一種海洋微藻及其應用的製作方法

2024-04-04 08:00:05 1

本發明屬於微藻生物技術領域、能源領域，具體地說是一種從海洋中分離、純化獲得的海洋微藻及其應用。

背景技術：

海洋微藻物種豐富，世界各地報導的種類超過4000種。海洋微藻有著高co2的適應能力，並且在長期的進化過程中形成了主動運輸co2能力，或藉助碳酸酐酶轉化hco3-為co2，或直接吸收hco3-的生理機制。在環境領域，微藻作為可以進行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、適應環境性強等優點。每年由微藻光合作用固定的co2佔全球co2固定量的40％以上，在能量轉化和碳元素循環中起到舉足輕重的作用。在能源領域，微藻作為生物質被看作是一種可再生的能源。微藻有望成為繼糧食作物生物乙醇、纖維素生物乙醇和陸生作物生物柴油之後第3代生物質能源的原材料。有些微藻如小球藻、綠球藻等所產生的油脂通過酯化後可轉變為生物柴油(脂肪酸甲酯等)，藻渣可以綜合利用，生產動物飼料、有機肥料和甲烷等。隨著微藻生物技術產業的迅速發展，越來越多地受到政府、科研機構和企業的高度關注。

近年來，人們發現微藻除用於固碳產油外，某些微藻還具有重要的功能-產電。這是繼微生物產電之後發現的微藻新功能，因其相比微生物來說，不需要大量的有機碳源，只需要利用光能和空氣中的二氧化碳，在光合微生物燃料電池中不需要厭氧等優點，引起了研究者的關注。但目前關於微藻尤其是海洋微藻產電的研究國內幾乎處於空白。

微生物燃料電池技術最初是一種利用細菌在厭氧條件下通過生物質產生電能的新方法。其是藉助微生物的催化作用直接將燃料(如有機酸、糖類等)的化學能轉變成電能的裝置。既可以實現有機廢水的處理，又可以將廢水中的有機質能量轉化成可利用的電能。

隨著微生物燃料電池技術的發展，人們發現光合微生物-微藻，同樣能應用於微生物燃料電池。在光照條件下，接種於微生物燃料電池陽極的微藻通過光合和呼吸作用能為微生物燃料電池提供電子來源，這種電池稱為光合微生物燃料電池。微藻除作為獨立的電子來源之外，還可以和細菌聯合，為細菌提供有機質進行產電，這也成為實現藻類資源化的一種新方法，具有重要的學術價值和應用前景。

目前報導的產電微藻多屬於藍藻門和綠藻門，主要有聚球藻(synechocystissp.)、小球藻(chlorellavulgaris)、萊茵衣藻(chlamydomonasreinhardtii)、螺旋藻(spirulinasp.)、杜氏鹽藻(dunaliellatertiolecta)等，產電活性不一，並且僅有少數報導。同時關於產電微藻，尤其海洋產電微藻的認識還十分欠缺，目前國內尚無相關於海洋產電微藻的報導。

全球能源短缺和環境惡化的加劇使尋找綠色新能源技術成為關注的焦點，利用藻類構建光合微生物燃料電池作為一種新興的可持續發展技術，是當前藻類生物技術研究的一個重要發展方向，具有明顯的應用價值和環保效益。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種從海洋中分離、純化獲得的微藻-海洋卡盾藻(chattonellamarina)及其應用。

為實現上述目的，本發明的採用技術方案為：

一種海洋產電微藻，產電微藻為海洋卡盾藻(chattonellamarina)hdy1，已於2017年3月22日保藏於中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，地址：中國，北京，中國科學院微生物研究所，郵編：100101，保藏中心登記入冊編號為：cgmccno.13867，分類學命名為海洋卡盾藻(chattonellamarina)。

