LED光質影響微藻生長和代謝產物積累的研究進展

孫建瑞,姚琳琳,李菁嵐,尤芳芳,原江鋒,王大紅*

1(河南科技大學 食品與生物工程學院 河南省食品微生物工程技術研究中心,河南 洛陽,471000) 2(洛陽海關,河南 洛陽,471000)

過去幾十年,不可再生化石燃料的過度消費造成了環境污染、全球變暖和氣候變化。因此,目前需要通過生物途徑獲取可再生替代能源(生物燃料),以降低化石燃料的消耗[1]。而微藻具有光合效率高、生長速度快、容易實現大規模培養、生長不受季節和氣候的限制等優點,同時微藻資源豐富,油脂含量高,以微藻作為生物柴油生產的潛在新原料,具有很好的應用前景。此外,微藻還能產生蛋白質、活性多糖、氨基酸、色素、維生素和礦物質等高價值生物活性化合物,它們在許多工業,如食品、保健品、畜牧業、水產飼料和化妝品等領域都有廣泛應用。根據最新分析,預計2022年,全球微藻市場將達到33.18億美元,主要來源于制藥和營養品行業需求的驅動[2]。

微藻種類繁多,其細胞組成和生長速度各異,而且微藻的生長速度與其代謝產物的積累卻是不同步的。因此,為了從工程策略上促進各種高價值代謝產物的積累,就需要引入適當的環境壓力,其中溫度、pH、光照、各種營養物濃度以及鹽度等環境因素[3]均被認為是影響微藻代謝產物積累的主要因素。光照會影響微藻的生長發育、光合作用、細胞形態和代謝產物的合成等,它主要從光質、光強度和光周期等幾個方面影響藻類的生長。因為光強度和光周期更容易進行調節,光照對微藻生理代謝影響的研究主要集中在光強和光周期,而光質對微藻生長及代謝產物積累影響的研究較少。

盡管太陽光是微藻生產最具成本效益的能源,但當生物質被用于生產高價值產品時,如食品、添加劑或營養藥品等(如類胡蘿卜素和多不飽和脂肪酸),人工光源在經濟上仍然是可行的。人工光還可以更好地調節微藻生產中的光子通量密度、光周期和光譜,這可以提高其生物量的產率和質量[4]。微藻研究和生產中的人工光源通常采用熒光燈,其具有較寬的發射光譜[4];也可以使用發光二極管(light emitting diode,LED)。LED是長時間(±50 000 h)、無汞和快速響應(納秒級)的人工光源,通過固態電子技術在各種波長下發射單色光[5]。與其他人工光源相比, LED具有較長的使用壽命周期、較低的發熱量和較高的轉換效率。由于其窄光譜發射,將微藻暴露于LED可導致最大的光吸收和較高的生物質轉換效率,以及微藻生物質組成的控制。許多研究發現,對于不同的微藻物種,存在支持高生產率和有利成分的最佳波長[6-7]。本文對現有文獻進行整理,重點綜述了LED不同光質對微藻生長及代謝產物積累的影響及LED光質影響微藻代謝產物積累的分子機制,并對LED光質在微藻生產中的發展趨勢進行了展望,以期為微藻大規模生產高值化代謝產物提供理論依據。

1 光質對微藻生物量的影響

微藻的生物量是培養優化時優先考慮的重要因素,這是因為任何微藻產品,如脂質、碳水化合物和蛋白質等,都由生物量決定。微藻可吸收利用的主要是可見光譜,根據波長分為紫光(380～450 nm)、藍光(450～485 nm)、青光(485～500 nm)、綠光(500～565 nm)、黃光(565～590 nm)、橙光(590～625 nm)和紅光(625～740 nm)[8]。表1列出了LED不同光質下各種微藻的生物量。

據報道,LED紅光可以加速細胞生長[9],這是因為紅光可以提供葉綠素a或葉綠素b所需的能量,以促進電子通量并進一步刺激光收集天線復合體[10];此外,紅光可以增強微藻光系統Ⅱ,而藍光可以改善微藻光系統I[11]。根據DE DOOIJ等[12]的報道,藍光在光合生物的發育中起著關鍵作用,它可以激活對大規模培養穩定性至關重要的代謝調節機制;用黃光和藍光培養的萊茵衣藻顯示出更好的生產力和光系統Ⅱ功能[12];在強光下生長時,藍光也可以激活三角褐指藻的光保護[13]。在一些研究中,發現LED紅藍混合光(紅光和藍光按比例同時照射,以下用紅藍光表示,其他混合光類似)的性能優于單色光[14]。具體見表1。

