כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לבנות מעבדה-סולם בועה עמודה photobioreactors ולהשתמש בהן כדי microalgae תרבות. הוא מספק גם שיטה לקביעת שיעור הצמיחה תרבות ותוכן השומנים נייטרלי.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לבנות מעבדה-סולם בועה עמודה photobioreactors ולהשתמש בהן כדי microalgae תרבות. הוא מספק גם שיטה לקביעת שיעור הצמיחה תרבות ותוכן השומנים נייטרלי.
יש עניין משמעותי במחקר של microalgae ליישומים הנדסיים כגון הייצור של דלק ביולוגי, מוצרים בעלי ערך גבוה, ועל לטיפול של פסולת. כמו רוב מאמצי מחקר חדש להתחיל בקנה מידה מעבדה, יש צורך שיטות חסכונית culturing microalgae באופן לשחזור. כאן, אנו מתקשרים גישה יעילה microalgae התרבות במעבדה-מידה photobioreactors, וכדי למדוד את הצמיחה ואת תוכן שומני נייטרלי של אצות הזה. הוראות כלולות גם על כיצד להגדיר את המערכת photobioreactor. למרות האורגניזמים דוגמה מינים של כלורלה , Auxenochlorella, ניתן להתאים מערכת זו לטפח מגוון רחב של microalgae, כולל תרבויות המשנה של אצות עם מינים שאינם אצות. תרבויות מניות קודם גדלים בקבוקים כדי לייצר inoculum של המערכת photobioreactor. אצות inoculum מרוכז, הועבר photobioreactors לטיפוח במצב אצווה. דוגמאות נאספים מדי יום עבור המקראות צפיפות אופטית. בקצה של התרבות אצווה, התאים נקצרים על ידי צנטריפוגה, שטף, להקפיא מיובש בריכוז סופי משקל יבש. הריכוז הסופי משקל יבש משמשת ליצירת מתאם בין הצפיפות האופטית ריכוז משקל יבש. שיטה Folch ששונה משתמשים לאחר מכן לחלץ סה כ שומנים ביומסה הליחה, התמצית הוא לבדיקה לתוכן נייטרלי השומנים שלה באמצעות וזמינותו של microplate. זה וזמינותו שפורסם בעבר אבל פרוטוקול צעדים נכללו כאן כדי להדגיש שלבים קריטיים בהליך שבו מתרחשות לעתים קרובות שגיאות. מערכת ביוריאקטור המתוארים כאן ממלא את הנישה שלו בין טיפוח פשוטה את הבקבוק שבשליטת מלא מסחרית ריאקטורים. מעתיק. אפילו עם רק 3-4 ביולוגית לכל טיפול, גישת culturing אצות מוביל חזק סטיות תקן ב מבחני וצמיחה של השומנים.
היישום של microalgae הנדסה וביוטכנולוגיה משכה עניין רב בשנים האחרונות. Microalgae נלמדים לשימוש בשפכים טיפול1,2,3,4, biofuel הייצור5,6,7,8, ו ייצור בריאותיים, אחרים9,מוצרים בעלי ערך גבוה10. אצות הן גם להיות מהונדסים גנטית במחירים גדול במאמץ לשפר את כושר ספציפי הנדסי יישומי11,12. כתוצאה מכך, יש עניין רב בניסויים עם תעשייתי הרלוונטיות האורגניזמים בהגדרות מבוקרת. מטרת שיטה זו היא לתקשר גישה יעילה microalgae תרבות בסביבה מעבדתית מבוקרת, וכדי למדוד את הצמיחה ואת תוכן שומני נייטרלי של אצות הזה. שיפור צמיחת המחירים ותוכן השומנים נייטרלי microalgae זוהו שני צווארי בקבוק המפתח לכיוון מסחור של דלק ביולוגי אצה13.