一種海洋產電微藻的應用，所述海洋卡盾藻在電化學活性鑑定方法中的應用。

所述海洋卡盾藻在海水藻類培養基中，光照條件下釋放電子，在微生物燃料電池中通過電子傳遞實現在電化學中的應用。

所述微生物燃料電池為離子交換膜間隔的雙室微生物燃料電池或單室微生物燃料電池。

所述海洋卡盾藻(chattonellamarina)hdy1在海水藻類培養基中培養至對數生長期後接種至微生物燃料電池的陽極室，在光照條件下使海洋卡盾藻釋放電子，通過電子傳遞實現在電化學中的應用。

進一步的說，

a)在無菌條件下，將所述海洋卡盾藻(chattonellamarina)hdy1接種於f/2培養液中，54μmolquanta/(m2.s)光照，12：12h光暗比，22±1℃光照培養箱中培養至對數生長期備用；

b)將上述培養至對數期的微藻培養液接種於光合微生物燃料電池的陽極室，陰極室溶液為k3fe(cn)6，利用磷酸緩衝液ph7.8的比例配製；

c)將光合微生物燃料電池陰陽兩極連接，並外接電阻，於54μmolquanta/(m2.s)光照，12：12h光暗比，22±1℃左右培養條件下，實現電能的產生。利用監測電壓的數據採集系統，實時監測微藻產電。

d)另外採用循環伏安法，利用電化學工作站檢測藻在雙室微生物燃料電池中的氧化還原特性，探討其產電機理。

所述海洋卡盾藻(chattonellamarina)分離自煙臺月亮灣海域，經毛細管法和24孔板法分離，抗生素法純化得到。該藻屬於著色鞭毛藻門，針胞藻綱，針胞藻目，卡盾藻屬，單細胞，黃褐色，長約100μm，寬約50μm，胞內色素體多數，橢圓形至卵形。細胞裸露無壁，能在f/2藻類培養液中生長，在固體培養基中細胞易破裂，故不宜採用固體平板培養。本發明所具有的優點：

本發明藻體單細胞，黃褐色，無壁能運動，易於培養，具有獨特的胞外電子傳遞途徑，能在通用f/2藻類培養液中生長，釋放電子，在光合微生物燃料電池中傳遞給陽極，實現電能的產生；利用光合微生物燃料電池技術檢測，發現其具有明顯的產電活性，在藻類生物資源技術領域具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的海洋卡盾藻(chattonellamarina)的細胞形態光學顯微鏡圖片。

圖2為本發明實施例提供的海洋卡盾藻(chattonellamarina))在單室光合微生物燃料電池中的產電活性圖。

圖3為本發明實施例提供的海洋卡盾藻(chattonellamarina)在雙室光合微生物燃料電池中的產電活性圖。

圖4為本發明實施例提供的海洋卡盾藻(chattonellamarina)在雙室光合微生物燃料電池中產電的循環伏安曲線圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，對本發明的技術方案做進一步描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1

藻株海洋卡盾藻(chattonellamarina)的分離、純化

1)分離、篩選

在煙臺月亮灣海域，利用25#浮遊植物網富集藻類樣品後帶回實驗室。光學顯微鏡下，利用毛細管法挑選海洋卡盾藻，接入預先加入2ml滅菌f/2培養液的無菌24孔板中，22±1℃光照培養箱中培養，光暗比12h：12h，光照強度54μmolquanta/(m2.s)左右。培養15天左右，顯微鏡下觀察，重複利用毛細管法挑選單株海洋卡盾藻接入24孔板中，或對孔中的藻類培養液逐級進行10×梯度稀釋，經15天左右培養後發現孔中僅有海洋卡盾藻為止，獲得海洋卡盾藻單藻株。

2)藻株海洋卡盾藻(chattonellamarina)的無菌純化

向上述培養至對數生長期的海洋卡盾藻(chattonellamarina)的培養液中分別依次加入300mg/l青黴素，100mg/l鏈黴素和100mg/l慶大黴素，在光照培養箱中處理36h，獲得無菌藻株，全部操作在無菌條件下進行。將獲得的藻株連續接種5代以上培養至對數生長期，海洋卡盾藻(chattonellamarina)密度約為1×105cells/ml左右，備用(圖1)。

