问题
OCL
体积28, 2021
绿色和白色生物技术在脂类和油脂-和蛋白质作物领域/生物技术vertes et blanches dans les domaines des lipides et oléoprotéagineux
货号 37
数量的页面(年代) 8
DOI https://doi.org/10.1051/ocl/2021025
亚搏娱乐 2021年7月08

©N.U.F. Niangoranet al。, EDP Sciences, 2021年出版

执照Creative Commons这是一篇基于知识共享署名许可协议(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0),允许在任何媒介上无限制地使用、分发和复制,但必须正确引用原作。

突出了

  • S的能源效率pirulina platensis生物量和色素生成(类胡萝卜素、叶绿素和藻蓝蛋白)与光照(包括光照强度和光周期)密切相关。

  • 随着细胞浓度的增加,调节光照水平,在保持生物量和色素的高产量的同时,实现了节能。

1介绍

微藻是生物质能生产的潜在来源。微藻在食品和饲料、化妆品和制药工业等领域有着广泛的应用。此外,微藻被认为是一种很有前景的生物燃料来源(贝克尔,2007卡瓦略et al。, 2011年Blankenet al。, 2013年).在有价值的微藻中,我们可以提一下螺旋藻.的确,螺旋藻可含有60 - 70%的干重蛋白质。它富含维生素,特别是维生素B12、维生素原A和矿物质,特别是铁(Bezerraet al。, 2011年).合并螺旋藻生物质转化为食物有助于提高其营养价值(Koru 2012)它是叶绿素a(Chl-a)、类胡萝卜素和藻胆蛋白(尤其是藻蓝蛋白(Phy))等有价值色素的重要来源(布西巴和里士满,1980年).藻青素是一种非常重要的色素,具有多种用途。在食品工业中,它被用作天然的蓝色食用色素。在生物技术领域,它是一种荧光标记物。它具有神经保护、抗炎和抗氧化特性(Bhat和Madyastha, 2000年Romayet al。, 2003年).至于叶绿素,除了它的健康益处(抗氧化、抗炎、抗突变和抗菌特性)(Galassoet al。, 2019年),也可用作上色。叶绿素产生的来源(植物、微藻等)中,螺旋藻是叶绿素含量最高的地区之一(Koru 2012).最后,螺旋藻还含有类胡萝卜素(以其抗氧化作用而闻名),含有大量的β-胡萝卜素(类胡萝卜素色素组中67%至79%)。以维生素原A或β-胡萝卜素的形式摄入类胡萝卜素可改善免疫系统,降低患慢性退行性疾病、心血管疾病和某些类型癌症的风险(Rodriguez-Concepcionet al。, 2018年).

微藻可以通过不同的营养源培养来生长:自养、异养、混合自养和光自养(乔纳卡和诺沃利塔,2004年).微藻的光自养或混合养生长需要CO2和实现光合作用的光。自然光(太阳)或人工光(灯)可以提供光能。在室内生物反应器等受控生长环境中,必须使用人工光。人工照明一般提供了控制光强和照明时间的可能性。虽然人工照明可以提高生产率,但也会产生额外的成本。因此,在光合作用、能源效率和光谱组成方面的最佳利用可以提供从微藻生物量中获得的更广泛、更廉价的高效益产品。在这方面,LED照明技术比传统技术(卤素灯、荧光灯、高压钠灯等)更为流行。其主要原因是它的单色光谱和可调光强度。与其他光源相比,led的这些特性是它们的主要资产。事实上,这使得评估微藻培养中昏暗照明的效率成为可能。 In addition, cultures of microalgae cultivation are generally carried out under constant light intensity. Modulation of light intensity according to the cell density of螺旋藻可能是有前途的。因此,这种照明技术可以节约电能。此外,LED的长寿命和高电气效率最大限度地减少了热量的产生。它们产生的热量较低,因此可以使它们更接近作物,从而增加光的路径。最后,它们的小尺寸使它们实际上可以集成在所有的生长系统中,特别是光生物反应器中。

