| 题名 | 雨生红球藻再生培养模式的构建及相关生理学的基础研究 |
| 作者 | 陈林 |
| 答辩日期 | 2016 |
| 文献子类 | 博士 ; 学位论文 ; 博士 ; 学位论文 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 刘天中 |
| 关键词 | 雨生红球藻 虾青素 同步化 萌发 高光耐受性 再生培养 室外培养 |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 英文摘要 | 虾青素具有良好的着色性能和抗氧化性能，在食品、饲料、药品等领域有广泛的应用。雨生红球藻是目前最安全、高效的虾青素来源，培养雨生红球藻生产虾青素具有极高的经济和社会效益。培养雨生红球藻用于虾青素生产已有数十年的历史，然而，目前工业规模生产的技术仍然停留在二十年前的水平。我国是雨生红球藻虾青素的新兴市场，国内产业化过程处在高速发展阶段，但是生产技术方面的发展落后于国外厂商，因此急需技术革新和发展自主知识产权的生产技术。 针对这一现状，本论文基于前期工作观察到的雨生红球藻红色游动细胞在形态、生化组分和细胞分化方面的特殊性，认识到这一形态的细胞在雨生红球藻生活周期中可能起着相当重要的作用，对其发生和发展的过程进行深入研究有可能提供新的培养模式。本论文首先通过研究孢囊化诱导条件、萌发过程的氮、光强、初始密度等环境因素对厚壁孢子萌发率和同步化程度影响的关系，建立雨生红球藻厚壁孢子萌发和子细胞再孢囊化过程的同步调控方法。随后，综合运用显微观察和生理生化性状测定等手段，阐明红色游动细胞形成过程中脂肪-蛋白质-碳水化合物的代谢过程和色素的变化规律。之后，基于建立的细胞周期同步调控方法制备红色游动细胞群，通过研究红色游动细胞在高光、极端温度等环境逆境下的光合作用强度、存活率和生长等生理指标，评价红色游动细胞对不利环境的耐受性。最后，发展基于厚壁孢子同步萌发的雨生红球藻再生培养新模式，并开展室内室外不同规模的培养验证和工艺优化。通过上述研究，本论文获得如下的主要结果： 首先，建立了雨生红球藻厚壁孢子萌发和子细胞再孢囊化过程的同步调控方法。在最优条件下，雨生红球藻厚壁孢子的48 h萌发率达到90%以上，萌发产生红色游动细胞的再孢囊化效率达到100%。这一调控效果可以在多个连续的世代培养过程中实现。研究结果表明吸收足够量氮是诱导雨生红球藻厚壁孢子萌发的必要条件，光照强度通过影响氮的吸收速率而调控厚壁孢子的萌发进程，并通过快速消耗培养基中的氮和结合光诱导共同作用来诱导新生的红色游动细胞进入再孢囊化过程。研究还发现雨生红球藻厚壁孢子成熟度与其萌发效率负相关，Car/Chl比值可作为衡量雨生红球藻厚壁孢子成熟度的一个简易指标。 其次，碳水化合物和脂肪可能是雨生红球藻厚壁孢子中同等重要的碳储存物质。在萌发过程中，首先代谢碳水化合物用于孢子囊形成阶段的能量需求，之后代谢脂肪用于游孢子释放阶段的能量需求，并为蛋白质和结构性脂肪的快速合成提供前体。光合作用只能延迟萌发过程的脂肪代谢，却不能阻止油脂储存物质的代谢。研究结果表明，雨生红球藻通过快速合成叶绿素和降解胞内虾青素生成叶黄素，提高细胞对光量子的吸收，并提供脂肪酸作为萌发过程的部分能量来源。虾青素的遮光效应和叶黄素循环的耗散作用共同对厚壁孢子萌发过程的孢子囊和子代游孢子行使光保护功能。 第三，本研究证明了一种以厚壁孢子为初始材料的循环再生培养新模式。在这一培养模式中，厚壁孢子萌发释放游孢子和新形成游动细胞的再孢囊化过程可以在同一环境条件下连续进行；同时再孢囊化形成的新一代厚壁孢子保留了再次萌发的能力，作为下一批次培养的接种物。此外，高光强和氮限制对维持这一生活周期的快速运转至关重要。 第四，雨生红球藻红色游动细胞较绿色游动细胞具有更强的高光耐受能力和更大的光合作用容量，这一特殊性质与其胞内虾青素储存物的遮光和ROS清除作用，以及其活跃的虾青素合成过程消耗光合作用产生的过量活性氧有关，同时红色游动细胞可以快速转化为抗逆性更强的中间态不动细胞palmella也对其具有更强的高光耐受能力有贡献。但是，本研究对红色游动细胞的不同光保护途径，比如光化学淬灭、非光化学淬灭，以及酶淬灭系统的贡献额度尚不清楚，需要更多的工作进行深入研究。研究还发现，雨生红球藻可在冰点温度下存活并保留复苏生长的能力，而对高温的耐受性，尤其是未萌发的子细胞对高温的耐受性较弱。 第五，本研究提供的再生培养新模式在室内室外实施可获得高虾青素含量的雨生红球藻生物质，在室内获得的最高生物质产率和虾青素产率分别为0.498 g/L/d和24.1 mg/L/d，在室外培养获得的最高生物质产率和虾青素产率分别为0.327 g/L/d和11.5 mg/L/d。氮消耗速率(SNI)决定再生培养模式进入再孢囊化阶段的时间点，这一指标取决于氮浓度、光照强度和初始接种密度三者的交互作用；再生培养模式的再孢囊化阶段中，虾青素产率仅取决于培养光强和细胞密度。研究还发现室外培养下的光能利用效率要比室内至少低50%，通过与新技术结合可能有助于提高室外环境下的生物质产率和虾青素产率。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 化学工程 |
| 公开日期 | 2021-06-30 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.qibebt.ac.cn/handle/337004/9753]  |
| 专题 | 青岛生物能源与过程研究所_微藻生物技术团队 |
| 作者单位 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈林. 雨生红球藻再生培养模式的构建及相关生理学的基础研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2016. |
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