申请日2017.12.06
公开(公告)日2018.03.23
IPC分类号C12N1/12; C12P7/64; C12R1/89
摘要
本发明涉及一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，主要包括：(1)培养前期，向含有微藻的城市污水中加入植物生长调节剂和COD降解菌，促进叶绿素合成和污水中有机物的降解，提高微藻细胞的光合作用效率以及固碳效率进而达到提高生物质产量的目的;(2)培养后期，污水中的氮含量满足氮缺乏的条件，从而调控糖酵解途径，促进碳水化合物代谢，使更多的碳流向脂肪酸合成，进而达到促进油脂积累的目的。利用城市污水培养微藻可在同一系统内满足两段培养法的要求，能兼顾微藻高密度培养和油脂积累，操作简便，便于规模化生产，对指导微藻规模化培养具有重要意义，可以为城市污水培养微藻制备生物柴油产业链的工艺优化提供理论和技术支持。
权利要求书
1.一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)培养前期，向含有微藻的城市污水中加入植物生长调节剂和COD降解菌，促进叶绿素合成和污水中有机物的降解，从而调控光反应和卡尔文循环，提高微藻细胞的光合作用效率以及固碳效率进而达到提高生物质产量的目的;
(2)培养后期，污水中的氮含量满足氮缺乏的条件，从而调控糖酵解途径，促进碳水化合物代谢，使更多的碳流向脂肪酸合成，进而达到促进油脂积累的目的。
2.根据权利要求1所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述微藻是从自然界筛选获得的硅藻、栅藻、小球藻和菱形藻中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养前期加入植物生长调节剂为吲哚乙酸(IAA)、三十烷醇(TRIA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、腺瞟呤(6-BA)中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养前期加入植物生长调节剂的浓度为0.5mg/L-2.5mg/L。
5.根据权利要求1所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养前期加入COD降解菌为光合细菌、枯草芽孢杆菌、从小球藻污水培养系统中筛选出的W4和W5中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养前期加入COD降解菌的浓度D600为0.002-0.03。
7.根据权利要求1-6任一项所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养前期是指城市污水培养微藻第0天。
8.根据权利要求1-6任一项所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述培养后期是指城市污水培养微藻第3天。
9.根据权利要求1-6任一项所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：含有微藻的城市污水中微藻浓度D680为0.1。
10.根据权利要求1-6任一项所述的城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，其特征在于：所述城市污水主要污染物COD、TN和TP的浓度分别为140～200、20～45和5.0～6.5mg/L;所述氮缺乏是指氮的含量范围为3-6mg/L。
说明书
一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略
技术领域
本发明属于微藻生物柴油领域，尤其是一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略。
背景技术
微藻培养过程的优化与调控是改善系统产脂性能、提高油脂品质的一种有效手段。长期以来，微藻培养过程优化的对象主要集中在通过胁迫条件促进微藻油脂的大量合成和积累;或通过外加刺激因素促进微藻生长。由于微藻生长与油脂积累相矛盾，当微藻生长速率较快，生物量越高时，往往不利于其油脂积累。如何在不影响微藻最大生物质产量的前提下实现油脂的快速积累，是提高最终油脂产量的关键。微藻生长前期的主要目标是保证藻体正常生长，获得更高的生物质产量;后期目标则是积累更多的油脂等储能物质。在这两个阶段，藻体分别处于对数生长期和稳定期，对营养物质的需求也有所差异。因此，以往微藻培养优化调控主要采用两阶段培养法，第一阶段藻细胞在营养充足的培养液中大量繁殖，获得较高生物质产量;第二阶段将藻细胞移至营养缺乏的培养液中，营养缺乏促进细胞油脂积累。但是该方法操作较复杂，不便于微藻的工业化生产。
