Culture de microalgues vertes en bulle colonne photobioréacteurs et un dosage des lipides neutres
Summary
Nous présentons ici un protocole visant à construire le laboratoire bulle colonne photobioréacteurs et utilisez-les pour la culture micro-algues. Il fournit également une méthode pour déterminer le taux de croissance de la culture et de la teneur en lipides neutres.
Abstract
Il y a des intérêts importants dans l’étude des microalgues pour applications d’ingénierie tels que la production de biocarburants, produits à haute valeur et pour le traitement des déchets. Comme la plupart des nouveaux efforts recherche commencent à l’échelle du laboratoire, on a besoin de méthodes rentables pour la culture des microalgues de façon reproductible. Ici, nous communiquons une approche efficace de la culture de microalgues dans des photobioréacteurs de laboratoire et pour mesurer la croissance et la teneur en lipides neutres de cette algue. Instructions figurent également sur la façon de mettre en place le système Photobioréacteur. Bien que les organismes de l’exemple sont les espèces de Chlorella et Auxenochlorella, ce système peut être adapté pour cultiver une large gamme de microalgues, y compris des cultures d’algues avec des espèces non-algues. Cultures mères sont tout d’abord cultivés dans des bouteilles pour produire l’inoculum pour le système Photobioréacteur. Inoculum algues est concentrée et transféré dans les photobioréacteurs pour la culture en mode batch. Les échantillons sont recueillis pour les lectures de densité optique. À la fin de la culture de lot, les cellules sont récoltées par centrifugeuse, lavé et lyophilisé pour obtenir une concentration finale de poids sec. La concentration en poids sec final sert à créer une corrélation entre la densité optique et la concentration de matière sèche. Une méthode de Folch modifiée est ensuite utilisée pour extraire les lipides totaux de la biomasse lyophilisée et l’extrait est analysé pour sa teneur en lipides neutres à l’aide d’un test de la microplaque. Cet essai a été publié précédemment mais les étapes du protocole ont été inclus ici pour mettre en évidence les étapes critiques de la procédure où les erreurs se produisent fréquemment. Le système de bioréacteur décrit ici comble un créneau entre culture simple fiole et bioréacteurs commerciales entièrement contrôlé. Même avec seulement 3-4 biologique réplicats par traitement, notre approche de la culture d’algues conduit à des écarts serrés dans les essais de croissance et de lipides.
Introduction
L’application des microalgues dans l’ingénierie et de la biotechnologie a suscité un grand intérêt ces dernières années. Les microalgues sont étudiées pour une utilisation dans le traitement des eaux usées traitement1,2,3,4, biofuel production5,6,7,8et le production de nutraceutiques et d’autres produits de haute valeur9,10. Algues sont également génétiquement modifiés à des taux plus élevés dans le but d’améliorer leur condition physique spécifique engineering applications11,12. Par conséquent, il y a beaucoup d’intérêt dans l’expérimentation avec des organismes industriellement pertinentes en milieu contrôlé. Le but de cette méthode est de communiquer une approche efficace de la culture de microalgues dans un environnement de laboratoire contrôlées et de mesurer la croissance et la teneur en lipides neutres de cette algue. Améliorer la croissance taux et teneur en lipides neutres des micro-algues ont été identifiés comme les deux principaux goulets d’étranglement vers la commercialisation des biocarburants algues13.
Un large éventail d’approches ont été utilisés à des algues de culture à des fins expérimentales. En général, ces approches peuvent être divisés entre culture extérieure à grande échelle et de la culture en intérieur à petite échelle. Culture en plein air dans des photobioréacteurs et étangs ouverts est appropriée pour l’expérimentation vise à intensifier les processus qui ont déjà été éprouvées à l’échelle laboratoire (par exemple, pour tester l’intensification d’une nouvelle souche haute-lipide d’algues)14. Cependant, culture en intérieur à petite échelle est appropriée lors du développement de souches d’algues nouveaux ou améliorés ou des expériences visant à comprendre les mécanismes biologiques. Dans ces derniers cas, un haut-niveau de contrôle expérimental est nécessaire pour isoler les changements subtils de comportement biologique. À cette fin, les cultures axéniques doivent souvent afin de minimiser les facteurs biotiques complexes associés avec d’autres organismes (p. ex. bactéries, algues) qui poussent inévitablement dans les systèmes extérieurs à grande échelle. Même lorsque l’étude des interactions entre les algues et autres organismes, nous avons trouvé qu’utilisation des conditions expérimentales très contrôlé est utile lorsqu’on examine les échanges moléculaires entre organismes15,16,17.
