OCL
体积28,2021
在脂质和油脂和蛋白质/蛋白质/生物技术领域的绿色和白色生物技术vertes eT Blanches Dans Les Domaines des Lipides etOléurezéagineux
Numérod'篇章 37.
数量的页面 8
迪伊 https://doi.org/10.1051/ocl/2021025
Publiéenligne. 8 Juillet 2021.

©n.u.f.尼康兰et al。,由EDP Sciences发布,2021

许可创造性公共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。

强调

  • S的能效Pirulina Platensis.生物量和色素生产(类胡萝卜素、叶绿素和藻青素)与光(包括光强度和光周期)密切相关。

  • 通过调节光线水平随着细胞浓度的增加来保持能量节省,同时通过调节光水平来保持生物量和颜料的高生产率。

1介绍

微藻是生物质生产的潜在来源。它们有许多和各种各样的应用,包括食品和饲料,化妆品和制药工业。此外,这些微生物被认为是一种有前景的生物燃料来源(Becker,2007年卡瓦略et al。,2011年blanket 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%至70%的干重中的蛋白质。它是富含维生素,特别是维生素B12,Provitamin A和矿物质,特别是铁(Bezerra.et al。,2011年).合并螺旋藻生物量进入食物有助于增加其营养价值(Koru,2012年).它是有价值色素的重要来源,如叶绿素a (Chl-a)、类胡萝卜素和藻胆蛋白(特别是藻青素(Phy)) (Boussiba和Richmond,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罗伊et al。, 2003年).至于叶绿素,除了健康益处(抗氧化剂,抗炎,抗毒药和抗微生物性质)外(Galassoet al。,2019年),也可用作上色。叶绿素产生的来源(植物、微藻等)中,螺旋藻呈现最高叶绿素含量之一(Koru,2012年).最后,螺旋藻也含有类胡萝卜素(以其抗氧化作用而闻名)和大量的β-胡萝卜素(类胡萝卜素色素组的67 - 79%)。摄取维他命原A或β-胡萝卜素可改善免疫系统,并降低罹患慢性退化性疾病、心血管疾病及某些癌症的风险(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(Chojnacka和Noworyta, 2004年).微藻的光学营养不良或混纺营养生长需要CO2和光线实现光合作用。可以通过自然照明(SUN)或人造照明(灯)提供光能。在受控的生长环境中,例如室内生物反应器,人造光的使用是强制性的。人造照明通常能够控制光强度和照明时间的可能性。尽管人造照明可以提高生产率,但它也会产生额外的成本。因此,在光合作用,能量效率和光谱组合物方面的最佳用途可以提供从微藻生物质获得的更宽和更便宜的高效产物。在这方面,与传统技术(卤素灯,荧光灯灯,高压钠灯等)相比,LED照明技术在时尚中。主要原因是其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。实际上,这些使得可以评估微藻栽培的昏暗照明的效率。 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。

几项研究工作表明,微藻文化的LED照明效率,包括螺旋藻苏利et al。, 2014年格雷梅尔et al。, 2016年).他们还表明光强度,光谱和光周期对生长和生化组合物(特别是颜料含量)具有相当大的影响螺旋藻.因此,光强度和光谱是可以调谐以使整个或特定吸收带匹配的关键因素,以对生物质和颜料的数量和/或质量产生作用。通常接受红色和白光促进高量的生物质,而高强度光线和蓝光增强植物共霉素的生产。文学还提到了除浮冰蛋白外的颜料生产有害的绿灯。此外,对于低于饱和度和光抑制灯的光强度,生物质量随着光量而增加(Pareek和Srivastava,2001年Madhyastha和Vatsala,2007年Madhyasthaet al。,2009年et al。, 2010年kumari.et al。, 2015年et al。,2018年).然而,过程能量效率仍然是一个问题,并且尚未广泛讨论。这项工作的目的是在能效和生产力方面进行调查,生物量生产和光合颜料含量螺旋藻platensis.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微生物和培养条件