מגוון רחב של גישות שימשו התרבות אצות למטרות ניסוי. באופן כללי, גישות אלה ניתן לחלק בין טיפוח חיצונית בקנה מידה גדול טיפוח מקורה בקנה מידה קטן. חיצונית בטיפוח photobioreactors ובריכות פתוחות מתאימה עבור ניסויים מכוונים קנה מידה את התהליכים כבר הוכחו בקנה מידה מעבדה (למשל, כדי לבדוק את הסולם של מתח גבוה-השומנים החדש של אצות)14. אולם, טיפוח בקנה מידה קטן מקורה מתאים בעת פיתוח זנים חדשים או משופרים אצות או ביצוע ניסויים שמטרתם להבין מנגנונים ביולוגיים. במקרים אלה האחרונים, רמה גבוהה של שליטה ניסויית נדרש לבדוק שינויים עדינים התנהגות ביולוגית. לשם כך, תרבויות axenic נדרשים לעיתים קרובות על מנת לצמצם את הגורמים ביוטיים מורכבים הקשורים אורגניזמים אחרים (למשל חיידקים, אצות אחרות) אשר גדלים באופן בלתי נמנע במערכות חיצוניות בקנה מידה גדול. גם כאשר הלומדים אינטראקציות בין אצות ואורגניזמים אחרים, מצאנו כי תנאי ניסוי מבוקר מאוד שימושי כאשר בוחנים exchange מולקולרי בין אורגניזמים15,16,17.
בקטגוריה של טיפוח אצות מקורה בקנה מידה קטן, שימשו מגוון של גישות. אולי הגישה הנפוצה ביותר היא לגדל אצות Erlenmeyer המבחנות על שולחן שאכר מתחת הבנק אור18,19. החליפין של חמצן ו- CO2 מתקיים על ידי דיפוזיה פסיבית דרך פקק קצף בחלק העליון של הבקבוק. יש חוקרים שיפרו את הגדרת דרך לערבב פעיל מתוך מבחנות20. גישה אחרת היא לטפח אצות בקבוקים, מיקס על ידי ובר מערבבים לערבב פעיל. למרות הפשטות שלהם, מצאנו כי השימוש מימיות ובקבוקי מובילה לעיתים קרובות תוצאות לא עקביות בין משכפל ביולוגי. ככל הנראה זאת בשל המיקום אפקטים - עמדות שונות לקבל כמויות שונות של אור, אשר גם להשפיע על הכור הפנימי טמפרטורות. הסיבוב היומי של כורים למיקומים חדשים יכול לעזור אבל לא להקל על הבעיה כי בשלבים מסוימים של גידול אצות (למשל, מוקדם מעריכית) רגישים יותר להשפעות מיקומיים יותר מהאחרים (למשל, שלב יומן).
בצד השני של הספקטרום של תחכום טכנולוגי נמצאים בשליטה מלאה photobioreactors מסחרי. מערכות אלו ללא הרף לעקוב ולהתאים את התנאים לכור כדי למטב את גידול אצות. יש להם תאורה הניתן לתכנות, בקרת טמפרטורה בזמן אמת ושליטה pH. למרבה הצער, הם יקרים, בדרך כלל עלות כמה אלפי דולרים לכל כור. כתבי עת מדעיים והנדסיים ביותר דורשים שכפול הביולוגי של תוצאות, המחייב רכישת ריאקטורים מרובים. אנו מציגים כאן מערכת הכור בועה עמודה הגשרים את הפער בין פשוטה (הבקבוק) מתוחכם (בשליטה מלאה ביוריאקטור) מתקרב לטיפוח אצות בקנה מידה מעבדה. אכסדרת בועות להשתמש בעליה בועות גז כדי להקל על חילוף הגזים ומערבבים את הכור. גישה זו מספקת מידה מסוימת של שליטה תאורה וטמפרטורה אך עושה זאת באופן חסכוני. יתר על כן, מצאנו את מערכת זו להניב תוצאות עקביות גבוהה בקרב משכפל ביולוגי, הפחתת את המספר הנדרש של משכפל ביולוגי הדרושים על מנת להשיג תוצאות משמעותיות מבחינה