由于最终的微藻油脂产率由微藻生物量和油脂含量共同决定，因此，需要对培养条件进行调控以保证在不影响微藻整体生长的同时积累油脂，而代谢调控是提高微藻代谢产物的根本途径，也是提高微藻产脂性能的一个有效途径和方法。然而，目前为止在污水培养微藻过程中，鲜有能够兼顾和油脂积累的调控策略。
例如，CN201610871741.6公开了一种串联培养微藻深度处理污水的方法，利用不同种类微藻的生长特性存在差异性及对污水处理能力的不同，通过串联培养微藻，利用不同类型的微藻对污水的不同处理能力，发挥微藻各自的优势，达到污水的深度净化的目的。只具有微藻生长及污水降解的作用，且串联培养成本高。
另外，CN201410455269.9一种新型的多功能气升式列管光生物反应器，其中，包括一种微藻培养方法，包括使用所述反应器主体或光生物反应器进行微藻的光自养培养、光诱导培养及混合营养培养。也只具有微藻生长及污水降解的作用。
因此，有必要提出微藻培养条件调控策略，对指导微藻规模化培养具有重要意义，可以为城市污水培养微藻制备生物柴油产业链的工艺优化提供理论和技术支持。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，用来克服现有微藻油脂提取方法成本高、难以工业化应用的问题。
本发明是这样实现的，一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，包括以下步骤：
(1)培养前期，向含有微藻的城市污水中加入植物生长调节剂和COD降解菌，促进叶绿素合成和污水中有机物的降解，从而调控光反应和卡尔文循环，提高微藻细胞的光合作用效率以及固碳效率进而达到提高生物质产量的目的;
(2)培养后期，污水中的氮含量满足氮缺乏的条件，从而调控糖酵解途径，促进碳水化合物代谢，使更多的碳流向脂肪酸合成，进而达到促进油脂积累的目的。
通过该方法可以兼顾微藻生长和油脂积累。
本发明的进一步技术方案是：微藻是从自然界筛选获得的硅藻、栅藻、小球藻和菱形藻中的一种或几种。
含有微藻的城市污水中微藻浓度D680为0.1。
含有微藻的城市污水主要污染物COD、TN和TP的浓度分别为140～200、20～45和5.0～6.5mg/L，如所述城市污水取自深圳大学城市政污水井。
该选择主要是利用微藻生长需要吸收大量氮磷的特性，把原来微藻培养使用的人工培养基改变为人类社会生产和生活产生的大量富含氮磷的污水。这样既降低了微藻培养的成本，同时也极大地降低了水体富营养化的风险。
本发明的进一步技术方案是：微藻培养前期加入植物生长调节剂为吲哚乙酸(IAA)、三十烷醇(TRIA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、腺瞟呤(6-BA)中的一种或几种。
本发明的进一步技术方案是：微藻培养前期加入植物生长调节剂的浓度为0.5mg/L-2.5mg/L，具体优选0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L、2mg/L和2.5mg/L中的一种。
本发明的进一步技术方案是：微藻培养前期加入COD降解菌为光合细菌、枯草芽孢杆菌、从小球藻污水培养系统中筛选出的W4和W5中的一种或几种。
本发明的进一步技术方案是：微藻培养前期加入COD降解菌的浓度D600为0.002-0.03，具体优选0.002、0.01、0.02和0.03中的一种。
植物生长调节剂和COD降解菌配合使用的依据是植物生长调节剂能够提高微藻细胞体内叶绿素的含量。COD降解菌可以促进污水中有机物快速降解产生CO2，CO2是光合作用所必不可少的原料。通过二者的结合产生协同作用，共同促进微藻的光合作用从而提高微藻的生长速率，增加生物量。
所述培养前期是指城市污水培养微藻第0天。
所述培养后期是指城市污水培养微藻第3天。
通过监测城市污水中微藻的浓度D680从而调节植物生长调节剂和COD降解菌的投加浓度。
所述氮缺乏是指氮的含量范围为3-6mg/L，通过监测城市污水中氮的浓度从而调节植物生长调节剂和COD降解菌的投加浓度。
W4和W5的具体种类为柠檬酸杆菌属(Citrobacter)，该菌对城市污水中COD降解效果可达80%，污水适应性强。
卡尔文循环(Carvin cycle)即光合碳循环，反应过程主要分为以下三个阶段：第一阶段固定CO2并生成3-磷酸甘油酸(3-PG);第二阶段将3-磷酸甘油酸还原成丙糖磷酸甘油醛-3-磷酸(GAP)，GAP会进入糖酵解过程产生能量或者合成葡萄糖。第三阶段由丙糖磷酸再生形成核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)。
本发明的有益效果是：
(1)本方案构建了一种城市污水培养微藻生长代谢调控的策略，能够兼顾微藻生长和油脂积累的调控策略。对指导微藻规模化培养具有重要意义，可以为城市污水培养微藻制备生物柴油产业链的工艺优化提供理论和技术支持。
(2)微藻培养结束后城市污水中COD、TN和TP的去除率分别可达到75-85%、85-95%和85-95%，无需后续处理降低了的水体富营养化的风险。
(3)微藻培养结束后微藻油脂含量约为25%，生物质产率和油脂产率最高可达155mg/L/d和33.61mg/L/d。