生物反应器的技术并不十分成熟,然而许多科研人员及生物医药公司将微藻作为新型生物反应器生产有用的外源蛋白。本文对微藻生物反应器构建中的有效核转化方法的建立、转基因微藻中所用的启动子、筛选标记、稳定表达等问题进行了综述,同时介绍了目前转化成功的以及未来可能转化成功的有潜在应用价值的微藻。     

蓝藻氢代谢相关酶及其分子生物学研究进展

综述了蓝藻中催化氢代谢反应的2种关键酶—固氮酶和氢化酶的生物学特征、分子基础及其编码基因和转录等最新研究进展。蓝藻在固氮细胞中的净产氢量是固氮酶和氢化酶(包括吸收氢化酶和双向氢化酶)综合作用的结果,但在非固氮情况下的产氢则主要是由双向氢化酶催化的。可通过有效利用基因工程技术对产氢相关酶基因进行改造,改进生物产氢系统。     

海藻资源应用于聚羟基脂肪酸酯生产的研究进展

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate, PHA)是一种可生物降解的高分子聚酯材料, 主要由微生物在一定的胁迫条件下产生, 具有较多的单体结构, 由于其具备良好的生物相容性和生物可降解性, 近年来对其研究逐渐深入, 但由于其生产成本较高导致其在生物塑料行业的应用进展缓慢, 而以废料作为微生物碳源进行生产的方式往往会对环境造成二次污染。近年来大型海藻养殖量逐年上升, 其含有丰富的碳水化合物等生物质资源, 对其资源化利用的研究主要集中于食品、医药、饲料、新能源等领域, 目前仅在海藻饲料和海藻肥领域实现了工业化, 对其资源化利用的方式仍然需要不断地研究创新, 使海藻资源的利用率达到最大, 以创造更多的经济价值。为了引入庞大的海藻资源进行PHA的生产, 降低其生产成本, 促进其在生物塑料行业的应用, 本文综述了PHA近年来在生产工艺研究上的进展情况, 阐明了微藻生物合成PHA及大型海藻作为PHA生产的碳源的可行性, 并评估了海藻资源作为碳源开发的优劣, 为将来黄海绿潮资源的开发利用提供新的思路。     

不同海洋微藻对石油污染的响应差异

微藻对油污染物的不同响应,势必造成其群落种类组成和结构的变化,进一步影响海洋生态系统的变迁。由于油污染对于浮游植物的影响具有污染源及生物响应的多样性、多维度性和复杂性,产生影响的时效长但可显示度低等特点,造成该研究领域的极大限制。作者以石油标准品20-3和3种石油化学品(双酚、对苯二甲酸、对二甲苯)作为油污染源,利用多孔板高通量检测方法及大数据处理分析软件Simca-P,对中国沿海常见单种微型藻类的种群消长受油污染影响进行了研究。以石油标准品20-3为油污染源,分析了31株微藻增殖对不同油标浓度的不同响应;利用Simca-P软件对3种不同浓度的石油化学品对4种典型微藻(柔弱角刺藻(Chaetoceros debilis)、球等鞭金藻(Isochrysis galbana)、东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)、剧毒卡罗藻(Karlodinum veneficum))增殖的影响进行了比较分析。研究结果显示:不同种类微藻因油污种类及其浓度不同,其响应存在显著差异。利用多孔板以及微藻的吸光特征,可以高通量快速筛查不同微藻对不同油污及其不同浓度的响应差异,并利用计算机软件对大数据的分析能力,挖掘和比较不同微藻与不同油污之间的相互关系,从而就油污染对微藻影响这种多维度复杂关系进行研究。     

微藻的应用概述

微藻太阳能利用效率高、个体小、营养丰富、生长繁殖迅速、对环境的适应能力强、容易培养,因此受到人们的重视。微藻的培养开始于18世纪末,当时培养的种类是栅藻和小球藻等淡水藻类,目的是作为植物生理学的试验材料。到了第二次世界大战期间及战后时期,由于粮食缺乏,...     

微藻基因工程在高价值化合物生产上的应用

微藻在生产蛋白质、油脂、色素等方面具有作为细胞工厂的潜力,在解决传统生物量生产和市场未来的一些局限性方面发挥着推进作用.基因工程促进了微藻的改良,推动了微藻的产业化进程.本文综述了近年来微藻基因工程的研究进展以及基因工程在微藻生产生物燃料、医药等方面的应用.本文能为基因工程技术在微藻中的研究及应用提供思路,从而使微藻以及微藻产品变得更具有经济竞争力.     

Isolation of protein from Chlorella sorokiniana CY1 using liquid biphasic flotation assisted with sonication through sugaring-out effect

Microalgae,a sustainable source of multi beneficial components has been discovered and could be utilised in pharmaceutical,bioenergy and food applications.This study aims to investigate the sugaring-out effect on the recovery of protein from wet green microalga,Chlorella sorokiniana CY1 which was assisted with sonication.A comparison of monosaccharides and disaccharides as one of the phaseforming constituents shows that the monosaccharides,glucose was the most suitable sugar in forming the phases with acetonitrile to enhance the production of protein(52% of protein).The protein productivity of microalgae was found to be significantly influenced by the volume ratio of both phases,as the yield of protein increased to 77%.The interval time between the sonication as well as the sonication modes were influencing the protein productivity as well.The optimum protein productivity was obtained with 10s of resting time in between sonication.Pulse mode of sonication was suitable to break down the cell wall of microalgae compared to continuous mode as a lower protein yield was obtained with the application of continuous mode.The optimum condition for protein extraction were found as followed:200g/L glucose as bottom phase with volume ratio of 1:1.25,10s of resting time for ultrasonication,5s of ultrasonication in pulse mode and 0.25g of biomass weight.The high yield of protein about 81% could be obtained from microalgae which demonstrates the potential of this source and expected to play an important role in the future.     

利用市政污水厂尾水培养产油微藻——营养盐去除与生物质生产

将1株产油淡水微藻——微拟球藻(Nannochloropsis sp.MASCC 11)分别接种到青岛市2家市政污水处理厂(STP)的尾水中,根据其生长、油脂产率和营养盐去除情况,评价了利用STP尾水培养微藻以生产富油的藻生物质同时深度净化尾水的可行性。结果表明,团岛污水处理厂(TD-STP)和李村河污水处理厂(LC-STP)尾水中无机氮和磷酸盐的浓度虽然远低于BG11培养基,但仍能支持微藻生长,而且以未经稀释的尾水更具优势,培养8 d后,藻生物量分别达到BG11培养基中生长微藻的65.23%和44.77%。STP尾水经稀释后处于营养盐缺乏状态,有利于藻细胞内脂质积累,但是油脂产率最大值(10.5 mg·L^-1·d^-1)仍出现在未经稀释的TD-STP尾水中,为未稀释LC-STP尾水的1.37倍。LC-STP尾水中微藻的油脂产率较低,可能与该处理厂接纳工业废水而在尾水中残留较多有害物质有关。在微藻的直接和间接作用下,TD-STP和LC-STP尾水中磷酸盐的去除率分别达到94.5%和100%;无机氮的去除率较低(分别为59.2%和45.4%),与尾水中初始N/P较高有关。上述结果表明,与接纳工业废水的污水厂相比,处理生活污水的污水厂所排尾水较适于培养产油微藻,能够实现产油微藻低耗培养与尾水深度净化相耦合。