微藻能利用葉綠素及藻膽色素、類胡蘿卜素等其他光合輔助色素進行光能的吸收及捕獲,不同的微藻有各自的光合色素及補光色素復合物,其吸收光譜存在較大差異,所以不同微藻可吸收利用的光譜范圍是不相同的;而所有微藻都含有葉綠素a,紅光和藍光是有效支持光合作用的主要波長。

2 光質對微藻代謝產物積累的影響

2.1 脂質

脂質是微藻中除蛋白質和碳水化合物外的主要成分。然而,脂質的增加往往與蛋白質、碳水化合物或兩者的減少有關。一些微藻會產生更多的脂質來應對環境壓力,這是因為脂質有助于微藻細胞的結構維持和恢復。光照、溫度、二氧化碳、營養饑餓、鹽脅迫和金屬脅迫等策略都可以用來提高微藻的脂質生產力。在眾多因素中,波長可能是最重要的參數,因為光譜可以影響微藻的細胞組成。許多研究者使用LED照明作為微藻生產脂質的關鍵工具,這是因為LED的波長具有特定的光譜,可以刺激微藻細胞分子組成的改變,從而有選擇地增強脂質生產所需的生化成分[53]。

表1 LED不同光質對微藻生物量的影響Table 1 Effects of LED different light quality on microalgae biomass

LED藍光常用來提高微藻中的脂質產量,這是因為LED藍光影響了微藻的酶(二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶)的活性,引發了甘油三酯的更高積累[38]。有報道稱藍光可以促進氮代謝,激活脂質積累酶。乙酰輔酶a和NADPH是脂質生物合成過程中必不可少的2個成分,已知是由ATP檸檬酸裂解酶(ATP citrate lyase,ACL)、蘋果酸酶(malic enzyme,ME)和脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)協同作用產生的[54]。這3種物質(ACL、ME、FAS)在藍光下比較活躍。然而,對于一些微藻物種來說,將整個培養過程暴露于單色藍光下往往會導致較低的生物量,盡管干重中脂質含量較高。具體見表2。

2.2 蛋白質

微藻蛋白質含量也與光照質量有關。據報道,藍光對大豆等陸生植物的蛋白質合成有促進作用。對于藻類,也有報道LED藍光能促進Dunaliellasalina[25-26,57]、Arthrospiraplatensis[19,32]、Chlamydomonasreinhardtii[58]]等蛋白質含量的增加。在某些情況下,LED紅光和其他光也有利于蛋白質合成,如Arthrospiraplatensis[15]、Porphyridiumcruentum[22]、Ulvalactuca[30]。也有研究表明,混合光比單色光更有利于Chlorellasp.蛋白質的積累,特別是紅藍光[7]。盡管最佳光照質量會因微藻品種和光照強度而異,但在大多數情況下藍光被證明是最佳的,如表3所示。處于指數階段且生長速度快的藻類通常具有高蛋白質含量和低碳水化合物含量的特點。據報道,蛋白質含量在前5個細胞周期內逐漸增加[59];在后期穩定階段,營養缺乏會抑制蛋白質合成[60],它可能導致蛋白質合成轉向碳水化合物或脂質合成以積累能量。

表3 LED不同光質對微藻蛋白質積累的影響Table 3 Effects of LED different light quality on protein accumulation in microalgae

2.3 碳水化合物

眾所周知,紅光作為光合作用的反饋調節,可以刺激碳水化合物的合成和積累,但這種影響也取決于物種。據報道,LED紅光能促進很多微藻碳水化合物的合成和積累,如Chlorellasp.[7,47]、Chlorellasorokiniana[43]、Chlamydomonassp.[52];但在某些情況下,LED藍光和其他光也有利于碳水化合物的合成,如Arthrospiraplatensis[15]、Rhodomonassp.[23]、Dunaliellasalina[25]。也有研究表明,混合光比單色光更有利于微藻碳水化合物的積累,如紅藍光、紅橙光[7,58]。大多數情況下,白光不利于微藻積累大分子有機物,合成有機物與分解有機物的生化過程均比較活躍。這可能是因為白色LED光源中包含了紅藍綠光,白光表現出紅藍綠光質的混合效應。盡管不同微藻的最佳光照質量有差異,但大多數情況下紅光最有利于碳水化合物的合成和積累,如表4所示。