螺旋藻本研究使用的物种为arthrospira.Platensis.(Utex 1926)并生长在Zarrouk介质(Zarrouk,1966年).菌株培养于60 L的圆柱形容器中,28℃,200 μmol·m连续光照−2 · s−1提供暖白(3000k) LED管灯(来自飞利浦的MAS LED管HF 600mm HE 8W 830 T5)。光强对应于光合光子通量密度(PPFD)。PPFD是一种光测量系统,对光在光合作用中的作用研究做出最佳响应,因为它考虑了相对量子效率(RQE) (McCree 1971).测光不适合,因为它基于对人眼光的敏感性,其不同于植物的眼睛(Biggs,1986年).该灯已被修改为可调光。循环泵搅拌应变培养物。对于接种,我们花了一定量的应变培养物,并通过30μm过滤器过滤,然后稀释S. Platensis.Zarrouk.Photoutot营养培养物在25L的圆柱形罐中,分批模式制成。此外,它们用LED灯(来自Lumitronix的MaxLine70暖白色LED条带照亮)。光谱光子磁通密度(PPFD)的值通过光谱仪SPECBOS 1201测量。用圆形泵搅拌培养物(LAGUNA泵,流速为5000L / h)。恒温器(Nicrew水族馆加热器100 W)用于将培养物保持在28°C。

关于光强调制对螺旋藻生长和颜料含量,测试了三种照明情景:

  • 场景1:80μmol·m的恒定光强度−2 · s−1

  • 场景2:160μmol·m的恒定光强度−2 · s−1

  • 场景3:调制光强度照明(80μmol·m−2 · s−1在两天和160μmol·m中−2 · s−1然后)。

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 · s−1

测量进行了三次,结果以平均值±95%置信区间表示,即。:m±ts / sqrt(n)在哪里是的含义n值(n = 3), 年代是估计的标准偏差,T由学生 - 费舍尔分配给出95%的置信区间和一定程度的自由n - 1。

2.2生物量分析

螺旋藻platensis.通过使用UV /可见/ IR分光光度计(光谱20基因,光谱仪器,美国光谱仪器)测量600nm处的光密度(OD)来确定生物质。然后在生物质干重(DW,G·L-1)和600nm处的光密度之间建立线性方程。它遵循与et al。(2016)

2.2.1动力学和其他参数

arthrospira.Platensis.具体增长率μ(日−1)根据等式的培养8天计算(1)et al。,2007年):(1)在DW2和DW1生物量在t天的干重是多少2和T1,分别。

我们计算生物质生产P(Mg·L.−1 · day−1)(方程式。(2))(et al。,2007年)和能量效率ɳ(g·日−1 · kWh−1)电能对生物质生产(方程式。(3)):(2)(3)在DW0和DWn分别是初始和生物量的干重nV (L)为培养量,E为培养量e(kwh)是在培养时间t(天)期间被LED消耗的电能。

2.2.2颜料量化

使用该方法测定叶绿素A和类胡萝卜素Lichtenthaler(1987).将1.8mL的微藻溶液以10 000×g离心15分钟。在丢弃上清液后,将1.8ml 99.8%的甲醇溶液加入到新鲜的生物质中,混合孔,并在黑暗中在4℃下温育24小时。然后,在黑暗中将样品暴露在室温下4小时。最后,在2000 Tr / min的Zx3涡旋搅拌器中在2分钟内均质化。然后,在分光光度测量之前,将其在20℃下以20℃,4000×g离心10分钟。根据方程(4)和(5)计算CHL-A和类胡萝卜素浓度:(4)(5)哪里A.665., 一种652.A.470.是665,652和470nm的吸光度读数。

藻青素的测定依据Bennett和Bogorad(1973年).对于CHL-A和类胡萝卜素,1.8ml微藻细胞以10 000×g离心15分钟。丢弃上清液后,1.8ml 1.5%CaCl2(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)哪里A.615为615 nm处的光密度。

计算的色素含量为第8天。

3结果与讨论

3.1调制光强度的影响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(Wahidin.et al。,2013年).在目前的工作中,没有发现测试的强度范围的光抑制。还应注意,对于每种情况,没有观察到滞后阶段。这与滞后阶段持续时间基本上在培养基上而不是轻质条件上的事实一致。根据培养基与接种培养基的差异,可以观察到该阶段。

图12说明细胞生长的观察螺旋藻platensis.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 · s−1),而在方案2(恒定光强为160 μmol·m)下运行时达到最高−2 · s−1)和场景3(调制光强度80-160μmol·m−2 · s−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。,2007年杜巴斯基,2013年rizzo.et al。, 2015年).场景3光照强度从80 μmol·m变化到160 μmol·m−2 · s−1经过两天的培养后,评估动态光强调整对植株的影响螺旋藻生产力和能源效率方面的增长。实际上,最多2天2场景1和2之间的小增长差距,并且表明在培养开始时没有必要在高光强度下照亮培养。

