碳源营养对微藻脂类合成的影响
1 前言
微藻是地球上生长速度最快的升物，又是最有潜力的生物燃料之一，由于近年来能源危机和环境压力的加剧，藻类生物燃料成为研究与开发的对象。如何培养出含油量高，生长速度快的微藻成为了热点问题。其中微藻的培养条件的差异，对藻体内含油量具有相应的影响，本文就碳源营养对微藻脂类合成的影响进行讨论。
2 生物柴油的特性
生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油用过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性燃料。他是一种生物质能，是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基脂。
生物柴油具有优良的环保特性，主要由于生物柴油中含硫量低，从而减少对大气的二氧化硫的排放。经检测表明，与普通燃料相比，生物燃料可减少90%的空气毒性，降低94%的致癌率，且生物降解性高。
生物柴油具有良好的低温发动机启动性能，具有良好的润滑性能、安全性能以及燃料性能。由于生物燃料具有更高的闪点以及更高的十六烷值，所以其不仅燃烧性能更好，而且也不属于危险品，降低了在日常运输、储存方面的危险系数。
随着石油供应的减少，世界各国间能源因能源需求而产生的竞争日益激烈。另外，大量的温室气体排放导致的地球气候的改变。这些都已经严重的影响了世界经济的发展以及人类健康的生存问题。生物燃料的诞生，为能源问题与环境问题的解决带来了新的希望。在生物燃料的生产者中，微藻成为了一个非常重要的角色，其具有如下优点：（1）单位产量高（2）不需要占用耕地面积（3）可缓解温室气体问题（4）可利用任何水源进行养殖。
3藻类生物燃料的应用研究
微藻是能够利用光能进行光和作用的微生物，能利用光和作用将生存环
境中的无机物合成有机物，并在藻体内进行储存。一些特殊种类的微藻具有生长速度快，含油量高的特点。据保守估计，含油量高的微藻，每年每公顷可生产30000-50000L油脂，而富油植物如棕榈和麻风树等每年每公顷产量仅为1300-2400L[1]；藻类还具有环境适应力强，生命周期短，生物产量高[2]和不占用农业耕地的特点。
表1 几种原料作物的特点对比
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微藻油脂(Microalgae oils)属于单细胞油脂，其主要组分是甘油和脂肪酸
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，是由微藻在一定的条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作
为碳源，在藻体内合成的，主要作为生物膜组分、代谢物和能量来源.[6]微藻可以将大气中的二氧化碳进行有效固定转化为有机物，并且固定与生产速度都要更快于陆地植物。许多藻株都被证明在实验室生产超过50%生物量的是脂类[7],其中大部分是三酰基甘油类。三酰基甘油类是高能量密度燃料（如生化柴油，绿色柴油，绿色煤油和绿色汽油）的期望原料[8]。
3.1微藻油脂中主要成分的含量及提取工艺
微藻总脂含量（干质量比）从1%到70%不等，在特定条件下可达到90%[9.10],大多数微藻的油脂的组成主要为甘油三酯（≥80%）和C14-C22的长链脂肪酸[11],其中脂肪酸以C16与C18系脂肪酸为主[12]，某些微藻还含有一些特殊的脂类，如次氯硫脂[13]和卤代不饱和脂肪酸[14]。此外，随着新的检测技术的发展，在微藻油脂中还发现一些新的化合物，如长链（C35-C40）烯酮、半乳糖脂和醚脂等[15]。
微藻生产柴油的工艺路线如图一所示。其基本生产过程是，选择适合当地环境条件的产油微藻，进行大量繁殖，利用离心、过滤等方法从培养体系中获得微藻，进而从微藻中提取所需要油脂，并通过酯化或转酯化反应转化
为生物柴油[17]。作为生物燃料整体经济的一部分还必须考虑到副产品。藻类废水处理可以获得大量的副产品，剩余的生物质可以转化为能源（通过燃烧，热解或乙醇发酵）、价值较高的动物饲料，兽医营养保健品等。如果有可能，藻类生物之中的无机营养应该再循环到培养系统中来实现流程最大效率[18]。
表2 常见微藻含油率
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图1微藻生产生物柴油工艺路线
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3.2不同种类碳源营养对微藻油脂合成的影响
碳源是细胞生长所需要的主要营养元素（占藻体干重的45%-50%），从理论上讲每克藻体（干质量）需要吸收1.65-1.83gCO2[20].CO2可以使微藻的油脂含量和组成发生变化。当CO2通量增加到空气通量的1%时，微藻的油脂产量就会增加
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。即使在一天的时间内，CO2的通量由2%增加到10%，也会使
杜湿盐藻脂肪酸总量占细胞干质量的比例增加30%[22]。CO2的浓度增加会导致PUFAs(多不饱和脂肪酸)在真核藻细胞中的含量降低[23]，其原因可能为CO2容易在脂肪中溶解并且吸附作用快[24]，因此细胞膜中脂肪酸连的不饱和程度会由于CO2浓度降低而发生变化[25]。
藻类在培养过程中，可能会受到二氧化碳供应速率的限制，导致培养藻类的生物量积累不高，这是可以考虑适当添加NaHCO3。在王立柱等“产油微藻的分离、筛选及自养培养氮源、碳源的优化”的试验中考察了不同浓度的NaHCO3对微藻生长和油脂积累的影响（图2、3及表3）。由于NaHCO3的加入同时又会改变培养液的酸碱性，这对于微藻的生长也会造成一定的影响，该实验还检测了培养过程中培养液pH的变化趋势（图4）[25]。
图2 NaHCO3浓度对于C. vulgaris比生长速率的影响
图3 不同NaHC03浓度下C. vulgaris的生长曲线 表3 NaHC03浓度对C. vulgaris生长和油脂积累的影响