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红灯和氮消耗刺激油脂的合成和N-Alkadienes容易被用作生物燃料在Botryococcus braunii UTEX 2441(比赛)

*通信:

罗莎·奥利维亚Canizares-VillanuevaLaboratorio de Biotecnologia de Microalgas Departamento de Biotecnologia y Bioingenieria Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del Instituto Politecnico Nacional Av, IPN 2508年,圣佩德罗Zacatenco C.P. 07360年Cd. de墨西哥
电话:+ 52 (55)5747 3800;电子邮件:rcanizar@cinvestav.mx

文摘

四种光的影响,蓝色,绿色,白色和红色,以及培养时间对文化发展进行评估,细胞内脂质和碳氢化合物的生产Botryococcus braunii UTEX 2441。这是发现microalga使用更有效率低能源光子激发其细胞增长,期间缺氮,红光强烈影响microalga合成大量的脂质和碳氢化合物。与白光(控制)相比,红光比生长速率显著增加,生物质生产力、光合效率、氮的消耗速率和脂质积累和碳氢化合物。在实验结束时,脂质和碳氢化合物的浓度分别为27%和25%,分别由干重量;96%的碳氢化合物的混合物产生n-alkadienes C29H56 C31H60。结果提供信息的综合效应的波长和氮消耗细胞内的脂质和碳氢化合物的含量,生产的数量,表明波长和孵化时间变量可以用来管理这个藻类生物技术产品的新陈代谢。

关键字

Botryococcus braunii;光的类型;脂质;碳氢化合物;n-Alkadienes;氮的消耗

介绍

光波长激发microalgal增长和生产率1- - - - - -3因为光吸收取决于细胞光合色素捕获光子电磁波谱的特定区域;这个吸收调节细胞过程,影响光合作用的成分的产品(4,5]。

在自养文化中,光的数量和质量的提高产量至关重要生物质并通过这些生物代谢物合成。光的能源促进公司的光化学反应₂固定,其最终转化为产品的工业利益。目前,基于发光二极管(led)技术,并提供非常重要低成本可以使用光自养培养实验室规模。为此目的而使用led灯感兴趣因为他们)低能源消耗和排放的可能性在电磁波谱的狭窄范围比普通灯泡。最后提供光特性非常重要,可以有效地利用自养生物体(光合活性光)加强光化学反应和有限公司₂固定。领导技术允许高生物质产量、增加的增长速度,被认为是一种经济有效的来源能源为不断增长的微藻生物燃料生产(6]。

有三个种族的Botryococcus braunii称,他们被碳氢化合物合成的类型。比赛一个最好是综合n二烯烃和三烯碳氢化合物奇怪的C₂₃- c₃₃链。种族与C B合成三萜烃_30.- c₃₇链称为botryococcenes和C₃₄甲基化碳氢化合物被称为角鲨烯是适合生产液体生物燃料(7),如柴油、航空燃料和汽油(8]。种族L综合licopadiene,单个tetraterpenoid碳氢化合物(9]。

的三个b . braunii比赛,Botryococcus brauniiUTEX 2441(种族)没有显示合成高百分比的脂质和碳氢化合物。出于这个原因,本研究的目的是评估波长和培养时间的影响Botryococcus brauniiUTEX 2441增长率和脂质和碳氢化合物的生产。

材料和方法

微藻培养液和准备

Botryococcus brauniiUTEX 2441来自德克萨斯大学的微生物收集美国。剂是由种植细胞在1 L玻璃瓶平面和850毫升的大胆的基础培养基(BBM) [10]。孵化条件如下:连续照明的强度60μmol m²年代¹由白光荧光灯(德国欧司朗多乐士L日光),22±2°C和泡沫混合0.5 vvm使用过滤大气。孵化后14天,85毫升整除的文化是指数增长继续再播期间收集的;这个过程重复了四次,确保培养液可行性。所有的文化条件标准化之前的实验。