可以看出光强度的增加没有立即影响螺旋藻由于没有显着的生物量增加了4.这些结果表明,这些结果表明,细胞适应细胞在光强度的变化(特别是增加)(Danesi.et 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2中,分别为0.1311和0.1757天之间的平均增长率−1至0.0814和0.0833日−1在第5至8天之间(分别为38%和52%)。为了比较情景,3年平均增长率从0.1439天开始−10.1069天−1(下降26%)。第5天和第8天之间的较高平均生长速率解释说,使用场景3获得的最终干生物量仅比使用场景2所获得的418%。

这些观察结果表明,随着细胞浓度的增加,动态增加光强度可能是节能的有希望的选择。实际上,这种类型的照明使得可以在第一天内照亮培养,而在低光强度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).

表格1为不同的照明场景提供平均增长率,生物量产量和能量效率。方案2和3的生产率和特定的生长速率为方案2和3.具有场景2和3的生物量产品比方案1高出35%。但是,对于场景1.实际上,有一个光强度范围(低PPFD范围),生物质生产率与光强度成比例(Chojnacka和Noworyta, 2004年et al。,2011年).我们可以在这里假设160μmol·m−2 · s−1,光强度近于或是饱和强度。实际上,在饱和光范围内,光合活性几乎是恒定的,并且不使用显着的光子的显着部分(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 · s−1,这种光强度可能足够高,以根据我们的接种浓度在培养的开始时产生光应力。这可能导致较低的过程能效。实际上,当PPFD与光合作用的比率高时,可能会发生过量的光。因此,在恒定的PPFD下,该比率在培养开始时(低光合细胞浓度)高,并且逐渐降低以增加细胞浓度(Demmig-Adams和Adams,1992).与场景2相比,使用场景3获得的生产率降低5.93%,但能量效率高7.92%。该结果表明,动态调整光强度可能是提高培养过程效率的同时在保持高生产率的同时提高培养工艺效率的好方法。必须更详细地研究该原理,并且可以通过根据培养基的光密度连续调节光强度来进行。

缩略图 图1

生物质生产的arthrospira platensis.根据三种照明情景成长。

缩略图 图2

增长率arthrospira platensis.根据三种照明情景成长。

表格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颜料生产

为了了解不同光强度下颜料浓度之间的关系,测量并记录叶绿素,类胡萝卜素和植物苷内容物,如图所示图2..我们观察到光强度对不同颜料的浓度具有或多或少明显的影响。

对于类胡萝卜素和叶绿素,光强度的效果有限。照明场景1,2和3分别为12.29,11.48和12.09 mg·g−1,每干物质Chl含量(图3).关于类胡萝卜素浓度,与场景2和3相比,照明场景1提供略高的速率(分别为13.52%和9.02%)。它与结果一致Kumar.et al。(2011).其他作者,如Ravelonandroet al。(2008)et al。(2010)Danesi.et al。(2011)并提到它们观察到叶绿素和类胡萝卜素浓度的降低,随着光强度的增加。实际上,光强度的增加会引起囊体膜的照相浓度的降低和光系统II(PSII)的大小的降低。然而,尽管叶绿素含量下降,但我们可以观察光合作用的增加,因为通过叶绿素的吸收和将光子转化为化学能的能力,甚至大大增加。此外,在太强和延长光强度的情况下,光抑制会通过光氧化引起光合色素的破坏(亨德里et al。,1987年阿尔维斯et al。, 2002年).最后,在某些情况下,叶绿素循环的开始(属于类胡萝卜素家族的颜料)是主要的保护,其允许以热量的形式消散由PSII天线的叶绿素吸收的能量。

与前两种颜料不同,光强度对植物植物浓度的影响更大。场景2(160μmol·m的恒定光强度−2 · s−1)促进植物植物的产量更高。场景2和3之间的植物蛋白含量的差异为7.86 mg·g−1(8.39%)。这个结果与文献一致(Chen'v.et al。,1996年et al。,2013年),藻青素含量随光强的增加而增加。