一些研究工作表明,LED照明在微藻培养的效率,包括螺旋藻Schulzeet al。,2014年Glemseret al。, 2016年).研究还表明,光强、光谱和光周期对紫花苜蓿的生长和生化组成(特别是色素含量)有相当大的影响螺旋藻.因此,光强度和光谱是关键因素,可以调整以匹配整个或特定的吸收带,以作用于生物量和色素的数量和/或质量。人们普遍认为,红色和白色的光促进大量的生物量,而高强度的光和蓝光促进藻青素的生产。文献中也提到绿光对除藻青素外的色素产生有害。此外,当光强低于饱和光和光抑制光时,生物量随光量增加(帕里克和斯里瓦斯塔瓦,2001年Madhyastha和Vatsala, 2007年Madhyasthaet al。, 2009年et al。, 2010年Kumariet al。, 2015年et al。, 2018年).然而,过程能源效率仍然是一个问题,尚未得到广泛的讨论。本工作的目的是研究在能源效率和生产力,生物量生产和光合色素含量钝顶螺旋藻在不同的光强下,包括暗光条件和不同的光周期。

2材料与方法

2.1微生物及培养条件

螺旋藻本研究使用的物种为Arthrospiraplatensis(UTEX 1926),生长于札洛克介质(Zarrouk 1966).菌株培养物在60个圆柱形罐中培养 我28岁 摄氏度,200℃时连续照明 μmol · M−2·年代−1由暖白(3000)提供 K) LED管灯(MAS LED管HF 600 mm HE 8W 830 T5(来自飞利浦)。光强度对应于光合光子通量密度(PPFD)。PPFD是一种光测量系统,它对光在光合活动中的作用的研究做出了最好的响应,因为它考虑了相对量子效率(RQE)(McCree 1971).测光法并不适用,因为测光法是以人眼对光线的敏感度为基础,而人眼对光线的敏感度与植物不同(比格斯,1986).这盏灯已改装成可调暗的。用循环泵搅拌菌种培养物。接种时取一定量的菌株培养物,用30 μm的滤网过滤,稀释美国platensis札洛克.在25 L的圆柱形容器中分批进行光自养培养。此外,他们被LED灯照明(Maxline70暖白光LED带lumitronix)。利用光谱辐射计Specbos 1201测定了光合光子通量密度(PPFD)的值。用循环泵(流速为5000 L/h的LAGUNA泵)搅拌培养物。使用恒温器(NICREW水族馆加热器100 W)将培养物保持在28°C。

关于光强调制对光传输的影响螺旋藻测试了三种光照条件下的生长和色素含量:

  • 场景1:恒定光强80 μmol·m−2·年代−1

  • 场景2:恒定光强160 μmol·m−2·年代−1

  • 场景3:调制光强照度(80 μmol·m)−2·年代−1第2天,160 μmol·m−2·年代−1之后)。

在光周期方面,研究了160 μmol·m光强下的24:00、20:04和16:08 3个光暗周期(h:h)−2·年代−1

测量一式三份,结果以平均值表示 ± 95%置信区间,即。: m±ts/根号(n平均值是多少n价值观(n= 3),年代是估计的标准差,t是由Student-Fisher分布给出的95%的置信区间和自由度n- 1。

2.2生物分析

钝顶螺旋藻生物量的测定采用紫外/可见/红外分光光度计(Spectronic 20 GeneisSYS, Spectronic Instruments, USA)在600 nm处测量光密度(OD)。在此基础上,建立了600 nm处生物量干重(DW, g·L-1)与光密度的线性关系。它遵循与et al。(2016)

2.2.1动力学等参数

Arthrospiraplatensis比生长速率µ(天−1),按公式计算(1)et al。, 2007):(1)在DW2和DW1生物量在t天的干重是多少2和t1,分别。

我们计算了生物量产量P (mg·L−1·天−1) (Eq。(2)) (et al。, 2007)和能源效率ɳ(g·day−1·千瓦时−1)将电能转化为生物质生产(Eq。(3)):(2)(3)在DW0和DWn生物量的干重分别是在初始和nV (L)为培养量,E为培养量e(kWh)为培养时间T(天)期间led消耗的电能。

2.2.2颜料量化

叶绿素a和类胡萝卜素的测定采用Lichtenthaler (1987).取1.8 mL微藻液,10 000 × g离心15 min。弃上清后,在新鲜生物质中加入99.8%甲醇溶液1.8 mL,混合均匀,4℃黑暗孵育24 h。然后,样品在室温黑暗下暴露4 h。最后用ZX3旋涡搅拌器以2000 tr/min的速度在2 min内均质。在20℃,4000 × g离心10 min后进行分光光度测定。根据式(4)、(5)计算Chl-a和类胡萝卜素浓度:(4)(5)一个665,一个652和一个470分别为665、652和470 nm处的吸光度读数。

