亚细胞尺度下微藻细胞内容物溶出行为研究

Microalgae as the remedy to the polluted water and carbon dioxide are the essential feedstock for liquid fuels. One of the challenges of algae biomass industry is lack of efficient extraction technology. This study will concentrate on this key issue based on the established ultrastructure theories--the disruption of cell wall/membrane structure and the transferring of cell contains. Firstly the structure of the cell wall and membrane will be examined; then, the course of disruption under the environment forces will be studied; finally，the character and the mechanism of the transferring inside microalgae cells will be analyzed. In all, this study will be helpful for establishing an efficient disruption process with few crack steps and be a mechanism foundation for an economical microalgae utilizing technology.

微藻具有治污减排和解决液体生物燃料来源的能力。寻找高效的提取方法是微藻能源化应用领域亟需解决的难题之一。本项目针对微藻提取利用时的关键科学问题—微藻生物质的提取过程，提出在现有的微观研究基础上，研究微藻生长时亚细胞屏障的结构特征，借助不同的外界因子探讨壁膜结构解聚及细胞内容物迁移规律，解析亚细胞尺度下微藻内容物的溶出行为及其相关机制。本研究有利于更精细地选择或设计微藻大分子解聚和断键方式，减少大分子降解和裂解，从而为微藻生物质资源化利用提供理论支持。

项目背景.微藻具有治污减排和解决液体生物燃料来源的能力。寻找高效的提取方法是微藻能源化应用领域亟需解决的难题之一。针对微藻提取利用时的关键科学问题——微藻生物质的提取过程，本项目研究不同外界因子作用下微藻内容物的溶出行为。.研究内容.以对数期和平台期的钝顶螺旋藻为研究对象，分别考察未处理组和匀质预处理组，经化学、物理、生物方法处理后，蛋白质、碳水化合物和脂肪酸等细胞内容物溶出行为；结合扫描电镜和傅立叶变换红外光谱深入探究了不同处理方法下螺旋藻细胞壁的解聚机制。.主要研究结果如下：.1．.化学法处理.经pH梯度处理溶出表明，酸性条件下碳水化合物溶出率较高，碱性条件下蛋白分子溶出率较高，脂类分子溶出率在温和pH条件下较高。SEM和FTIR表征显示，细胞壁解聚机制是氢离子能断裂细胞壁L-I层β-1,2-葡聚糖中的C-O-C键，氢氧根离子能断裂细胞壁L-II层分子链间氢键和肽链间肽键。.2．物理法处理.经超声处理溶出表明，碳水化合物溶出率最高，蛋白质分子和脂类分子的溶出率随超声时间的增加而增加。在低强度的超声作用下，超声波产生的剪切力起主要作用；在高强度的超声作用下，·OH、·H自由基会产生一定的协同效应，将加剧细胞壁分子解聚。.3．生物法处理.经果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、溶菌酶研究微藻内容物溶出表明。果胶酶和溶菌酶联合作用对蛋白质分子的溶出效果最好，经酶类分子作用后，碳水化合物、蛋白质分子和脂类分子的溶出行为类似。推测螺旋藻细胞壁L-II的肽聚糖层是限制蛋白质溶出的主要屏障层。.同时，在化学、物理、生物方法处理下，未处理组细胞内容物的溶出率均低于匀质预处理组预处理表明即便轻质扰动，部分断裂细胞壁，也将促进各作用因子的效应。 .科学意义.本研究分析了不同作用因子下细胞壁解聚机制，为微藻生物质资源化利用提供理论支持。