本文介绍了一种构建实验室规模气泡柱式光生物反应器的方案,并利用该反应器培养微藻的方法。同时提供了测定微藻培养物生长速率和中性脂质含量的实验方法。
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本文介绍了一种构建实验室规模气泡柱式光生物反应器的方案,并利用该反应器培养微藻的方法。同时提供了测定微藻培养物生长速率和中性脂质含量的实验方法。
人们对微藻的研究在工程应用方面具有浓厚兴趣,例如用于生产生物燃料、高附加值产品以及废物处理。由于大多数新研究工作都从实验室规模开始,因此需要一种经济高效且可重复的微藻培养方法。本文介绍了一种在实验室规模光生物反应器中培养微藻并测定其生长情况和中性脂质含量的有效方法。文中还包含了光生物反应器系统的搭建说明。尽管示例生物为Chlorella和Auxenochlorella物种,但该系统可适用于培养多种微藻,包括微藻与非藻类物种的共培养体系。首先在瓶中培养保藏种,以制备光生物反应器系统的接种物。将微藻接种物浓缩后转移至光生物反应器中进行分批培养。每天采集样品进行光密度测定。分批培养结束后,通过离心收集细胞,洗涤后冻干,以获得最终的干重浓度。利用最终干重浓度建立光密度与干重浓度之间的相关性。随后采用改良的Folch法从冻干生物质中提取总脂质,并通过微孔板法测定提取物中的中性脂质含量。该检测方法此前已有发表,但本文包含了详细的实验步骤,以突出实验流程中容易出错的关键环节。本文所述的生物反应器系统填补了简单烧瓶培养与完全可控的商用生物反应器之间的空白。即使每个处理仅设置3-4个生物学重复,本方法在微藻培养、生长及脂质检测中仍可获得较小的标准偏差。
近年来,微藻在工程与生物技术领域的应用引起了广泛关注。目前,微藻正被研究用于废水处理1,2,3,4、生物燃料生产5,6,7,8,以及营养保健品和其他高附加值产品的制备9,10。此外,为提高微藻在特定工程应用中的适应性,对其开展的遗传改造研究也日益增多11,12。因此,在受控条件下对具有工业应用价值的生物体进行实验备受关注。本方法旨在介绍一种在受控实验室环境中培养微藻并测定其生长情况和中性脂质含量的有效方案。提高微藻的生长速率和中性脂质含量,已被认为是实现藻类生物燃料商业化应用的两个关键瓶颈13。
为实验目的培养藻类已采用多种方法。总体而言,这些方法可分为大规模户外培养和小规模室内培养。光生物反应器和开放池塘的户外培养适用于已在实验室规模上验证过的工艺的放大实验(例如,测试一种新型高脂藻株的放大生产)14。然而,在开发新型或改良藻株,或开展旨在理解生物学机制的实验时,小规模室内培养更为合适。在后一类情况下,需要高度的实验控制,以解析生物行为中的细微变化。为此,通常需要使用无菌培养,以尽量减少其他生物体(例如细菌、其他藻类)带来的复杂生物因素,这些生物体不可避免地会在大规模户外系统中生长。即使在研究藻类与其他生物体之间的相互作用时,我们发现,在考察生物体间分子交换时,采用高度受控的实验条件仍然具有帮助15,16,17。
在小规模室内藻类培养的范畴内,已采用多种方法。其中最常见的是在摇床的锥形瓶中培养藻类,摇床位于光源组下方18,19。氧气和CO2通过瓶口的泡沫塞以被动扩散方式交换。一些研究人员通过主动向锥形瓶通气来改进该装置20。另一种方法是在瓶子中培养藻类,利用搅拌子搅拌并进行主动通气。尽管这些方法较为简单,但我们发现使用锥形瓶和瓶子常导致生物学重复之间的结果不一致。这可能是由于位置效应所致——不同位置接收到的光照量不同,这也会影响反应器内部的温度。每日将反应器轮换至新位置虽有一定帮助,但无法彻底解决该问题,因为藻类生长的某些阶段(例如,早期指数生长期)对位置效应比其他阶段(例如,对数生长期)更为敏感。
