光生物反應器連續式培養海洋微藻優勢研究

趙新亞 徐 哲 楊志平 吳 垠 大連匯新鈦設備開發有限公司 遼寧大連 116039

海洋經濟微藻作為水產動物魚、蝦、貝類育苗時的生物餌料，是影響幼苗成活率和質量的關鍵因素之一，其計劃性、穩定性供給直接關系到育苗的成敗。同時，微藻具有廣闊的應用前景，已成為醫藥學、營養保健[1]、污水治理[2]等領域研究熱點。但是，目前育苗所需餌料通常使用三角瓶一級培養、吊袋二級培養和水泥池三級培養系統進行培養[3]。這種培養方式存在諸如生產效率低，微藻質量得不到保證，培養液中微藻的密度較低，培養微藻的種類有限等不足之處。試驗利用封閉性好、透光率高、安全無毒的材料制成培養器，分析和探索小球藻、新月菱形藻及叉鞭金藻的連續式培養方法的優勢，為光生物反應器在餌料微藻培養中的應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 藻種

試驗用的微藻藻種取自中科院海洋所藻種室，分別為小球藻（Chlorella.vulgaris）、新月菱形藻（Nitzschiaceae.closterium）和湛江叉鞭金藻（Isochrysis.zhangensis）。

1.2 試驗設備與培養方法

微藻連續式培育系統由大連匯新鈦設備開發有限公司研制，整套設備包括培養器、水處理器、溫控系統、CO2 充氣系統及人工光源等幾部分，每套裝置中設有入水孔、排氣孔、營養鹽注入孔及排藻液孔。試驗需三角燒瓶（5L）和與反應器體積相同的聚乙烯水槽若干，在相同條件下采取常規培養方式作對照試驗。

試驗采用三種類型光生物反應器。第一種封閉式光合反應器為柱狀，由封閉性能好、透光性強的鋼骨架尼龍纖維復合膜制成，反應器直徑60 cm，高180cm，容積500L；第二種采用鋼外骨架尼龍膜光生物反應器，圓柱形，直徑25cm，高180cm，容積80L；第三種采用串聯柱式尼龍膜光生物反應器，反應器由12 個直徑22cm 柱式尼龍膜培養袋串聯組成，容積為800L。反應器均設有定時通氣、氣升式循環，采用自然光和人工光（外置，其中第一種大直徑附加內置光源）連續照明，光強為4000～5000lx。連續式水處理器提供消毒海水，水溫為20～24℃。

試驗微藻營養鹽為Convey 配方。

1.3 微藻計數

微藻密度用血球計數板計數，每天計數一次，每個種類分別計數2 次以上，取平均值。

K 為相對生長常數，計算方法按陳明耀（1995）的關系式：

式中t：培養時間，N0：培養起始密度，N1:培養t 時間后的密度。

2 結果與討論

2.1 連續培養微藻系統的建立

連續培養，即在全封閉、連續式光合反應器中接入藻種后培養一段時間，當藻細胞密度達到生產要求后，每天放出一定量的藻液，再加入相同量的新培養液，使培養過程中有一個均衡的收獲量。

用光生物反應器對微藻進行連續式培養研究，每天通過排藻液孔收取一定體積微藻，同時通過連續式水處理系統加入相同量消毒海水和營養鹽。整個收獲和注水過程都由不同管道完成，減少了外界敵害生物對培養微藻的污染，而且操作比較簡單。

2.2 三種光生物反應器連續培養微藻生物量的變化

2.2.1 500L（直徑60cm）單體柱式光生物反應器中的連續式培養

在500L 光生物反應器中實際培養小球藻和新月菱形藻總體積為400L。進行了30 天的連續式培養，每日收獲量對微藻增長的影響結果見表1 和表2，小球藻密度為1900～2100×104cell/ml 時，每日收獲量為50～60 L 時，可維持穩定的收獲量；當藻濃度為1800×104cell/ml 時，每日排放70 L，小球藻濃度為1500×104cell/ml時，每日排放80 L，可使小球藻的培養呈穩定狀態。