3)所述海洋卡盾藻(chattonellamarina)已於2017年3月22日保藏於中國科學院微生物菌種保藏中心，地址：中國，北京，中國科學院微生物研究所，郵編：100101，保藏編號為：cgmccno.13867，分類學命名為海洋卡盾藻(chattonellamarina)。

所述海洋卡盾藻(chattonellamarina)屬於著色鞭毛藻門，針胞藻綱，針胞藻目，卡盾藻屬，單細胞，黃褐色，長約100μm，寬約50μm，胞內色素體多數，橢圓形至卵形。細胞裸露無壁，能在f/2藻類培養液中生長，在固體培養基中細胞易破裂，故不宜採用固體平板培養。

實施例2

利用單室微生物燃料電池檢測海洋卡盾藻(chattonellamarina)的產電活性

如實施例1中所述，將培養至對數生長期的海洋卡盾藻(chattonellamarina)接種於單室微生物燃料電池，放置於54μmolquanta/(m2.s)光照，22±1℃左右條件下進行產電測試。測試方法：單室微生物燃料電池，接種藻培養液總體積30ml，對照組接入無藻滅菌培養液，陽極為石墨電極，電極尺寸12mm×12mm×3mm，陰極為空氣陰極，兩極連接鈦絲，外接1000ω電阻，利用數據採集系統(model2700,keithleyinstruments,usa)採集電壓信號，excellinx軟體記錄每分鐘的輸出電壓，根據歐姆定律計算電流密度[c＝u/(rs),c(ma/m2)為電流密度，其中u為輸出電壓(mv)，r是外電阻(ω)，s是陽極石墨電極表面積(m2)](參見圖2)。如圖2所示，海洋卡盾藻(chattonellamarina)具有明顯的產電活性，其產電的最高值能達到43.41ma/m2。

實施例3

利用雙室微生物燃料電池檢測海洋卡盾藻(chattonellamarina)的產電活性

如實施例1中所述，將培養至對數生長期的海洋卡盾藻(chattonellamarina)接種於雙室微生物燃料電池的陽極室，放置於54μmolquanta/(m2.s)光照，22±1℃左右條件下進行產電測試。測試方法：雙室微生物燃料電池陽極室接種藻培養液總體積100ml，對照組接入無藻滅菌培養液，陰陽兩極均為石墨電極，電極尺寸30mm×25mm×3mm，陰極溶液為50mmol/l的k3fe(cn)6，利用0.1mol/l的na2hpo4和nah2po4緩衝液按照ph7.8的比例配製，兩極連接鈦絲，外接1000ω電阻，利用數據採集系統(model2700,keithleyinstruments,usa)採集電壓信號，如實施例2中所示，計算電流密度(參見圖3)。如圖3所示，海洋卡盾藻(chattonellamarina)具有明顯的產電活性，並且這種電活性具有藻類產電的明顯光暗效應特徵。

實施例4

如實施例1中所述，將培養至對數生長期的海洋卡盾藻(chattonellamarina)接種於雙室微生物燃料電池的陽極室，放置於54μmolquanta/(m2.s)光照，22±1℃左右條件下進行產電測試，同時以向雙室微生物燃料電池的陽極室中接入滅菌培養液作為對照組。測試方法：循環伏安法(cv曲線)。如實施例3所述，待雙室微生物燃料電池穩定運行後，開路狀態下加入參比電極(ag/agcl)，以陽極為工作電極，陰極為對電極，構建三電極體系。用660e電化學工作站(上海辰華)以50mv/s的掃描速度在0～0.8v的範圍內進行掃描分析(參見圖4)。結果如圖4所示，海洋卡盾藻(chattonellamarina)具有明顯的產電活性，圖中沒有顯示明顯的氧化還原峰，說明海洋卡盾藻(chattonellamarina)可能通過直接接觸的方式傳遞電子。