藻蓝蛋白的测定方法如下:贝内特和波格拉德(1973).对于Chl-a和类胡萝卜素,取1.8 mL微藻细胞,10 000 × g离心15 min。丢弃上清后,加入1.8 mL 1.5%氯化钙2(W/V)溶液添加到新鲜生物质中。对新鲜生物量进行4次冻融循环(−20°C黑暗孵育24 h,然后在室温黑暗孵育4 h)。最后用ZX3涡旋搅拌器2000 tr/min匀浆2 min, 20℃4000 × g离心10 min后进行分光光度测定。按公式计算Phy浓度(6)(6)一个615是615处的光密度 纳米。

计算的色素含量为第8天。

3结果与讨论

3.1调制光强对螺旋藻生长和色素含量

3.1.1生物质生产

光是微藻细胞增殖的基本能量来源和光合作用的重要因素。在光自养状态下,光是微藻生长所必需的(Wahidinet al。, 2013年).在目前的工作中,没有发现光抑制范围的强度测试。还应该注意的是,对于每个场景,没有观察到任何滞后阶段。这与延迟期的持续时间主要取决于培养基而不是光照条件这一事实是一致的。根据培养基与接种物培养基的差异,可以观察到这一阶段。

图12说明细胞生长的观察钝顶螺旋藻对上述三种情况进行8天的培养。当光照强度为80 μmol·m时,生物量产率最低−2·年代−1),而在方案2(恒定光强为160 μmol·m)下运行时达到最高−2·年代−1)和场景3(调制光强80-160 μmol·m−2·年代−1) (图1).这与之前的研究结果一致,即微藻的特定生长速率与光照强度成正比,达到饱和水平(羌族et al。, 1998年et al。, 2007Dubinsky, 2013里索et al。, 2015年).对于场景 3、光照强度由80变为160 μmol · M−2·年代−1在两天的培养后,评估动态光照强度调整对生长的影响螺旋藻生产率和能源效率方面的增长。事实上,直到第2天,情景1和情景2之间可以观察到一个小的生长差距,这表明在培养开始时没有必要用高强度光照培养。

可以看出,光强的增加对其影响并不直接螺旋藻生长直到第4天没有显著的生物量增加。这些结果表明,细胞对光照强度的变化(特别是增加)有一段适应期(Danesiet al。, 2004年帕特尔et al。, 2019年).

还可以观察到,场景1和场景2的生长速率在培养4天后急剧下降,而场景3的生长速率则缓慢而单调地下降(图2).在情景1和情景2中,第1天和第4天的平均增长率分别从0.1311天和0.1757天通过−1至0.0814和0.0833 白天−1第5天至第8天(分别下降38%和52%)。在场景3中进行比较,平均增长率从0.1439天开始−1至0.1069 白天−1(下降26%)。第5 ~ 8天的平均生长率较高,说明情景3获得的最终干生物量仅比情景2低4.18%。

这些观察结果表明,随着细胞浓度的增加,动态地增加光照强度可能是一个很有前景的节能选择。事实上,这种类型的照明可以在低光强度的第一天照亮文化,而不会产生负面影响螺旋藻增长。此外,它可以避免使用饱和光。在饱和光强度下,光照不是最佳的,因为它们的光合作用产量是相同的(羌族et al。, 1998年).

表1提供了平均增长率值,生物量生产力和能源效率的不同照明方案。情景2和情景3的生产率和特定增长率最高。情景2和情景3的生物量生产率比情景1高35%。然而,方案1的能源效率最高。事实上,有一个光强范围(低PPFD范围),其中生物量生产率与光强成正比(乔纳卡和诺沃利塔,2004年et al。, 2011年).我们可以假设在160 μmol·m−2·年代−1时,光强接近或为饱和光强。事实上,在饱和光范围内,光合作用几乎是恒定的,大部分吸收的光子没有被利用(羌族et al。, 1998年).此外,在160 μmol·m时,即使没有光抑制作用,光抑制效果也不明显−2·年代−1,根据我们的接种浓度,这种光强度可能足够高,在培养开始时产生光胁迫。这可能会导致较低的过程能源效率。事实上,当PPFD与光合作用的比例很高时,过量的光就会发生。因此,当PPFD恒定时,该比值在培养初期(低光合细胞浓度)较高,随着细胞浓度的增加而逐渐降低(德米格-亚当斯和亚当斯,1992年).与情景2相比,情景3的生产率降低了5.93%,但能源效率提高了7.92%。这一结果表明,动态调节光照强度可能是一种在保持高产的同时提高培养效率的好方法。这个原理还需要更详细的研究,例如,可以根据培养基的光密度不断地调整光强。