在技术复杂性光谱的另一端,是完全可控的商用光生物反应器。这类系统能够持续监测并调节反应器内的环境条件,以优化藻类生长。它们具备可编程光源、实时温度控制和pH控制功能。然而,这类设备价格昂贵,通常每个反应器的成本高达数千美元。大多数科学与工程期刊要求实验结果需具备生物学重复性,这就需要购买多个生物反应器。本文介绍一种气升式鼓泡柱反应器系统,可在实验室规模的藻类培养中,弥合简单培养(如锥形瓶)与复杂系统(完全可控的生物反应器)之间的差距。鼓泡柱利用上升的气体气泡促进气体交换并实现反应器内混合。该方法可在光照和温度方面提供一定程度的控制,同时具有较高的成本效益。此外,我们发现该系统在生物学重复之间能获得高度一致的结果,与锥形瓶或玻璃瓶培养方法相比,可减少获得统计学显著结果所需的生物学重复数量。我们还成功利用该系统培养了藻类与细菌的混合体系21。除藻类培养外,本文还概述了测定培养藻类中性脂质含量的操作流程。后一方法已在其他文献中发表22,但本文仍将其纳入,以提供可成功实施该方法的分步操作指南。
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1. 气泡柱光生物反应器的设置

图1. 生物反应器构建的示意图与照片。(A)生物反应器瓶盖的构建示意图;(B)组装完成的生物反应器瓶盖照片;以及(C)用于加湿器的组装瓶盖照片。请注意,加湿器接头应涂覆防水硅胶,以确保与瓶盖之间形成气密性密封。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. 气泡柱系统组装的示意图与实物照片。(A)曝气系统的示意图;(B)加湿器、混合捕集器和转子流量计组的照片;(C)用于连接各转子流量计组的歧管照片。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 瓶式生物反应器(左)和气升式光生物反应器(右)的系统示意图。该图改编自 Higgins et al.17。请点击此处查看此图的放大版本。
2. 微藻接种物的制备
3. 气泡柱光生物反应器中微藻的培养
4. 微藻生物量的收获与冷冻干燥
5. 使用改良的 Folch 方法进行脂质提取24
6. 使用微孔板法进行中性脂质检测(改编自 Higgins et al. 201422)
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该实验可获得在550 nm波长下的藻类光密度(OD 550 nm)随时间变化的数据图4A)。光密度与干重浓度数据可进行关联(图4B)。这首先需要计算冻干步骤后的最终干重藻类浓度。接着,可将采样最后一天进行的培养物系列稀释的光密度值与实际干重浓度进行关联。对于低细胞浓度,可采用线性关联;而对于较高细胞浓度,则可采用二阶多项式关联。建议针对每种培养条件分别建立独立的关联曲线。最后,将该关联关系应用于时间过程中的光密度数据,以获得干重生长曲线。图4C)。在此示例实验中, Auxenochlorella protothecoides (UTEX 2341)25在四种条件下培养:在新鲜 N8-NH 培养基上培养的无菌对照培养物4 培养基21,与细菌共培养 Azos...
