核诱变及高碳诱导提高雨生红球藻生长固碳速率和虾青素含量

发布时间：2020-06-03 06:20

【摘要】：利用微藻捕集燃煤电厂烟气CO2转化为生物质实现综合利用多联产,不仅有效减排温室气体CO2,而且能产生巨大的经济环境效益。本文采用γ射线核辐射诱变和燃煤烟气CO2梯度驯化方法筛选出优良的雨生红球藻株,通过高碳诱导和优化调控同时提高了微藻生长固碳速率和虾青素含量,探讨了固碳生物质多联产生物柴油和虾青素的可行性。采用60Co-γ射线核诱变和高浓度CO2梯度驯化方法显著提高了雨生红球藻的生长固碳速率和虾青素含量。核诱变后藻株的生长速率较野生藻株提高了28.6%;虾青素和油脂含量分别由19.5 mg/L和36.1%提高至46.0 mg/L和45.9%。模拟烟气15%CO2驯化后的核诱变藻株生长速率提高至0.13 g/L/d,是驯化前藻株的2.3倍;驯化后核诱变藻株虾青素含量由空气条件下的15mg/L提高至87.4 mg/L,生物质干重中虾青素含量提高了 50%。基于单细胞拉曼原位光谱分析了雨生红球藻油脂和虾青素积累动力学,在15%CO2条件下,藻细胞内油脂和虾青素积累成正相关,油脂先于虾青素合成,并且油脂比虾青素的合成速率更高。利用高通量转录组测序分析了核诱变和高碳胁迫后的雨生红球藻基因表达,首次从分子水平上揭示了模拟烟气15%C02促进生长固碳和虾青素积累的作用机理。15%C02诱导下雨生红球藻代谢通路中的碳固定、糖酵解、丙酮酸代谢、脂肪酸和类胡萝卜素合成途径比空气条件下明显增强。(1)碳代谢调控:PSⅡ光系统中D1蛋白的基因表达上调到18.5倍,从而促进光反应电子传递提高了光合作用效率。在C3固碳途径中,果糖二磷酸醛缩酶表达量上调到19.0倍,促进了光合作用卡尔文循环;C4固碳途径中,丙酮酸磷酸双激酶表达量上调到2.7倍,作为CO2原初受体的磷酸烯醇丙酮酸合成量增加,从而提高了微藻C02固定效率。丙酮酸激酶表达量上调到3.5倍,促进了细胞内有机碳通过丙酮酸代谢途径向脂肪和类胡萝卜素等代谢产物的再分配过程。(2)虾青素和油脂代谢调控:乙酰辅酶A合成酶和羧化酶表达量分别上调到2.9和3.6倍,提高了脂肪酸合成效率。β-酮酰基-ACP缩合酶Ⅲ的表达量上调到3.1倍,提高了脂肪链延长反应效率。八氢番茄红素合成酶、番茄红素β-环化酶和β-胡萝卜素羟化酶表达量分别上调到10.4、5.8和18.4倍,促进了虾青素的合成。利用雨生红球藻湿藻生物质中的油脂,通过先酯交换后萃取方法制备生物柴油。实验表明,虾青素使酯交换反应效率提高了 43%,有利于降低生物柴油的结晶温度(低至-7.0℃)。雨生红球藻油脂转化得到的生物柴油中饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量为63.6%,具有与石化柴油相近的高位热值41 MJ/kg。针对雨生红球藻生长固定CO2富集虾青素建立了产业化示范工程,通过控制藻液pH值或CO2曝气浓度进行了工业性优化调控实验。雨生红球藻在板式反应器中绿色生长阶段的CO2利用效率可达77%,在水平管式反应器中红色积累虾青素阶段的CO2利用效率可达65～100%,高碳诱导条件下最终收获的雨生红球藻粉中虾青素和油脂含量分别达到3.6%和31.8%。
【图文】：

展和创新提出了更高要求。逡逑２０１６年，我国的年Ｃ0２排放量达９１．２亿吨，，占全球Ｃ０２排放总量的２７％［１，２］逡逑（图１．１），其中，来自于煤电的Ｃ０２排放量不容小壏。２０１５年，我国煤电Ｃ０２逡逑排放强度平均为８９０邋ｇ／（ｋＷ，ｈ），而“十三五”控制温室气体排放工作方案明确提出逡逑大型发电集团供电Ｃ０２排放量控制在５５０ｇ／（ｋＷ＿ｈ），这对燃煤电站的碳排量控制逡逑提出了巨大的挑战Ｗ。减排Ｃ０２首先要从源头做起，优化能源结构，合理控制煤逡逑炭消费总量、加快石油天然气开发力度，安全高效发展核电，大力开发风电，推逡逑进太阳能多元化利用，发展生物质能源等。其次，大力开发低能耗、低成本的Ｃ０２逡逑捕集、利用与封存技术（Ｃ０２邋Ｃａｐｔｕｒｅ邋Ｓｔｏｒａｇｅ邋ａｎｄ邋Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，邋ＣＣＵＳ）。目前邋ｅｃｕｓ逡逑技术主要有物理化学吸收、海洋和地质封存、生物捕集三种途径。Ｃ0２吸收法中逡逑＇吸附材料通常可再生性差

微藻油脂制备生物柴油的主要有效成分为甘油三酯和脂肪酸，其生物合成代逡逑谢主要包括三个过程：（１）脂肪酸在叶绿体中合成；（２）脂肪酸在内质网上形成逡逑甘油三酯；（３）油脂集聚在细胞质的脂滴中［４７４９］。脂肪酸合成的第一步是乙酰辅逡逑酶Ａ催化ａｃｅｔｙｌ－ＣｏＡ转化成ｍａｌｏｎｙｌ－ＣｏＡ，接着ｍａｌｏｎｙｌ－ＣｏＡ：ＡＣＰ转酰酶催化逡逑ｍａｌｏｎｙｌ－ＣｏＡ邋和邋ａｃｅｔｙｌ－ＣｏＡ邋反应生成邋ｍａｌｏｎｙｌ－ＡＣＰ，ＫＡＳＩＩＩ邋催化邋ａｃｅｔｙｌ－ＣｏＡ邋与逡逑ｍａｌｏｎｙｌ－ＡＣＰ的缩合反应以启动脂肪酸的合成，通过缩合反应憜基链延长直至形逡逑７逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X773;X173

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本文编号：2694429