效应的波长比生长速率、氮消费和脂质和碳氢化合物的生产

从第四再播一个85毫升整除收集在指数增长(197毫克L¹干重)的接种下面描述的治疗,也表现在玻璃瓶平坦的表面。每个瓶子的体积和生长介质准备剂使用的一样。细胞是autotrophically batch-cultured在下列条件:22±2°C,泡沫混合0.5 vvm使用过滤大气和连续照明和蓝色(λmax = 460海里),绿色(λmax = 518海里),红(λmax = 634 nm)和白光(λmax = 450 - 563 nm)使用发光二极管(led) 60μmol m²年代¹。在这个研究中,白光是用作控制,相比,结果发现在不同波长的单色光。辐照强度的领导决定使用一种Hansatech QRT1辐射计,并决心使用光谱仪(光谱仪波长光子控制公司。模型SPM002 64 mm焦距和多模光纤1毫米直径)。所有实验进行了一式三份样本收集一周一次来确定消费增长和氮动力学。脂质和烃测定在每个文化中暴露在不同的波长和两次孵化,如下所述。

确定培养时间影响脂质和碳氢化合物的合成

这些实验得出在两个不同的孵化时间由于生物质下面描述的化学分析要求。第一个实验是55天,当记录良好的营养条件下的脂质和碳氢化合物的含量。66年第二天实验得出结论,以实现更大的化合物在所有文化的积累。样本容量为380毫升为每个实验单位在这两种情况下。

增长,比生长速率和生物质生产力

生物量浓度确定使用10毫升样品和方法从Hernandez-Zamora et al。11]。比生长速率的藻类文化是衡量的增加生物质随着时间的推移,它由以下决定

方程:

μ是比生长速率,X₁和X₂,生物质内容在时间t₁(0 d)和t₂(55 d)。生物质生产力决定按照时候et al。6]。

光合作用效率

光合作用效率计算根据Garibay-Hernandez et al。12使用以下公式:

在那里,摩尔的生物量、547.8:精力充沛的内容生物质

C₁:辐射光子的总量(摩尔),E₁:能源每摩尔光子(kJ摩尔¹)。

光合色素量化和氮的消耗

提取光合色素,它是使用程序Hernandez-Zamora et al。11的背影,),一个的背影,b和carotenois浓度测定紫外可见分光光度计(Genesys 10紫外线热电子公司)根据Wellburn方程(13]。氮消费决定用5毫升整除vacuumfiltered使用微孔^®5.0 -μm膜孔径;3-mL滤液的使用和混合0.6毫升的生理盐水(30% w / w), 0.15毫升Brucine-sulfamic酸试剂和3毫升的硫酸(去离子水1:1.25)。样品一直在干浴20分钟95°C。样品在室温下冷却后,残留的氮浓度计算使用标准方法(14]。

提取和量化的总脂质和碳氢化合物

藻生物质被离心分离(10分钟3000 rpm)在室温下在热科学贺利氏Megafuge 8离心机然后冻干和100毫克;总脂含量确定所述阿里亚斯- Penaranda et al。15),总烃含量测定用厄罗古鲁的技巧等。16与100毫克的冻干生物量)。脂质和烃浓度测定用重力测量和细胞千表示为一个百分比。这两个化合物的生产力决定按照Converti et al。17]。

n-Alkadiene分析,识别和量化

n-Alkadienes分析使用火焰离子化检测器的气相色谱仪(GC-FID)(优秀。Mod。AutoSystem)和通过注射2μL整除的每个样本之前悬浮在HPLC-grade己烷。在分析之前,2μL整除的标准参考注射含有even-chain的混合物n-alkadienes (C₂₁- C₄₀)(Sigma-Aldrich #猫。04071年),它允许我们比较标准和样品之间的保留时间。分析条件如下:喷油器温度:260°C,检测器温度:300°C, N₂载气在19.7 psia和CPSIL毛细管柱,直径0.25毫米,30米长。方法:最初的烤箱温度:220°C 4分钟,斜坡在5°C min¹到300°C,保持10分钟,坡道10°C min¹为60分钟330°C和维护。

n-Alkadienes被注射2μL整除从每个样本到气相色谱仪(珀金埃尔默。国防部来说。^®质谱仪(580)耦合的珀金埃尔默。国防部来说。^®平方8 s)。分析条件如下:喷油器温度:250°C,分流比= 20:1;氦载气;溶剂延迟:3分钟;转移温度:220°C;源温度:180°C;和探索:从30到500 Da和30 m×320μm列。方法:最初的烤箱温度:220°C 4分钟,斜坡在5°C min¹到300°C,保持10分钟,坡道10°C min¹330°C和维护了40分钟n-alkadienes被Hirose量化描述等。18使用以下公式:

在那里,H_T:总碳氢化合物(毫克),X_W:生物质用于提取(毫克)

在那里,一个_我:n二烯烃峰面积,_T:色谱面积。

统计分析

结果统计分析,用单向方差分析(方差分析)(p< 0.05)和图基的事后多重比较使用软件Sigma-Plot(版本进行测试。11.0)。

结果

影响光的类型比生长速率,光合效率和生物质生产力

图1显示了的干重变化b . brauniiUTEX 2441文化暴露于不同波长光;数据显示的增长b . brauniiUTEX 2441刺激了四个测试光波长依次为:红>绿>白色>蓝。66天之后,生物质浓度为844毫克¹L 633毫克¹L 433毫克¹L和223毫克¹为红色,白色,蓝色和绿色分别浅色。在红灯下,microalgal增长开始增加7天,这期间维护改善动力学实验。在实验的最后,生物质浓度增加相对于初始浓度为3.2,2.2和1.2倍的红色,白色和蓝色光,分别;绿灯不显著增加生物质浓度(p> 0.05)。与对照组相比,红光导致更高(33%p< 0.05)生物质浓度后66天。

表1显示的值比生长速率(μ),生物质生产力(ν)、光合效率(η)和光合色素比例(排名-一个的背影,:b:为每个浅色车)测试。结束时的动力学实验,μ的最大值,ν和η是获得使用红光与控制;这些参数增加了25%,分别为51%和52% (p< 0.05);对于其他波长测试,获得的价值低于控制。的背影,一个的背影,:b:汽车比维持在大约5.2:2.5:1;这一比率表明,背影一个所有类型的光测试浓度更大。

光类型对氮的影响消费

图2显示了氮的消耗b . braunii在不同的波长UTEX 2441年文化发展。氮消费之间存在直接的关系在不同的波长和microalgal增长(图1。红色和白色的光下,氮的特定消费更大因为浅颜色的比生长速率较高,更快的增长需要更多的氮保持所需的蛋白质合成细胞生长和光合代谢;因此,氮的消耗速率高于获得与其他光颜色测试。在实验中,氮浓度下降速度在文化接触红色和白色的光后21天,55天,氮在这些完全消耗。在55天之前,氮消费率是1.2毫克¹d¹,0.91毫克¹d¹,0.68毫克¹d¹L和0.17毫克¹d¹下,红色,白色,蓝色和绿色的光,分别。在红灯下,氮减少32%相比,更迅速地控制实验(p< 0.05)。

光对细胞内脂质生产类型的影响

图3显示细胞内脂质和生产力在55和66天的孵化。在55天,细胞内脂质含量为12%,9%,8%和7%在红色,白色,蓝色和绿色的光,分别,而生产力是1.8毫克¹d¹,0.9毫克l - 1 d¹,0.6毫克¹d¹L和0.2毫克¹d¹,分别。66天后,细胞内脂质含量为27%,15%,14%和8%,生产率是3.5毫克¹d¹,1.5毫克¹d¹L, 1毫克¹d¹L和0.3毫克¹d¹分别对上述光类型。动力学实验后,观察到细胞内脂质含量增加80%,生产率增长133%红光与控制p< 0.05)。红光,细胞积累59%、72% y 90%的脂质比白色,蓝色和绿色的光。