缩略图 图1

生物量Arthrospira platensis增长根据三种照明场景。

缩略图 图2

的增长率Arthrospira platensis增长根据三种照明场景。

表1

三种照明情景的平均增长率、生物量生产率和能源效率。

3.1.2色素生产

为了解不同光强下色素浓度之间的关系,测定并记录了叶绿素、类胡萝卜素和藻青素的含量,如图2.我们观察到光照强度对不同色素的浓度有或多或少的显著影响。

对于类胡萝卜素和叶绿素,光强的影响有限。光照场景1、2、3分别为12.29、11.48、12.09 mg·g−1,每干物质Chl含量(图3).关于类胡萝卜素浓度,光照场景1比场景2和场景3提供略高的比率(分别高出13.52%和9.02%)。这与结果是一致的库马尔et al。(2011). 其他作者,如拉维隆安德罗et al。(2008)et al。(2010)Danesiet al。(2011),他们观察到叶绿素和类胡萝卜素浓度随着光强的增加而降低。事实上,光强的增加导致类囊体膜光系统浓度的降低和光系统II (PSII)的尺寸减小。然而,尽管叶绿素含量下降,我们可以观察到光合活性的增加,因为叶绿素吸收和将光子转换为化学能的能力仍然存在,甚至大大增加。此外,当光照强度过强或过长时,光抑制会通过光氧化作用破坏光合色素(亨得利et al。, 1987年阿尔维斯et al。, 2002年).最后,在某些情况下,叶黄素循环(属于类胡萝卜素家族的色素)的开始是主要的保护,它允许在PSII天线上叶绿素吸收的能量以热量的形式消散。

与前两种色素不同,光强对藻青素浓度的影响更为显著。场景2(恒定光强160 μmol·m−2·年代−1)促进藻青素的产生。场景2与场景3的藻青素含量差异为7.86 mg·g−1(8.39%)。这一结果与文献(陈也et al。,1996年et al。, 2013年),藻青素含量随光强的增加而增加。

不同场景的能源效率如所示表2.我们可以观察场景1 (即。80℃时的恒定照明强度 μmol · M−2·年代−1),为色素生产提供最高的能源效率。总的来说,在叶绿素a和类胡萝卜素含量方面,能源效率几乎比其他情景高两倍。对于藻青素而言,方案1的效率是方案2和方案3的1.4倍。在色素生产的能源效率方面,情景2和情景3之间没有显著差异。

缩略图 图3

Arthrospira platensis三种照明场景的颜料含量。

表2

色素产生的能量效率和光强度。

3.2光周期的影响螺旋藻生长和色素含量

3.2.1生物质生产

生物量浓度的美国platensis在160 μmol·m−2·年代−1图4).最大生物量生产力即。±1.13 g·L−1·天−1和最小即。30.88±1.47 g·L−1·天−1分别于早晚24:00和16:08 (选项卡。3).我们观察到光照时间越长,生物量产量越高(图4).然而,光周期24:00的能源效率最低。光周期16:08表现出最高的能源效率。在本实验中,光照强度相同,能量效率的提高来自于暗期的持续时间。当光/暗周期接近光合单位周转时间(里士满et al。, 2003年Amini Khoeyiet al。,2012年et al。,2014年).光合作用分两个阶段进行:光反应和暗反应。在光反应中,蓝藻利用光分解水分子。这个反应产生化学能,提供NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)和高能量化合物ATP(腺嘌呤三磷酸)。NADPH2和TP是必需的,特别是对无机营养物质的吸收。在暗反应或酶促反应中,蓝藻吸收CO2产生碳水化合物,脂质(Wahidinet al。, 2013年).因此,暗反应在光照时间也会发生,特别是当培养物持续被光照时。因此,微藻吸收的部分能量没有被利用。