Dans la catégorie des cultures d’algues indoor à petite échelle, un éventail d’approches ont été utilisées. Peut-être l’approche la plus courante consiste à cultiver des algues dans des flacons Erlenmeyer sur un tableau de dispositif trembleur sous une lumière banque18,19. Échange d’oxygène et de CO2 se déroule par diffusion passive grâce à un bouchon de mousse dans la partie supérieure du ballon. Certains chercheurs ont amélioré ce set-up une aération active des flacons20. Une autre approche consiste à cultiver des algues dans des bouteilles, mixés par barre de remuer et aération active. Malgré leur simplicité, nous avons trouvé que l’utilisation de flacons et bouteilles conduit souvent à des résultats incohérents entre les réplicats biologiques. C’est sans doute en raison des effets de position – différentes positions reçoivent des quantités différentes de la lumière, qui affectent également les températures internes de réacteur. La rotation quotidienne de réacteurs vers de nouvelles positions peuvent aider mais n’allège pas le problème car certaines étapes de la croissance des algues (par exemple, au début exponentielle) sont plus sensibles aux effets de position que d’autres (par exemple, la phase logarithmique).
À l’opposé du spectre de la sophistication technologique sont photobioréacteurs commercial entièrement contrôlé. Ces systèmes en permanence surveillent et ajuster les conditions dans le réacteur afin d’optimiser la croissance des algues. Ils ont d’éclairage programmable, régulation de température en temps réel et contrôle du pH. Malheureusement, ils sont coûteux et coûtent généralement plusieurs milliers de dollars par réacteur. Plus de revues scientifiques et d’ingénierie nécessitent réplication biologique des résultats, ce qui nécessite l’achat de plusieurs bioréacteurs. Nous présentons ici un système de réacteur de colonne de bulles qui comble le fossé entre les simples (fiole) et sophistiqué (entièrement contrôlée par bioréacteur) s’approche pour la culture d’algues-l’échelle du laboratoire. Colonnes de bulles permet de faciliter les échanges gazeux et de mélanger le réacteur hausse des bulles de gaz. Cette approche fournit un degré de contrôle sur l’éclairage et la température, mais le fait d’une manière peu onéreuse. En outre, nous avons trouvé ce système pour donner des résultats très cohérents entre les réplicats biologiques, réduisant le nombre de réplicats biologiques nécessaires afin d’obtenir des résultats statistiquement significatifs par rapport à l’approche de la fiole ou une bouteille. Nous avons également utilisé ce système pour cultiver avec succès des mélanges d’algues et de bactéries21. En plus de culture d’algues, nous décrivons une procédure pour mesurer la teneur en lipides neutres dans les algues cultivées. Cette dernière méthode a été publiée ailleurs22, mais nous incluons la procédure ici pour fournir des instructions pour savoir comment employer avec succès.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le facteur le plus important lorsque la culture d’algues est une compréhension des besoins spécifiques de l’organisme ou groupe d’organismes. Les algues, système de culture décrite ici peut être utilisé pour un large éventail d’algues mais des facteurs abiotiques (température, médias, pH, intensité lumineuse, teneur en CO2 , taux d’aération) la culture doivent être ajustés aux besoins de l’organisme. Notez les paramètres décrits ici ont été utilisés pour la culture de la Chlor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dans cette recherche, a appuyé par USDA National Institute of Food, Agriculture Hatch projet ALA0HIGGINS et les bureaux de l’Université Auburn de la prévôté, vice-président pour la recherche et le Samuel Ginn College of Engineering. A également appuyé par la NSF accorder CBET-1438211.
Materials
| Supplies for airlift photobioreactor setup | |||
| 1 L Pyrex bottles | Corning | 16157-191 | For bottle reactors, humidifiers |
| 1/2" hose clamp | Home Depot | UC953A | or equivalent |
| 1/4" female luer to barb | Nordson biomedical | Nordson FTLL360-6005 | 1/4" ID, PP |
| 1/4" ID, 3/8" OD autoclaveable PVC tubing | Thermo-Nalgene | 63013-244 | 50' |
| 1/4" in O-rings | Grainger | 1REC5 | #010 Medium Hard Silicone O-Ring, 0.239" I.D., 0.379"O.D. |
| 1/8" Female luer to barb | Nordson biomedical | FTLL230-6005 | |
