高效光合产氢藻株的筛选及其产氢机制研究

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	高效光合产氢藻株的筛选及其产氢机制研究
	何梅琳
学位类型	博士
导师	刘建国
	2013-05
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位专业	海洋生物学
关键词	绿藻光合产氢小球藻氮限制缺硫
摘要	绿藻产氢可以实现太阳能向氢能的转换，具有催化效率高、光能转化效率高、能量消耗低及生产过程清洁等优点，作为一种生产清洁可再生能源的最理想途径近年来备受关注。目前，利用Chlamydomonas reinhardtii为模式藻株，建立的两步缺硫法诱导绿藻产氢的方法已日趋成熟，但是该方式产氢仍存在实际光能转化率不高、产氢系统对氧气敏感等问题。同时产氢绿藻的研究大部分集中于模式藻株Chlamydomonas reinhardtii上，而其它绿藻产氢代谢的研究鲜有报道。基于自然界存在众多单细胞绿藻，某些种类可以光合产氢，不同绿藻产氢能力及产氢机理可能存在差异，本实验在广泛筛选新型高效产氢绿藻基础上、对其中高效产氢藻株的产氢条件进行优化、并初步探讨其产氢机制，以期对绿藻光合产氢过程及机制有更深入系统地了解，也为不同绿藻建立适合的调控方法、提高其产氢效率提供理论和技术指导。主要结果如下：（1）通过对62株微藻在缺硫胁迫下暗诱导产氢能力的测定，筛选出13种淡水产氢绿藻、13种海水产氢绿藻和3株产氢螺旋藻。其中3株淡水绿藻和6株海水绿藻是目前未见报道的新型产氢藻种。根据形态和分子手段对新筛选的产氢藻株进行了鉴定：3株淡水绿藻为Parietochloris incisa（雪衣藻），Chlorella protothecoides和Chlorella sorokiniana（小球藻）；6种海水绿藻为四爿藻（Tetraselmis suecica、Tetraselmis striata和Tetraselmis tetrathele）、微绿球藻（Nannochloropsis oceanica、Nannochloropsis sp.）和塔胞藻（Pyramimonas sp.）。此外，螺旋藻在缺氮胁迫下产氢量比缺硫胁迫下高；硅藻和金藻在我们的实验条件下均没有产氢能力。所检测的藻株中，淡水绿藻的中产氢藻株的比例高于海水绿藻（86.7 % vs 33.3 %），且暗诱导耗氧和诱导产氢所需时间比海水绿藻短（<7 h vs 7-40 h），平均产氢量亦高于海水绿藻（8.88 vs 2.30 ml/l）。同时发现，所有新筛选的产氢绿藻中小球藻属的产氢能力最佳，并发现淡水小球藻产氢能力高于海水小球藻。（2）实验发现，暗诱导处理能迅速消耗体系内氧气，诱导氢酶产氢，达到快速检测藻株是否具有产氢能力的目的，但产氢量较低；直接持续光照更适宜诱导高效产氢小球藻大量产氢。在此基础上，建立了一种两步法诱导海水微藻产氢的方法。第一步，以醋酸为有机底物，在天然海水培养基中进行细胞培养，以获取藻生物量；第二步，转入人工海水培养基中，处理诱导藻细胞高效产氢。在密闭条件下，该方法可诱导海水小球藻Chlorella sp. (689S)和Chlorella sp. (707S)高效产氢，其中Chlorella sp. (707S)能产氢效率最高。人工海水营养亏缺（缺硫或缺氮）处理，能进一步提高海水小球藻产氢量。此外，在两步法的产氢阶段，Chlorella sp. (707S)可在天然海水缺氮处理诱导下大量产氢，更具应用于微藻产氢产业化的潜力。（3）发现国际通用的两步缺硫法，并非诱导某些产氢微藻，如淡水小球藻Chlorella protothecoides (038F)和Chlorella sorokiniana (085F)高效产氢的最佳条件，推测淡水小球藻在正常生长条件下，细胞内能富集一定量的硫元素，在转移到无硫培养基中诱导产氢时，依然残存部分硫元素，实际上细胞并未处于缺硫状态。我们通过实验发现，生长于低氮培养基的淡水小球藻，在转移到低氮缺硫密闭条件下时能大量产氢。由此我们建立一种诱导淡水小球藻产氢的方法——低氮缺硫两步法，能解决单纯缺硫条件下无法诱导淡水小球藻产氢的问题。对于Chlorella protothecoides (038F)来说，通过上述方法诱导其产氢时，最适的氮浓度为0.35 mM NH4Cl，产氢量达到233.7 ml/l，平均产氢速率达到2.19 ml/l/h，其产氢能力与国际上公认的产氢模式藻株Chlamydomonas reinhardtii相当，但其产氢持续时间（~100 h）比Chlamydomonas reinhardtii短。同时研究还发现单一氮限制亦能够诱导Chlorella protothecoides (038F)大量产氢，硫缺乏对低氮培养的Chlorella protothecoides (038F)产氢有一定的协同增益效应，但产氢阶段添加一定量的硫酸盐（< 50 ?M MgSO4）能够促进细胞产氢。为此推测在低氮缺硫两步法诱导该藻产氢的大致机制为：提供限制生长过程中氮源供给，可导致藻细胞光合放氧活性降低，淀粉大量积累，有利于细胞迅速消耗体系内氧气，建立厌氧环境并诱导氢酶高活性表达，促使藻细胞高效产氢。（4）通过在产氢阶段施加光合电子传递抑制剂3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1- dimethylurea (DCMU)和2,5-dibromo-3-methyl-6-isopropylp-benzoquinone (DBMIB)，发现低氮缺硫条件下用于Chlorella protothecoides (038F)产氢的电子来源有2部分，其中以来源于PSII光裂解的电子为主，约占75% - 90 %，而来源于淀粉等有机底物降解的电子为辅，约占10% - 25 %。通过施加叶绿体呼吸抑制剂propyl gallate（PG）和交替呼吸氧化酶抑制剂salicyl hydroxamic acid（SHAM），研究发现：低氮缺硫条件下叶绿体呼吸和交替呼吸途径增强，有利于细胞迅速耗氧。叶绿体呼吸仅在细胞耗氧阶段作为电子安全阀消耗过量的光合电子，提高总呼吸能力；但叶绿体呼吸在厌氧产氢阶段作用较小。交替呼吸途径通过快速消耗细胞内过量的还原力，维持细胞内适宜的氧化还原状态，保证光合电子传递的顺畅。其与氢酶一起作为光合电子传递链的安全阀，消耗低氮缺硫厌氧条件下过量的光合电子/还原力，缓解光合电子传递链上的电子压力，减少光抑制的发生。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/17705
专题	海洋生物技术研发中心
推荐引用方式 GB/T 7714	何梅琳. 高效光合产氢藻株的筛选及其产氢机制研究[D]. 中国科学院研究生院,2013.

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高效光合产氢藻株的筛选及其产氢机制研究-（5031KB）			限制开放	CC BY-NC-SA	浏览