光周期24:00、20:04和16:08 8 d后的干生物量分别为0.4800±0.0110、0.4690±0.0115和0.4194±0.0095 g·L−1分别。可以看出,与光照时间为16 h不同,光照24和20 h的生物量产量几乎相同。在生长的研究中也得到了类似的结果螺旋藻及其他微藻(帕里克和斯里瓦斯塔瓦,2001年Wahidinet al。, 2013年).此外,16:08的光周期比24:00和20:04的光周期效率分别提高了1.20和1.04倍。此外,当曝光时间螺旋藻培养时间小于16小时时,能源效率降低,在光照16小时后几乎保持不变(念戈兰et al。, 2018年).结果表明,生物质产量与能源效率的最佳折中值为螺旋藻增长率为20:04 H

缩略图 图4

Arthrospira platensis增长作为不同光周期函数的曲线。

表3

光周期后的增长率、生物量生产力和能源效率。

3.2.2色素生产

研究了光强为160 μmol·m时3种不同光周期(24:0、20:00和16:08光/暗)的影响−2·年代−1论颜料含量美国platensis8天的栽培期呈现在图5.最低浓度(67.15±2.91 mg·g)−1生物量干重)。藻青素浓度在循环24:00时提高39.95%,16:08时提高32.12%。叶绿素和类胡萝卜素含量在光周期20:04时也最低。这两种色素的含量在16:08光/暗循环时达到最大值。这些结果与研究一致帕里克和斯里瓦斯塔瓦(2001)发现了同样的行为。而光周期24:0和16:08明/暗时,叶绿素和类胡萝卜素含量差异很小:0.13 mg·g−1叶绿素含量为0.04 mg·g−1类胡萝卜素。总而言之,光照时间为16 h时,以高效的方式获得高浓度的光合色素(4选项卡。).

表4显示色素生产的能量效率随光照时间的变化。我们注意到光照时间为16小时可以使所有颜料具有最高的能量效率。

缩略图 图5

不同光周期处理对节肢螺旋藻色素含量的影响。

表4

色素生产的能量效率和光周期。

4结论

研究了光强和光周期对植物生物量和色素生成的影响钝顶螺旋藻进行了调查。对绝对增长率和能源效率进行了评估。在光照强度为160 μmol·m时,产量和比生长率最高−2·年代−1),当光照强度最低(80 μmol·m)时,能量效率最高−2·年代−1):对于生物质(能源效率提高了47%,生产力降低了28%),以及色素生产,尤其是藻青素(能源效率提高了39%,生产力降低了16%),都是如此。

研究还表明,在种植两天后采用光强步骤提高了过程的能源效率,同时保持了生物质的高产量。光强变化对色素生产过程能量效率的积极影响不如对生物量生产的显著。然而,根据介质的光密度等动态调节光强的原理是很有前途的,需要进行更详细的研究。

光周期方面,随着光照时间的延长,生物量生产率和生长率降低,过程能量效率增加。由于在这些实验中光照强度是恒定的,能源效率的提高归功于在黑暗阶段产生的生物量。生物量的能源效率和生产力之间的最佳折中周期为20:04。对于色素生产,尤其是藻青素,16:08循环提供了最佳的能源效率。

利益冲突

作者声明,他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。

确认

作者感谢欧西塔尼大区通过其区域发展基金FEDER/ERDF (GREENALG项目)提供的财政支持。

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引用本文如下: Niangoran NUF, Buso D, Zissis G, Prudhomme T. 2021。光强和光周期对生物质能源效率和色素生产的影响螺旋藻Arthrospira platensis).OCL28: 37。

所有的表

表1

三种照明情景的平均增长率、生物量生产率和能源效率。

表2

色素产生的能量效率和光强度。

表3

光周期后的增长率、生物量生产力和能源效率。

表4

色素生产的能量效率和光周期。

所有的数据

缩略图 图1

生物量Arthrospira platensis增长根据三种照明场景。

在文本中
缩略图 图2

的增长率Arthrospira platensis增长根据三种照明场景。

在文本中
缩略图 图3

Arthrospira platensis三种照明场景的颜料含量。

在文本中
缩略图 图4

Arthrospira platensis增长作为不同光周期函数的曲线。

在文本中
缩略图 图5

不同光周期处理对节肢螺旋藻色素含量的影响。

在文本中

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