| 1/8" ID, 1/4" OD autoclaveable PVC tubing | Thermo-Nalgene | 63013-608 | 250' |
| 1/8" male spinning luer to barb | Nordson biomedical | MLRL013-6005 | |
| 1/8" multiport barb | Nordson biomedical | 4PLL230-6005 | 1/8" multiport barb |
| 1/8" NPT to barb | Nordson biomedical | 18230-6005 | 1/8" 200 series barb |
| 1/8" panel mount luer | Nordson biomedical | Nordson MLRLB230-6005 | 1/8", PP |
| 10 gallon fish tank | Walmart | 802262 | Can hold up to 8 bioreactors depending on layout |
| 100-1000 ccm flow meter | Dwyer | RMA-13-SSV | For bottle reactors |
| 2 ft fluorescent light bank | Agrobrite | FLT24 T5 | |
| 200-2500 ccm flow meter | Dwyer | RMA-14-SSV | For air regulation upstream of humidifier |
| 250 mL Pyrex bottles | Corning | 16157-136 | For gas mixing after humidifier |
| 50-500 ccm flow meter | Dwyer | RMA-12-SSV | For hybridization tube reactors |
| 5-50 ccm flow meter | Dwyer | RMA-151-SSV | For CO2 flow rate control |
| Air filters 0.2 µm | Whatman/ Fisher | 09-745-1A | Polyvent, 28 mm, 0.2 µm, PTFE, 50 pack |
| Check valves | VWR | 89094-714 | |
| Corning lids for pyrex bottles | VWR | 89000-233 | 10 GL45 lids |
| Female luer endcap | Nordson biomedical | Nordson FTLLP-6005 | Female stable PP |
| Hybridization tubes | Corning | 32645-030 | 35×300 mm, pack of 2 |
| Light timer | Walmart | 556393626 | |
| Locknuts | Nordson biomedical | Nordson LNS-3 | 1/4", red nylon |
| Low profile magnetic stirrer | VWR | 10153-690 | Low profile magnetic stirrer |
| Male luer endcap | Nordson biomedical | Nordson LP4-6005 | Male plug PP |
| Spinning luer lock ring | Nordson biomedical | Nordson FSLLR-6005 | |
| Stir bars – long | VWR | 58949-040 | 38.1 mm, for bottle reactors |
| Stir bars – medium | VWR | 58949-034 | 25 mm, for hyridization tubes |
| Supplies and reagents for culturing algae | |||
| 0.2 µm filters | VWR | 28145-491 | 13 mm, PTFE, for filtering spent media from daily culture sampling |
| 1 mL syringes | Air-tite | 89215-216 | For filtering spent media from daily culture sampling |
| 1.5 mL tubes | VWR | 87003-294 | Sterile (or equivalent) |
| 10 mL Serological pipettes | Greiner Bio-One | 82050-482 | Sterile (or equivalent) |
| 100 mm plates | VWR | 25384-342 | 100×15 mm stackable petri dishes, sterile |
| 15 mL tubes | Greiner Bio-One | 82050-276 | Sterile (or equivalent), polypropylene |
| 2 mL Serological pipette tips | Greiner Bio-One | 82051-584 | Sterile (or equivalent) |
| 2 mL tubes | VWR | 87003-298 | Sterile (or equivalent) |
| 50 mL tubes | Greiner Bio-One | 82050-348 | Sterile (or equivalent), polypropylene |
| 96 well microplate | Greiner Bio-One | 89089-578 | Polystyrene with lid, flat bottom |
| Inocculating loops | VWR | 80094-478 | Sterile (or equivalent) |
| Liquid carbon dioxide tank and regulator | Airgas | CD-50 | |
| Supplies and reagents for lipid extraction and neutral lipid assay | |||
| 2 mL bead tubes | VWR | 10158-556 | Polypropylene tube w/ lid |
| 96 well microplates | Greiner Bio-One | 82050-774 | Polypropylene, flat bottom |
| Bleach | Walmart | 550646751 | Only use regular bleach, not cleaning bleach |
| Chloroform | BDH | BDH1109-4LG | |
| Dimethyl sulfoxide | BDH | BDH1115-1LP | |
| Isopropyl alcohol | BDH | BDH1133-1LP | |
| Methanol | BDH | BDH20864.400 | |
| Nile red | VWR | TCN0659-5G | |
| Pasteur pipette tips | VWR | 14673-010 | |
| Sodium chloride | BDH | BDH9286-500G | |
| Vegetable oil | Walmart | 9276383 | Any vegetable oil should work as long as it is fresh |
| Zirconia/ silica beads (0.5 mm diameter) | Biospec products | 11079105z | |
| Equipment | |||
| Analytical balance | Mettler-Toledo | XS205DU | Capable of at least 4 decimal accuracy |
| Bead homogenizer | Omni | 19-040E | |
| Benchtop micro centrifuge | Thermo | Heraeus Fresco 21 with 24×2 | Including rotor capable of handling 1.5 and 2 mL tubes |
| Dry block heater | VWR | 75838-282 | Including dry block for a microplate |
| Freeze dryer | Labconco | 7670520 | 2.5L freeze drying system |
| Large benchtop centrifuge | Thermo | Heraeus Megafuge 16R Tissue | Including rotors capable of handling 400 mL bottles, 50 mL tubes, and 15 mL tubes |
| Microplate reader | Molecular Devices | SpectraMax M2 | Capable of reading absorbance and fluorescence |
| Vortex mixer | VWR | 10153-838 |
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