光类型对碳氢化合物总量和n-alkadiene合成的影响

图4显示的重量百分比总细胞内产生的碳氢化合物b . brauniiUTEX 2441孵化后55和66天。在55天,红色,白色,蓝色和绿色的光,总烃浓度分别为11%、6%、5%和2%和生产力是1.5毫克¹d¹,0.5毫克¹d¹,0.2毫克¹d¹L和0.07毫克¹d¹,分别。在66年的一天,烃浓度分别为25%,10%,8%和3%,和生产力3.1毫克L¹d¹,0.8毫克¹d¹,0.3毫克L - 1 d¹L和0.09毫克¹d¹,分别。后66天,比控制(p< 0.05),红色光总烃浓度增加150%,增加288%的生产力。

图5显示了n-alkadienes形成的b . brauniiUTEX 2441孵化后55和66天。总碳氢化合物合成的,96%是n-alkadienes C的混合物_29日H₅₆和C_31日H₆₀。为红色,白色,蓝色和绿色的光,在55天,C的重量百分数_29日H₅₆是4.3%、1.6%、0.9%和0.9%的生产力0.6,0.1,0.06和0.03毫克L¹d¹分别为(图5一个)。在同一时间点,C的重量百分数_31日H₆₀6.1%,3.4%,2.4%和0.9%的生产力0.9毫克L¹d¹,0.4毫克¹d¹,0.2毫克¹d¹L和0.04毫克¹d¹分别为(图5 b)。在66年的一天,当上述光类型被使用,C_29日H₅₆重量百分比分别为9.9%,1.9%,1.1%和1%的生产力1.3毫克L¹d¹,0.2毫克¹d¹,0.07毫克¹d¹L和0.04毫克¹d¹(图5一个)。在同一时间点,C_31日H₆₀重量百分比分别为14.3%,6%,3.8%和1.7%的生产力1.8毫克L¹d¹,0.6毫克¹d¹,0.3毫克¹d¹L和0.07毫克¹d¹(图5 b),分别。与控制(p< 0.05),在红灯的实验中,C的重量百分比_29日H₅₆和C_31日H₆₀增加了4.2和1.4倍,分别和生产力增加5.5 - 2倍。在目前的研究中,96%的总碳氢化合物合成文化接触到红灯n-alkadienes C的混合物_29日H₅₆和C_31日H₆₀高于34%的报道,被其他作者(18]。

讨论

不同的光的颜色对的数量产生影响生物质获得b . brauniiUTEX 2441保持在一个恒定的光子通量密度(图1)。知道自养红灯下更有利于光合作用的过程中,绿色颜料优先吸收红光,而其他颜色部分的光吸收,然而,似乎不同Botryococcus braunii比赛可以表现出不同的增长取决于光的质量。不同的种族,他们可能会增加一些增长红灯(Sakamoto)而其他更好的生长与蓝光6]。在这个工作中,单色红光如光最能刺激经济增长,生物质生产力和光合效率b . brauniiUTEX 2441 (表1)。这些差异可以归因于他们实现合成的光合色素含量在文化时期,由于光合色素(叶绿素和类胡萝卜素)负责光的吸收,用来进行光合作用的过程19),当光线变化增长的质量,影响色素的组成(20.]。在我们的研究中,叶绿素是最丰富的色素b . brauniiUTEX 2441 (表1),其光谱范围从580到700纳米。叶绿素一个是一个光色素和绿藻的核心反应中心色素(21,22]。叶绿素a艾滋病在有效的吸收光谱在这个地区的光子产生的化学能源(NADH和ATP)有限公司使用₂在光合作用中捕获(23]。上述可能导致经济增长和提高生物质生产率b . braunii2441 UTEX红灯。