סטטיסטית לעומת הגישה את הבקבוק או בקבוק. השתמשנו גם מערכת זו לטפח בהצלחה תערובות של אצות, חיידקים21. בנוסף טיפוח אצות, אנחנו חלוקה לרמות הליך למדידת את תכולת השומנים נייטרלי האצות בתרבית. השיטה השנייה כבר שפורסם במקומות אחרים22, אך אנו כוללים את ההליך פה לספק הוראות שלב אחר שלב כיצד להעסיק אותו בהצלחה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. כיוונון של בועה עמודה Photobioreactors

איור 1. מפרטים טכניים ותמונות לבניית ריאקטורים. (A) מפרטים טכניים עבור בנייה של ביוריאקטור העפעפיים (B) צילום של המכסה ביוריאקטור התאספו, ו (ג) צילום של המכסה שהורכב המשמש מעשיר. שימו לב כי המדידות מכשיר אדים צריך להיות מצופה סיליקון מים הוכחה כדי להבטיח של החותם אטום עם המכסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

באיור 2. מפרטים טכניים ותמונות להרכבת מערכת עמודה בועה. (א) תיאור סכמטי של התמונה מערכת (B) לערבב מעשיר, ערבוב מלכודת, רוטמטר הבנק, ואת התמונה (C) יריעות המשמש להתחברות הבנקים רוטמטר ביחד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3. מערכת סכמטי של ריאקטורים בקבוק (משמאל) ו photobioreactors עמודה על בועה (מימין). איור זה שונה מהיגינס. et al. 17. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
2. הכנת Microalgae Inoculum
3. טיפוח Microalgae בתוך בועה עמודה Photobioreactors
4. הקציר, להקפיא ייבוש של ביומסה Microalgal
5. השומנים חילוץ באמצעות שיטה שונה Folch בגודל24
6. נייטרלי השומנים Assay באמצעות שיטת Microplate (משנת היגינס. et al. 201422)
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הליך זה מניב קורס זמן של נתוני צפיפות אופטית אצה-OD 550 ננומטר (איור 4A). צפיפות אופטית ואת משקל יבש ריכוז נתונים יכול להיות בקורלציה (איור 4B). זו מושגת על-ידי הראשונה חישוב ריכוז האצות משקל יבש הסופי לאחר השלב להקפיא ייבוש. בשלב הבא, הצפיפות האופטית של תרבות דילול טורי (שבוצעה ביום האחרון של דגימה) וריכוזי בפועל משקל יבש ניתן מתואמים. עבור ריכוזים תא נמוכה, ניתן להשתמש מתאם ליניארי ואילו על ריכוז גבוה של התא, מתאם פולינום הסדר ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
השיקול החשוב ביותר כאשר culturing אצות היא הבנה של צרכים הספציפיים של אורגניזם או קבוצה של אורגניזמים. האצות שיטת הטיפוח המתוארים כאן יכול לשמש כדי תרבות מגוון רחב של אצות אבל הגורמים והאביוטיים ספציפי (טמפרטורה, מדיה, pH, עוצמת האור, רמה2 CO, לערבב קצב) צריכים להיות מותאמים לצרכים של האורגניזם. שימו לב שאר הפרמטרים המתוארים כאן שימשו לגידול של כלורלה , Auxenochlorella. אורגניזמים אלה הם עניין תעשייתי כי הם סובלניים מזין גבוה, אור של רמות הטמפרטורה27. עם זאת, ניתן להפח...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים אין לחשוף.
