光合产氢介导的产油微藻自浮采收体系研究

As an ideally alternative candidate of fossil fuel, biodiesel has been regarded as one of the most applicable environment friendly new energy. Microalgal biodiesel attracts much attention as its' renewability. The major obstacle for the research and development of microalgal biodiesel is the high cost process. Harvests of the cells contribute 20-30% of the total cost of the microalgal biodiesel production. Gas flotation is a harvests method which is widely utilized in large scale microalgae culture. However, chemical coagulants and the power consumption are the major disadvantages for gas flotation. So, auto-flotation is an economic and environment friendly strategy to harvest microalgal cells from liquid media. Auto-flotation has been presented successful in filamentous cyanobacteria, this project will give a further step to the investigation of biological mechanism of such an auto-flotation process by molecular level. The mechanism will be explained from the prospects of mucilage metabolism and photosynthetic H2 production. On the other hands, the auto-flotation process will be first applied to harvest oleaginous algae in this project, which is quite a novel and efficient strategy to cut the microalgal biodiesel cost. What should be mentioned here is that the development and application of filamentous cyanobacteria based auto-flotation in other target oleaginous algae will expand the utilization of auto-flotation method essentially.

生物柴油作为化石能源的良好替代品，已成为国际上发展最快、应用最广的环保型新能源之一。微藻生物柴油具有绿色和可再生等优点，受到众多研究机构的重视，得到了长足发展。生产成本高昂是微藻生物柴油亟待解决的首要问题。而产油微藻细胞的采收占整个生产成本的20-30%，是制约其发展的重要因素之一。目前，在大规模培养中应用广泛的气浮法存在絮凝剂使用和能耗高等问题，因此开发微藻细胞的自浮体系应用于生物质采收是一条经济环保的途径。自浮体系已在光合产氢的丝状蓝藻中成功构建，本课题将在此基础上，从粘液代谢和光合产氢的角度入手，在分子水平上进一步探究丝状体絮凝和气浮等行为的生物学机制。另一方面，课题还将该自浮体系应用于产油微藻的细胞采收，最终构建油藻自浮采收系统，显著降低微藻生物柴油的生产成本。需要强调的是作为首次将自浮体系应用于微生物细胞从液体介质中的分离和收集，该采收系统的成功构建将从根本上扩展自浮体系的应用范

微藻生物柴油被认为是极具前景的生产可再生燃油的方式，然而生产成本高一直是限制其开发应用的主要因素。研究指出微藻细胞采收占工艺总成本的30%所有，而传统的大规模采收方式使用絮凝剂对环境造成压力。课题组前期研究开发了一种丝状固氮蓝藻高效光合产氢状态下细胞自浮分离的过程，将该过程应用于产油微藻的细胞采收是经济且对环境友好的细胞收集方法。本研究通过依据高产氢丝状固氮蓝藻的产氢和粘液分泌等表型，将单细胞产油绿藻小球藻进行混合，在产氢和油脂积累的共诱导条件下实现产氢蓝藻对产油绿藻的气浮分离。优化实验表明当混合比例为1:1时，取得气浮采收效果最佳。对分离后的生物质进行收集分析，细胞定量数据表明，最佳采收条件下，每100个光合产氢细胞能够通过气浮分离获得669个产油绿藻细胞，采收率达到72%左右。油脂含量占细胞干重的13.77%，比单独诱导产油绿藻产油量略低，但其油质更好，含有更多饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸。分子机制研究初步揭示过程的工作机制：诱导条件下丝状蓝藻Anabaena产氢酶系统及光驱动的电子传递活性提高，并生成大量氢气，同时Anabaena负责胞外多糖合成以及往胞外运输的基因表达变得异常活跃，使得胞外粘液合成增加，处于共诱导中的单细胞绿藻被粘附形成细胞团，异形胞产生的大量氢气为细胞团上浮提供浮力，使得细胞团生物质浮出液面实现分离。共诱导自浮体系在微藻高附加值产物生成工艺中具有广泛应用前景，同时，实验室模型证实该体系中的高产氢过程可用于为燃料电池提供清洁的氢能。