表1 收獲量對小球藻連續培養的影響（直徑60cm 柱式） 104cell/ml

表2 收獲量對新月菱形藻連續培養的影響（直徑60cm 柱式）104cell/ml

由表2 可見，當新月菱形藻濃度為440～460×104cell/ml 時，每日排放50～60L,微藻增長速度較快（K 值＞0.05);而當新月菱形藻濃度為390～420×104cell/ml 時，每日排放70 L，藻濃度為370×104cell/ml，每日收獲量為80L 時，新月菱形藻可達穩定生產狀態。

2.2.2 800L（直徑22cm）串聯柱式光生物反應器中的連續式培養

將小球藻和新月菱形藻在一次培養方式的基礎上,當培養液中藻細胞達到一定濃度后（小球藻為2450～3080 萬個/mL，叉鞭金藻為620～640 萬個/mL），每天收獲80～100 L 藻種,并補充相應體積的新培養液繼續培養，表3、表4 是這兩種微藻連續培養的結果。由表3 可見，藻液總體積為600 L，當小球藻培養至密度為2450×104cell/ml，每日收獲80 L，則日生長量為387×104cell/ml；如果每日收獲100L 則日生長量可達259×104cell/ml，均可獲得較高的生長速度。

表3 收獲量對小球藻連續培養的影響（直徑22cm 串聯） 104cell/ml

由表4 可見，試驗所用新月菱形藻濃度為620～640×104cell/ml 時，每日排放70～90L,相當于總培養量的11.7%～15.0%。微藻增長速度均較快（K 值＞0.05）；當每日收獲70～80 L 時，藻日生長量可達82～83×104cell/ml，當每日收獲量增加到90L 時，新月菱形藻日凈增密度為69×104cell/ml，表明這種連續式培養可使藻細胞不斷保持指數生長，長時間保持較高的生長速率，且生長量可以滿足連續式生產的需要。

表4 收獲量對新月菱形藻連續培養的影響（直徑22cm 串聯）104cell/ml

2.2.3 80L（直徑25cm）光生物反應器中的連續式培養

試驗采用80L 光生物反應器對湛江叉鞭金藻進行連續式培養，每天收獲密度在250×104cell/ml 以上的藻液6 升（大約為總培養量的10%），觀察湛江叉鞭金藻生物量增長情況，同時就內置光源（紅光）和補充CO2 對連續式培養的效果進行了比較，結果見圖1 和圖2。

由圖1 可以看出，輔助光源對叉鞭金藻在連續培養時有促進其生長的作用（圖1），并隨著密度的增大，它的影響越明顯。

圖1 在連續培養時輔助光源對叉鞭金藻生長的影響

在連續培養時，CO2 對叉鞭金藻生長的作用與輔助光源的作用相同（圖2）

圖2 在連續培養時CO2 對叉鞭金藻生長的影響

3 結論

實驗中分別用 500L單體柱式光生物反應器連續式培養、800L串聯柱式光生物反應器連續式培養以及 80L 光生物反應器連續式培養對小球藻、新月菱形藻和湛江叉鞭金藻進行培養，相比較常見的三角瓶一級培養、吊袋二級培養和水泥池三級培養系統進行培養有較明顯的優點。用以往的培養方式進行培養操作煩瑣，生產效率低，藻的質量不能得到保障。本試驗涉及器材是由封閉性好、透光率高、安全無毒的材料制成的，大大地保障了微藻的質量。

通過分析小球藻和新月菱形藻的濃度及生長常數，可以看出，光生物反應器在接種較少的藻種情況下也可以很快的進入到生長繁殖期，增強微藻的繁殖能力。

總之，光生物反應器連續培養與其他養殖方法相比，接種量少，藻細胞能快速進入指數生長期，延緩期極短，藻細胞生長、繁殖速度快，并且培養的藻液濃度大，提高了餌料質量，為水產動物提供了豐富的植物性餌料。