表4 LED不同光質對微藻碳水化合物積累的影響Table 4 Effects of LED different light quality on carbohydrate accumulation in microalgae

2.4 類胡蘿卜素

微藻在光脅迫下會生產過量的類胡蘿卜素,有時與光質有關,例如LED紅光[31]。β-胡蘿卜素和葉黃素等類胡蘿卜素在光系統Ⅱ中起著核心作用,它們能收集藍光并將能量傳遞給光系統反應中心,同時保護光合系統免受活性氧引起的光氧化損傷[31]。很多研究表明,微藻類胡蘿卜素的產生強烈地受到光源的影響,特別是在指數早期和穩定期。

如表5所示,在所有單色光中,LED紅光似乎在微藻類胡蘿卜素的生產中起著主要作用,如Phaeodactylumtricornutum[56]、Tetradesmussp.[27]、Ulvalactuca[30]、Dunaliellasalina[41]等,這主要是由于誘導類胡蘿卜素的產生與光敏色素的激活和反應有關。也有報道稱,LED藍光能促進Gracilarialemaneiformis[30]、Eustigmatoscf.polyphem[37]、Haematococcuspluvialis[42]等微藻類胡蘿卜素的積累。也有研究表明,混合光特別是紅藍光下,Scenedesmusobliquus[6]、Chlorellasp.[7]、Chlorellapyrenoidsa[50]等微藻類胡蘿卜素的產量更高,這可能與β-胡蘿卜素在PS Ⅱ中的作用、藍光的捕獲以及光合系統的保護有關。

一些研究表明,藍光特別能誘導Haematococcuspluvialis積累蝦青素[61];而另一些研究表明,紅光更有利于微藻葉黃素的生成。然而,針對Dunaliellasalina的研究表明,紅藍光下β-胡蘿卜素和葉黃素的積累增加[62]。這種現象的可能解釋是,微藻與植物的相似,它們具有不同的感光體/結構域,一些受藍光調節,另一些受紅光調節,而藍光信號傳導可能與紅光信號傳導不同。

表5 LED不同光質對微藻類胡蘿卜素積累的影響Table 5 Effects of LED different light quality on carotenoid accumulation in microalgae

3 光質影響微藻代謝產物積累的分子機制

目前,有關光質影響微藻代謝產物積累的分子機制方面的研究較少,其分子機制尚不清晰。有研究發現,紅光下Chlorellasorokiniana固定CO2的碳酸酐酶的基因表達量升高,合成脂肪酸的乙酰輔酶A羧化酶和脂肪酸合成酶的基因表達量也升高;同時,參與TCA循環的丙酮酸羧化酶和磷酸戊糖途徑的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的基因表達量降低,即紅光下C.sorokiniana合成碳水化合物和脂質等能量物質要更活躍且C.分解碳水化合物的過程變緩[43],從而導致碳水化合物和脂質的積累。對于Isochrysisgalbana,藍光會抑制脂肪酸的積累,轉錄組分析發現脂肪酸去飽和酶可能是影響藍光下I.galbana合成脂肪酸的關鍵酶[63]。也有研究表明,藍光會影響微藻中二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶的活性,促進甘油三酯的積累[48]。綜上,不同光質下微藻積累碳水化合物、脂質的響應機制是不同的,而且不同的藻種其響應機制也有差別,可能主要是通過調控碳水化合物、脂質代謝通路中關鍵酶的表達量來調節其積累。

李元翔[64]研究發現,紅光和藍光條件下Dunaliellasalina類胡蘿卜素的含量都有所升高,是因為編碼光感受器隱花色素基因和類胡蘿卜素生物合成相關基因PSY、LCY在紅光和藍光條件下都表達上調;而且藍光下活性氧清除酶相關基因表達也上調,能保護藻細胞免受氧化脅迫損傷。蔡學花[65]研究發現,藍光可以促進Dunaliellasalinaβ-胡蘿卜素的積累,藍光使psbS及外周天線蛋白Lhca3、Lhcb1、Lhcb2等表達下調,這種影響可能是通過提高光能捕獲效率或者調控不同的光合放氧相關蛋白的表達變化,從而影響杜氏鹽藻的光合作用(圖1)。對于Isochrysisgalbana,藍光下類胡蘿卜素代謝途徑中的PDS、Z-ISO、ZDS、LCYB、ZEP等基因表達下調,抑制巖藻黃素的積累[63]。綜上,不同藻種及相同藻種不同光質下對類胡蘿卜素積累的響應機制是不同,可能主要是通過調控類胡蘿卜素生物合成途徑中關鍵酶及光合放氧相關蛋白的表達量來調控其積累(圖1)。