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培养藻类时最重要的考虑因素是了解特定生物体或生物群体的具体需求。此处描述的藻类培养系统可用于培养多种藻类,但需根据具体生物体的需求调整非生物因素(温度、培养基、pH、光照强度、CO2浓度、通气速率)。请注意,本文所述参数适用于Chlorella和Auxenochlorella的培养。这些生物体具有工业应用价值,因其能够耐受高营养水平、强光照和高温条件27。然而,可通过移除荧光灯管来降低光照强度,并可调整昼夜循环以模拟季节变化。同样,可通过调节加热装置控制水浴系统的温度。尽管本文描述的系统未采用降温功能,但可通过低成本冷却系统将鱼缸水浴温度降至室温以下。具体方法是将一桶水置于小型冰箱中,使用可调速泵将冷水桶中的水抽入鱼缸并循环返回。抽水速率越快,鱼缸储水槽的温度就越低。
尽管藻类培养系统通常能提供稳定的结果,但仍有一些重要的注意事项需要考虑。首先是通气系统在突然失去压力时可能发生的虹吸现象例如, 气流接头损坏或空气压缩机故障)。加湿器内的压力会将加湿水通过管路反...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所Hatch项目(ALA0HIGGINS)以及奥本大学教务长办公室、研究副校长办公室和塞缪尔·金工程学院的资助。此外,本研究还获得了美国国家科学基金会资助(CBET-1438211)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>气升式光生物反应器装置所需材料 | |||
| 1 L 耐热玻璃瓶 | Corning | 16157-191 | 用于瓶式反应器的加湿器 |
| 1/2" 软管夹 | 家得宝 | UC953A | 或同等产品 |
| 1/4" 雌性鲁尔接头转卡套 | Nordson 生物医学 | Nordson FTLL360-6005 | 1/4" ID,PP |
| 1/4" ID,3/8" OD 可高压灭菌 PVC 管 | Thermo-Nalgene | 63013-244 | 50' |
| 1/4" 在O形环中 | 格雷格纳 | 1REC5 | #010 中等硬度硅胶O型圈,0.239" I.D.,0.379"O.D. |
| 1/8" 雌性鲁尔接头转接头 | Nordson 生物医学 | FTLL230-6005 | |
| 1/8" ID,1/4" OD 可高压灭菌 PVC 管路 | Thermo-Nalgene | 63013-608 | 250' |
| 1/8" 雄性旋转鲁尔接头转接至倒刺接头 | Nordson 生物医学 | MLRL013-6005 | |
| 1/8" 多端口插头 | Nordson 生物医学 | 4PLL230-6005 | 1/8" 多端口倒刺 |
| 1/8" NPT 转接至卡套 | Nordson 生物医学 | 18230-6005 | 1/8" 200系列接头 |
| 1/8" 面板安装式鲁尔接头 | Nordson 生物医学 | Nordson MLRLB230-6005 | 1/8",PP |
| 10加仑鱼缸 | 沃尔玛 | 802262 | 根据布局不同,最多可容纳8个生物反应器 |
| 100-1000 ccm 流量计 | Dwyer | RMA-13-SSV | 用于瓶式反应器 |
| 2 英尺荧光灯组 | Agrobrite | FLT24 T5 | |
| 200-2500 ccm 流量计 | Dwyer | RMA-14-SSV | 用于加湿器上游的空气调节 |
| 250 mL Pyrex 瓶 | 康宁 | 16157-136 | 加湿器后的气体混合 |
| 50-500 ccm 流量计 | Dwyer | RMA-12-SSV | 用于杂交管式反应器 |
| 5-50 立方厘米/分钟 流量计 | Dwyer | RMA-151-SSV | 用于控制 CO2 流速 |
| 空气滤器 0.2 µm | 沃特曼/费舍尔 | 09-745-1A | Polyvent,28 mm,0.2 µ米,聚四氟乙烯,50 个装 |
| 单向阀 | VWR | 89094-714 | |
| 康宁公司生产的耐热玻璃瓶瓶盖 | VWR | 89000-233 | 10 个 GL45 盖子 |
| 雌性鲁尔端帽 | Nordson 生物医学 | Nordson FTLLP-6005 | 雌性稳定型 PP |
