题目：BLSS中微藻的培养及其功能特性研究

我国航天事业起步于20世纪五六十年代，经过半个世纪的发展，已经取得了卓越的成就。从“神舟一号”至“神舟四号”的无人飞船到“神舟五号”至“神舟八号”的载人航天飞行，标志着我国的航天器环境控制与生命保障技术逐渐成熟。但是目前生命保障技术主要采用的是非再生式生命保障技术和一部分物理化学再生式生命保障技术，而对于生物再生式生命保障技术（Bioregenerative Life Support System，BLSS）的研究极少。对于未来的远距离、多乘员的空间飞行以及建立月球/火星基地来说，人类的生活消耗品采用物理化学再生式生命保障系统已经不能解决根本问题。因此，生物再生式生命保障系统是实现中长期载人空间飞行必须解决的关键技术。微藻作为一种单细胞藻类，种类繁多，分布广泛，并且具有叶绿体等光合器官，在BLSS中可以起到再生空气、水以及提供单细胞食物蛋白等作用，因此作为BLSS中最早被引进的物种世界各航天大国都对其进行了研究。本论文在前人研究的基础上，首次提出在BLSS中培养高油脂含量微藻生产生物柴油作为航天动力补充这一研究命题，同时对在生物再生式生命保障系统中培养微藻实现BLSS系统中的气体控制及单细胞食物蛋白供给的功能特性进行了一系列的地面模拟实验研究。研究主要从以下几个方面展开：通过分析极大螺旋藻（Spirulina maxima）、钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、小球藻（Chlorella）、菱形藻（Nitzschia）、念珠藻（Nostocales）以及球等鞭金藻（Isochrysis galbana）等六种微藻的蛋白质及油脂含量，筛选出目标微藻，优化目标微藻的培养条件；对目标微藻进行重离子诱变，筛选生长速度快、油脂含量高的突变株，提高微藻的油脂含量；设计柱式光藻反应器，优化反应器运行参数与恒化培养条件。研究恒化培养反应器中微藻产生O2、固定CO2的特性，结合宇航员的呼吸速率，建立微藻产气模型，并对微藻培养单位体积的蛋白与生物柴油的产量进行分析计算。主要的研究结果如下：1．对极大螺旋藻、钝顶螺旋藻、小球藻、菱形藻、念珠藻以及球等鞭金藻等六种微藻蛋白质及油脂含量的研究结果表明达到研究预期目标的微藻是极大螺旋藻（蛋白质含量为70.2%）和菱形藻（油脂含量为36.9%）。通过正交实验对这两种微藻的培养条件进行优化，得到极大螺旋藻的最佳培养条件为pH为7.5、光照强度为3000lux、通气量为15L/h；菱形藻的最佳培养条件为pH为8、光照强度为5000lux、通气量为5L/h。2．通过C2+重离子注入对菱形藻进行诱变，得到马鞍型存活率关系曲线，并从注入后的微藻中筛选出1株油脂含量提高的正突变株，诱变微藻的荧光强度提高了10.74%。突变微藻和出发微藻相比较，离子注入并没有改变微藻的基本形态及生长速度，且在培养期的各个阶段突变微藻生长均处于正常状态。3．设计并运行气升式柱型光藻反应器，恒化连续培养的反应器运行条件为pH为7.5、光照强度为3000lux、通气量为250L/h，其培养的微藻固定CO2的模型为y=-0.0325x4+0.0977x3-0.0871x2+0.0113x+0.0344，产生O2的模型为y=0.3246x4-0.9769x3+0.8708x2-0.1132x+20.9557，单位体积微藻的蛋白质产量为0.31g/L·d，生物柴油产量为0.01g/L·d，对满足一个宇航员生命保障的光藻反应器进行设计，采用24L的极大螺旋藻反应器与476L的菱形藻反应器串联运行，此种设计能够满足一个宇航员每天的O2供应、呼出CO2的固定、蛋白质的供给以及照明用电需求，还能够每天为极大螺旋藻反应器的加热棒提供7.0h的电能。以上研究结果表明，BLSS培养微藻可同时实现系统内的气体控制、蛋白质供给及系统能源供给，同时上述结果可为BLSS中微藻培养条件的确定及培养量的选择提供一定的数据支持与依据。