圖1 微藻中類胡蘿卜素的生物合成途徑Fig.1 Biosynthetic pathways of carotenoids in microalgae注:OAA:草酰乙酸;malic acid:蘋果酸;pyruvic acid:丙酮酸;IPP:異戊二烯焦磷酸;GPP:牻牛兒基二磷酸;GGPP:牻?；鶢脚；沽姿?PSY:八氫 番茄紅素合酶;phytoene:八氫番茄紅素;PDS:八氫番茄紅素脫氫酶;phytofluene:六氫番茄紅素;ζ-carotene:ζ-胡蘿卜素;ZDS:ζ-胡蘿卜素脫氫酶; neurosporene:鏈孢紅素;lycopene:番茄紅素;LCY-B:番茄紅素β-環化酶;LCY-E:番茄紅素化酶;γ-carotene:γ-胡蘿卜素;β-carotene:β-胡蘿卜素; BHY:胡蘿卜素β-環羥化酶;β-cryptoxanthin:β-玉米黃質;zeinoxanthin:玉米黃素;ZEP:玉米黃質環化酶;antheraxanthin:環氧玉米黃質; violaxanthin:紫黃質;neoxanthin:新黃質;NXS:新黃質合成酶;δ-carotene:δ-胡蘿卜素;α-carotene:α-胡蘿卜素;EHY:胡蘿卜素ε-環羥化酶; α-cryptoxanthin:α-玉米黃質;lutein:葉黃素。

4 結論與展望

光是微藻自養生長的先決條件,而光質可以作為調節微藻生長、新陳代謝變化以及高價值代謝產物積累的有效工具。微藻研究和生產中使用的人工光源已經越來越多地采用具有很多優點的LED,LED可以使用特殊的光譜成分改變微藻細胞的代謝過程以及細胞代謝產物的組成。目前,已經有很多采用LED光質調控微藻生長及代謝產物積累的研究,使用的單色光有LED紅光、藍光、綠光、黃光和橙光,其中以紅光和藍光對不同類群微藻生物量和代謝產物積累的提升最為顯著;也有研究LED混合光對微藻生長及代謝產物積累的影響,其中紅藍光往往比單色光更能增加不同類群微藻生物量和代謝產物的積累。

目前,已經有越來越多的研究者和企業關注LED光質調控在微藻生產中的優勢。而且,采用LED光質調控Haematococcuspluvialis高效生產蝦青素和Odontellaaurita高效生產巖藻黃素已經分別實現中試生產[36]。盡管LED光質在微藻培養中具有廣闊的應用前景,但在實際生產中,這種培養技術仍然面臨著生產成本較高的挑戰。此外,微藻的光合作用,生長,脂質、類胡蘿卜素、蛋白質、碳水化合物等代謝產物積累的最佳光質在不同類群和同一物種的不同藻株中均有所不同。

考慮到上述情況及該領域的現有發展,為了更加高效地利用光質調控技術促進微藻高價值代謝產物的大規模生產,結合現有文獻報道,筆者認為今后LED光質在微藻生產中的應用應該在以下4個方向重點發展:a)采用轉錄組學、代謝組學等多組學技術解析不同光質影響微藻代謝產物積累的分子機制,為開發生產高價值代謝產物的菌株提供理論依據;b)采用新型光電材料開發新型高效LED光源,以降低熱損耗,提高電能向光能、光能向生物質轉化的效率,實現微藻的經濟、高效生產;c)根據微藻在不同生長階段及代謝產物積累對光質的不同需求,開發基于LED光質調節的高效光生物反應器,以促進微藻的生長及代謝產物積累;d)利用LED光質調控技術,實現微藻可持續的大規模培養,以提高微藻生物量和高價值代謝產物的產量。