תמיכה עבור מחקר זה סופק על ידי משרד החקלאות הלאומית המכון של המזון, החקלאות פתח פרוייקט ALA0HIGGINS משרדי אוניברסיטת אובורן של פרווסט סגן הנשיא למחקר, את סמואל גין להנדסה. גם העניקה תמיכה NSF להעניק CBET-1438211.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| <חזק>אספקה להתקנת פוטו-ביו-ריאקטור אווירית | |||
| 1 ליטר בקבוקי פיירקס | קורנינג | 16157-191 | לכורי בקבוקים, מכשירי אדים |
| מהדק צינור 1/2 אינץ' הום | דיפו | UC953A | או שווה ערך |
| 1/4 אינץ' נקבה לואר לדוקרנים | נורדסון ביו-רפואי | נורדסון FTLL360-6005 | 1/4 אינץ' ID, PP |
| 1/4 אינץ' ID, 3/8 אינץ' OD צינורות PVC הניתנים לחיטוי | Thermo-Nalgene | 63013-244 | 50'1 |
| /4 אינץ' בטבעות O | Grainger | 1REC5 | #010 טבעת O סיליקון קשה בינונית, 0.239 אינץ' תעודת זהות, 0.379 אינץ' OD |
| 1/8 אינץ' נקבה לואר לדוקרנים | נורדסון ביו-רפואי | FTLL230-6005 | |
| 1/8 אינץ' ID, 1/4 אינץ' OD צינורות PVC הניתנים לחיטוי | Thermo-Nalgene | 63013-608 | 250'1 |
| /8 אינץ' זכר מסתובב לואר לדוקרנים | נורדסון ביו-רפואי | MLRL013-6005 | |
| 1/8 אינץ' דוקרני מרובה יציאות | נורדסון ביו-רפואי | 4PLL230-6005 | 1/8 אינץ' דוקרנים |
| 1/8 אינץ' NPT לדוקרנים | נורדסון ביו-רפואי | 18230-6005 | 1/8 אינץ' 200 סדרה דוקרני |
| 1/8 אינץ' לוח הר לואר | נורדסון ביו-רפואי נורדסון | MLRLB230-6005 | 1/8 אינץ', |
| PP 10 ליטר מיכל דגים | Walmart | 802262 | יכול להכיל עד 8 ביו-ריאקטורים בהתאם לפריסה |
| 100-1000 סמ"ק מד זרימה | Dwyer | RMA-13-SSV | לכורים בקבוקים |
| 2 רגל בנק אור פלורסנט | Agrobrite | FLT24 T5 | |
| 200-2500 סמ"ק מד זרימה | Dwyer | RMA-14-SSV | לוויסות אוויר במעלה הזרם של מכשיר אדים |
| 250 מ"ל בקבוקי פיירקס | קורנינג | 16157-136 | לערבוב גז לאחר מכשיר אדים |
| מד זרימה 50-500 סמ"ק | Dwyer | RMA-12-SSV | לכורי צינור היברידיזציה |
| 5-50 סמ"ק מד זרימה | Dwyer | RMA-151-SSV | לבקרת קצב זרימת CO2 |
| מסנני אוויר 0.2 ומיקרו; מ | ווטמן/ פישר | 09-745-1A | פוליבנט, 28 מ"מ, 0.2 ומיקרו; m, PTFE, 50 חבילות |
| שסתומי סימון | VWR | 89094-714 | |
| מכסי קורנינג לבקבוקי פיירקס | VWR | 89000-233 | 10 מכסי GL45 |
| נקבה לואר קצה | נורדסון ביו-רפואי | נורדסון FTLLP-6005 | נקבה יציבה |
| PP היברידיזציה צינורות | קורנינג | 32645-030 | 35x300 מ"מ, חבילה של 2 |
| טיימר אור | Walmart | 556393626 | |
| אגוזי נעילה | נורדסון ביו-רפואי | נורדסון LNS-3 | 1/4 אינץ', ניילון אדום |
| בפרופיל נמוך מערבל מגנטי | VWR | 10153-690 | מערבל מגנטי בפרופיל נמוך |
| לואר קצה מכסה | נורדסון ביו-רפואי | נורדסון LP4-6005 | זכר תקע PP |
| מסתובב טבעת נעילת לואר | נורדסון ביו-רפואי נורדסון | FSLLR-6005 | |