不同情景下的能源效率在表2.我们可以观察到该方案1(即。恒定光照强度80 μmol·m−2 · s−1),给出了颜料生产的最高能量效率。总体而言,就叶绿素A和类胡萝卜素内容而言,与其他场景相比,能量效率几乎比两倍。对于Phycocyanin情景1比场景2和3更有效的1.4倍。在色素生产的能效方面,情景2和3之间没有显着差异。

缩略图 图3

arthrospira platensis.三种照明场景的颜料含量。

表2

色素生产和光强度的能量效率。

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

生物质浓度S. Platensis.在培养的8天内评估不同的光周期,以恒定光强度为160μmol·m−2 · s−1图4).最大生物质生产率即。38.63±1.13 g·l−1 · day−1和最少即。30.88±1.47 g·l−1 · day−1分别在光/黑暗24:00和16:08观察(标签。3.).我们观察到光照时间越长,生物量产量越高(图4).然而,光环24:00提供最低能效。PhotoPeriod 16:08表现出最高能量效率。如在该实验中,光强度是相同的,能效改善来自黑相的持续时间。此外,当光/暗循环周期接近光合单位的周转时间时,实现了高光合效率(里士满et al。, 2003年Amini Khoeyiet al。,2012年et al。, 2014年).光合作用在两个阶段进行:光反应和黑暗反应。在光反应中,Cyanobacteria使用光来分解水分子。该反应产生提供NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯)的化学能量和高能量化合物ATP(腺嘌呤三磷酸酯)。特别是NADPH2和TP是必要的,用于同化无机营养素。在黑暗反应或酶反应中,蓝藻同化有限公司2并生产碳水化合物,脂质(Wahidin.et al。,2013年).因此,在照明时间期间也发生黑暗反应,特别是当培养常量照射时。因此,不使用微藻吸收的部分能量。

使用光周期24:00,20:04和16:08的干生物质量为8天,为0.4800±0.0110,0.4690±0.0115和0.4194±0.0095g·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和其他微藻(Pareek和Srivastava,2001年Wahidin.et al。,2013年).此外,PhotoPeriod 16:08分别比PhotoPeriod 24:00和20:04更有效地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(尼康兰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生长时间20:04 h。

缩略图 图4

arthrospira platensis生长不同光周期的函数曲线。

表3

增长率,生物质生产率和光周期后的能量效率。

3.2.2颜料生产

三种不同光周期(24:0,20:00和16:08光/暗)在光强度160μmol·m的效果−2 · s−1关于颜料含量S. Platensis.8天的栽培期呈现在图5..最小浓度(67.15±2.91 mg·g−1获得生物质干重)植物干重20:04。植物素浓度浓度提高39.95%,循环24:00和32.12%,周期16:08。光周期20:04也获得最低叶绿素和类胡萝卜素含量。用16:08光/黑暗循环获得这两种颜料的最大含量。这些结果与研究一致Pareek和Srivastava(2001)谁观察到相同的行为。然而,叶绿素和类胡萝卜素含量的差异为光周期24:0和16:08光/暗非常小:0.13 mg·g−1对于叶绿素和0.04 mg·g−1类胡萝卜素。总的来说,16小时的照明时间是以高效率获得高浓度的光合色素(标签。4.).

表4显示色素生产的能量效率作为照明时间的函数。我们注意到16小时的照明时间允许对所有颜料具有最高的能量效率。

缩略图 图5

arthospira platensis颜料含量含量不同的光周期处理。

表4

色素生产和光周期的精力充沛的效率。

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螺旋藻platensis.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 · s−1),获得最低光强度的最佳能效(80μmol·m−2 · s−1):这对于生物质(能量效率提高了47%,而生产率降低了28%)以及颜料生产,更具体地对植物霉素(能量效率提高39%,而生产率降低了16%).

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。

的利益冲突

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。

致谢

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: 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。

所有表格

表格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

色素生产和光强度的能量效率。

表3

增长率,生物质生产率和光周期后的能量效率。

表4

色素生产和光周期的精力充沛的效率。

所有的数据

缩略图 图1

生物质生产的arthrospira platensis.根据三种照明情景成长。

在文本中
缩略图 图2

增长率arthrospira platensis.根据三种照明情景成长。

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生长不同光周期的函数曲线。

在文本中
缩略图 图5

arthospira platensis颜料含量含量不同的光周期处理。

在文本中

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