表1。光的影响类型µ,ν,η值和背影一个的背影,:b:汽车比例。不同字母表示显著差异分析参数(图基的测试)。(*)表示显著增加的控制。

中给出的结果图2表明文化暴露在红色和白色的光精疲力竭的氮培养基更快,这在回应一个更加速增长的microalga要求更多的营养维持其光合代谢,而在文化接触蓝色和绿色的光,同样的效果并没有观察到。在文化接触红色和白色的光有一段氮消耗11天(55 - 66天),在这段时间细胞积累了大量的脂质和碳氢化合物超过这个值之前报道microalga [16,24]。这种现象会导致营养不良,可能激活的酶参与脂类的生物合成。在微藻,培养基中的氮消耗刺激油脂的合成,由于氮限制生长速度和蛋白质合成减少,并增加脂肪和脂肪酸生物合成,促进细胞内脂质积累(7,25,26,19]。先前的研究旨在增加细胞内脂质含量b . braunii表明这个microalga UTEX 2441低脂质积累的百分比(少于20%干重)16),在这一点上,管理相关变量的氮气消耗增长和波长可以改善这些交互microalga脂质积累的当前水平。

图3显示脂质和生产力在不同波长下的内容b . brauniiUTEX 2441。在11天的增长与营养缺乏,文化接触红色和白色的光胞内脂质积累的数量等于积累量在第一次55天;这个结果是由更高比例的提取,而在文化接触蓝色和绿色的光,同样的效果并没有观察到。尽管氮耗尽大约同一时间在文化接触红色和白色的光,红灯,b . braunii脂质积累超过2441控制和所有其他颜色测试p< 0.01)。在文化接触红脂质积累获得的百分比高于先前报道(16,24]。的低脂质积累在蓝色和绿色的光自文化没有完全耗尽的氮介质,这条件不允许产生的损耗的氮会引发脂质诱导机制。

没有信息在脂质合成波长的影响,然而,在红光脂质积累的增加可能是由于规定参与脂质合成的酶介导的波长,主要是二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(二磷酸核酮糖羧化酶)和碳酸酐酶酶,调节中发挥基础性作用的碳循环和脂质合成3,21,27]。红灯和氮损耗影响光合作用的装置Botryococcus brauniiUTEX 2441能够合成脂类化合物,这些[的生产过剩20.]。

在Botryococcus brauniiUTEX 2441烃合成法是最好刺激文化暴露在红灯期间天培养的营养缺乏症。这是高于先前报道(16,24]。在氮饥饿条件下,微藻等b . braunii,一些生物合成途径的激活机制触发等次生代谢物的合成碳氢化合物,这些通路的激活,增加细胞内碳氢化合物的浓度和非极性脂质(27,28]。

本研究的结果表明,检测波长,最丰富的n-alkadienes C_29日H₅₆和C_31日H₆₀(图5)。同样的效果观察总碳氢化合物存在的影响下n-alkadienes红灯。在天的培养在养分缺乏,b . braunii在红灯n-alkadienes增加内容。这可能是一种机制的结果microalga应对培养基中营养缺乏和单色光增长刺激时,由于单色光在藻类中起着基础性作用在细胞过程的规定2,3),影响光合作用的产物的化学成分(4,5),最终这个变量可以用来增加n-alcadiene生产。

在微藻,浅色会影响特定化合物的生物合成(4,29日]。浅色也被证明有细胞转录和转录后水平的影响。这种调节基因的表达参与了豆类植物的叶绿体蛋白质合成(30.]。此外,它已被证明低在电子流强度单色光引起的变化传递链或质体醌的氧化还原状态,从而影响基因编码的叶绿体蛋白的表达(31日]。我们的研究结果表明,红光优先刺激C的合成_29日H₅₆和C_31日H₆₀n-alkadienes在b . brauniiUTEX 2441。n-alkadienes合成的b . brauniiUTEX 2441的主题研究的特点是用作生物燃料的来源(24),汽油和柴油等一系列化合物(8)可以获得有可能替代化石燃料。

结论

波长以及氮的消耗引起的脂质和碳氢化合物积累比之前的报告上级b . brauniiUTEX 2441。不同波长影响合成碳氢化合物的组成,这表明波长以及培养时间变量可以用来管理的新陈代谢在藻类生物技术产品。

确认

作者感谢Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados Politecnico Nacional del网页的支持开发这个调查。Acuapan-Hernandez j .收到Consejo研究生奖学金Nacional de Ciencia y Tecnologia(批准号74757)他的博士研究。

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