| מוטות ערבוב - | ארוך VWR | 58949-040 | 38.1 מ"מ, לכורים לבקבוקים |
| מוטות ערבוב - בינוני | VWR | 58949-034 | 25 מ"מ, לצינורות הירידיזציה |
| <חזקים>אספקה וריאגנטים לגידול אצות | |||
| 0.2 ומיקרו; מסנני m | VWR | 28145-491 | 13 מ"מ, PTFE, לסינון מדיה משומשת מדגימת תרבית יומית |
| מזרקים 1 מ"ל | Air-tite | 89215-216 | לסינון מדיה משומשת מדגימת תרבית יומית |
| צינורות 1.5 מ"ל | VWR | 87003-294 | סטרילי (או שווה ערך) |
| 10 מ"ל פיפטות סרולוגיות | גריינר ביו-וואן | 82050-482 | סטרילי (או שווה ערך) |
| 100 מ"מ צלחות | VWR | 25384-342 | 100x15 מ"מ צלחות פטרי הניתנות לערמה, צינורות סטריליים |
| 15 מ"ל | גריינר ביו-וואן | 82050-276 | סטרילי (או שווה ערך), פוליפרופילן |
| 2 מ"ל קצות פיפטה סרולוגיות | גריינר ביו-וואן | 82051-584 | סטרילי (או שווה ערך) |
| 2 צינורות מ"ל | VWR | 87003-298 | סטרילי (או שווה ערך) |
| 50 מ"ל צינורות | גריינר ביו-וואן | 82050-348 | סטרילי (או שווה ערך), פוליפרופילן |
| 96 באר מיקרופלייט | גריינר ביו-וואן | 89089-578 | פוליסטירן עם מכסה, תחתית שטוחה |
| לולאות חיסון | VWR | 80094-478 | סטרילי (או שווה ערך) |
| מיכל פחמן דו חמצני נוזלי ווסת | Airgas | CD-50 | |
| <חזק>אספקה וריאגנטים למיצוי שומנים ובדיקת שומנים ניטרלית | |||
| 2 מ"ל | VWR | 10158-556 | צינור פוליפרופילן עם מכסה |
| 96 באר מיקרופלטות | גריינר ביו-וואן | 82050-774 | פוליפרופילן, תחתית שטוחה |
| אקונומיקה | Walmart | 550646751 | השתמש רק באקונומיקה רגילה, לא ניקוי אקונומיקה |
| כלורופורם | BDH | BDH1109-4LG | |
| דימתיל סולפוקסיד | BDH | BDH1115-1LP | |
| איזופרופיל אלכוהול | BDH | BDH1133-1LP | |
| מתנול | BDH | BDH20864.400 | |
| אדום נילוס | VWR | TCN0659-5G | |
| קצות פיפטה פסטר | VWR | 14673-010 | |
| נתרן כלורי | BDH | BDH9286-500 גרם | |
| שמן צמחי | Walmart | 9276383 | כל שמן צמחי אמור לעבוד כל עוד הוא טרי |
| זירקוניה/חרוזי סיליקה (קוטר 0.5 מ"מ) | מוצרי Biospec | 11079105z | |
| <חזק>ציוד | |||
| איזון אנליטי | מטלר-טולדו | XS205DU | מסוגל לדיוק של לפחות 4 עשרוניים |
| הומוגנייזר חרוזים | Omni | 19-040E | |
| מיקרו צנטריפוגה ספסלית | Thermo | Heraeus Fresco 21 עם 24x2 | כולל רוטור המסוגל לטפל בצינורות 1.5 ו-2 מ"ל |
| מחמם בלוק יבש | VWR | 75838-282 | כולל בלוק יבש למייבש הקפאה מיקרופלייט |
| Labconco | 7670520 | מערכת ייבוש בהקפאה 2.5 ליטר | |
| צנטריפוגה ספסל גדולה | Thermo | Heraeus Megafuge 16R רקמה | כולל רוטורים המסוגלים לטפל בבקבוקי 400 מ"ל, צינורות 50 מ"ל וצינורות 15 מ"ל |
| קורא מיקרופלייט | מכשירים מולקולריים | SpectraMax M2 | מסוגל לקרוא ספיגה ופלואורסצנטית |
| מערבל מערבולת | VWR | 10153-838 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.