| 杂交管 | 康宁 | 32645-030 | 35x300 毫米,2 个装 |
| 光照定时器 | 沃尔玛 | 556393626 | |
| 锁紧螺母 | Nordson 生物医学 | Nordson LNS-3 | 1/4",红色尼龙 |
| 低剖面磁力搅拌器 | VWR | 10153-690 | 低剖面磁力搅拌器 |
| 雄性鲁尔端帽 | Nordson 生物医学 | Nordson LP4-6005 | 雄性插头 PP |
| 旋转式鲁尔锁环 | Nordson 生物医学 | Nordson FSLLR-6005 | |
| 长型搅拌子 | VWR | 58949-040 | 38.1 毫米,用于瓶式反应器 |
| 磁力搅拌子 - 中号 | VWR | 58949-034 | 25 毫米,用于杂交管 |
| <强>培养藻类所需的耗材和试剂 | |||
| 0.2 µm 滤膜 | VWR | 28145-491 | 13 毫米,聚四氟乙烯,用于过滤日常培养取样中的用后培养基 |
| 1 mL 注射器 | 密封 | 89215-216 | 用于过滤日常培养取样中的用后培养基 |
| 1.5 mL 离心管 | VWR | 87003-294 | 无菌(或同等条件) |
| 10 mL 血清学移液管 | Greiner Bio-One | 82050-482 | 无菌(或同等条件) |
| 100 mm 培养皿 | VWR | 25384-342 | 100x15 mm 可堆叠无菌培养皿 |
| 15 mL 离心管 | Greiner Bio-One | 82050-276 | 无菌(或同等条件),聚丙烯 |
| 2 mL 血清学移液管吸头 | Greiner Bio-One | 82051-584 | 无菌(或同等条件) |
| 2 mL 离心管 | VWR | 87003-298 | 无菌(或同等条件) |
| 50 mL 离心管 | Greiner Bio-One | 82050-348 | 无菌(或同等要求)聚丙烯 |
| 96孔微孔板 | Greiner Bio-One | 89089-578 | 带盖平底聚苯乙烯板 |
| 接种环 | VWR | 80094-478 | 无菌(或同等条件) |
| 液态二氧化碳罐及减压阀 | Airgas | CD-50 | |
| <强>脂质提取与中性脂质检测所需的耗材和试剂 | |||
| 2 mL 珠管 | VWR | 10158-556 | 带盖聚丙烯管 |
| 96孔微孔板 | Greiner Bio-One | 82050-774 | 聚丙烯,平底 |
| 漂白剂 | 沃尔玛 | 550646751 | 仅使用普通漂白剂,而非清洁用漂白剂 |
| 氯仿 | BDH | BDH1109-4LG | |
| 二甲基亚砜 | BDH | BDH1115-1LP | |
| 异丙醇 | BDH | BDH1133-1LP | |
| 甲醇 | BDH | BDH20864.400 | |
| 尼罗红 | VWR | TCN0659-5G | |
| 巴斯德吸管尖端 | VWR | 14673-010 | |
| 氯化钠 | BDH | BDH9286-500G | |
| 植物油 | 沃尔玛 | 9276383 | 任何新鲜的植物油均可使用 |
| 氧化锆/二氧化硅珠(直径 0.5 mm) | Biospec 产品 | 11079105z | |
| <强>仪器设备 | |||
| 分析天平 | Mettler-Toledo | XS205DU | 至少具备4位小数精度 |
| 珠磨机 | Omni | 19-040E | |
| 台式微量离心机 | 赛默飞世尔科技(Thermo) | Heraeus Fresco 21 配 24x2 | 包含可处理1.5和2 mL离心管的转子 |
| 干浴加热器 | VWR | 75838-282 | 包含用于微孔板的干式温控模块 |
| 冷冻干燥机 | Labconco | 7670520 | 2.5L 冻干系统 |
| 大型台式离心机 | 赛默飞世尔科技 | Heraeus Megafuge 16R 离心机组织样本处理 | 包括可处理400 mL瓶、50 mL离心管和15 mL离心管的转子 |
| 酶标仪 | Molecular Devices | SpectraMax M2 | 能够读取吸光度和荧光 |
| 涡旋混合器 | VWR | 10153-838 |
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