产油微藻人工藻菌共生体系的构建与调控

Microalgae that can grow rapidly and convert solar energy to chemical energy via CO2 fixation are being considered a promising oil source for making biodiesel. One of bottlenecks of microalgae for industrial is the stability during the outdoor cultivation. The consortia of microalgae and bacteria can be efficient in removal of nutrients and improvement of stability of large scale microalgae cultivation system, however, there are limited information about this in the microalgae systema for oil production. Our group constructed an artificial symbiotic community using isolation bacteria and scenedesmus. The results demonstrated that four bacterial strains could promote the growth of scenedesmus. Based on the results, this project will study the diversity of microorganism and the characters of growth and oil productivity during the cultivation of scenedesmus and chlorella. Furthermore, we will analyze the interaction mechanism of microalgae consortia with microorganism and study the regulation methodology for the consortia. These knowledge will eventually contribute to the sustainable development for large-scale cultivation of microalgae.

微藻生物能源被认为是最有希望替代化石能源的生物质能源，如何提高强微藻培养体系在开放条件下稳定性是微藻生物柴油形成产业所必须克服的瓶颈。藻菌共生体系在有机物、难降解物质去除和维持体系稳定性方面有明显优势，但关于产油微藻藻菌共生体系的研究几乎是空白。本研究组前期研究以产油微藻栅藻为基础，筛选栅藻的共生菌，人工构建藻菌共生体系。初步结果表明共生体系对微藻的生长有明显促进作用。在此基础上，本项目拟以产油微藻为对象，通过人工构建产油微藻（栅藻和小球藻）和微生物（细菌或酵母菌）共生体系，研究种群动态变化、共生体系中微藻生长和产油特性，并通过揭示其共生机理和调控规律，阐明共生体系中物质循环关系和相互影响，解析其生物学基础，从而获得如何构建稳定藻菌共生体系和调控的方法，为微藻大规模稳定培养提供科学依据。

微藻作为新能源原料被广泛研究，然而其规模培养中遇到了许多问题，其中如何提高藻菌培养体系的稳定性和进一步提高微藻产量是亟待解决的主要问题。本项目首先对产油微藻(栅藻和小球藻)培养过程中藻际微生物群落的变化进行分析，并筛选微藻促生菌以构建藻菌共生体系，然后根据菌种特性研究藻菌相互作用机制，并以此为基础对藻菌共生体系进行调控，最后用开放培养实验验证藻菌共生体系的稳定性。.藻际菌群结构的变化表明微藻在长期自然选择中倾向与一些具有元素转换功能的细菌共生，而稳定的菌群结构有利于维持微藻培养的稳定性。构建的栅藻与真菌共生体系中，热带假丝酵母Candida tropicalis将栅藻的生物量提高了30.3%，酵母菌通过利用微藻产生的胞外多聚物同时提高栅藻的光合活性促进了栅藻生长。构建的栅藻与细菌的共生体系中，细菌Acidovorax facilis的促藻生长效果最显著，将栅藻生物量提高了24.8%，细菌Rhizobium sp.的促油脂积累能力最强，可将油脂含量提高24.5%，研究表明共生菌利用微藻产生的胞外多聚物生长，同时为微藻提供CO2，从而促进了微藻的油脂积累。构建的小球藻与细菌的共生体系中，细菌Archromobacter sp.和Rhizobium sp.分别将小球藻的生物量提高了13.14%和13.04%，研究表明细菌利用微藻分泌的胞外多聚物生长，同时分泌群感效应物质C8-HSL和C14-HSL促进小球藻生长，另外细菌Rhizobium sp.通过固氮作用为小球藻提供氮源从而发挥促生作用。对已构建的栅藻藻菌体系进行调控，低氮培养条件下，细菌Rhizobium sp.能够显著提高栅藻的油脂含量和产率；向藻菌共生体系添加外源的Ca2+和Mg2+能够显著提高调节胞外多聚物，从而提高藻菌体系的稳定性，而不影响微藻生长。开放培养下藻菌体系在培养12天内结构保持稳定，验证了栅藻藻菌体系的稳定性。.通过本项目的研究，构建了多种藻菌共生体系，揭示了藻菌共生体系中藻菌相互作用机理，同时开放培养验证了藻菌体系的稳定性，为新的调控策略提供了基础。