天然虾青素是一种超强的抗氧化剂,具有巨大的经济价值和广阔的市场前景,而雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)细胞被称为天然虾青素的“浓缩品”,因此培养雨生红球藻积累天然虾青素是当今微藻生物技术领域的研究热点。传统培养工艺通常分为两阶段：(1)绿色细胞的光自养培养；(2)绿色细胞在高光照、缺氮等胁迫条件下积累虾青素的光诱导。绿色细胞的光自养通常在逐级(一般为3级)放大的光生物反应器中进行,培养过程易污染且营养与光强协同控制难度大；第二阶段胁迫条件下虾青素合成的机理尚未明晰,虾青素积累效率较低,光诱导条件优化与反应器放大等研究也亟待进一步开展。为解决上述问题并对相关机理进行深入探讨,本文首先用异养代替传统的第一阶段光自养从而获得大量细胞,并观测异养过程中藻细胞状态的显著变化。然后摸索不同状态的异养细胞进行光诱导产虾青素的可行性,同时开展异养转光诱导的机理研究,提出光适应的策略；最后,对雨生红球藻异养细胞光诱导产虾青素的工艺进行放大研究,以期充分发挥异养效率高的技术优势并突破雨生红球藻传统的光自养产虾青素的技术瓶颈。主要内容和结论如下：(1)雨生红球藻异养过程及放大研究：本文首先在摇瓶上比较了雨生红球藻异养、自养及混养在细胞生长方面之差异,混养细胞增长速率最快,最后所达到的细胞数目也较高,达到55.5±2.97×104 mL-1,而异养及自养所能达到的细胞数目则分别为36.4±1.9×104 mL-1和9±0.55×104mL-1。随后的补料分批培养过程表明,利用碳源抑制效应可以获得不同状态的细胞,主要表现为单细胞重量差别较大(介于0.2～3.5 ng cell-1)；异养过程中,胞内的生化组成发生显著变化,主要为蛋白含量持续下降,从初始的约45.67±2.65%降为异养结束时的14.16±0.51%,而碳水化合物及油脂的含量则从初始的12.45±0.72%及17.35±1.00%分别提高到45.444±1.64%和30.50±±1.10%；细胞形态也发生着显著变化,由绿色游动细胞逐步转变为不动胶壳细胞及厚壁孢子态细胞。(2)光诱导条件的研究：异养结束时胞内虾青素含量很低,仅为0.1-0.5%,因此需要进行光诱导以促使虾青素的累积。摇瓶诱导的结果表明,初始的最佳碳、氮源为醋酸钠及硝酸盐,含量分别为20 mM及2 mM；诱导的pH控制在7-8,适合的pH缓冲体系为40 mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)；适合的诱导光强为400 μmol photons m-2s-1；红光促进细胞的生长,而蓝光则有利于胞内虾青素的积累,白光是最简单和有效的光源；同等强度的人工光与自然光的诱导结果接近；连续光照条件下的细胞干重及胞内虾青素含量分别为1.9±0.05 g L-1和3.81±0.05%,12 h：12 h光暗循环条件下相应的值为1.54±0.03 g L-1和2.48±0.08%,分别比前者低了18.9%及34.9%；初始细胞密度与光照强度协同影响光诱导的结果,单细胞受光强度决定了最终的虾青素产量；在0.1～0.6 vvm的通气量范围内,诱导过程pH及诱导结果均接近,为使得藻液充分混合,0.2 vvm的通气量较为合适。(3)转光诱导前对异养细胞进行光适应可以实现稳定高效的诱导：不同状态异养细胞光诱导后的结果相差较大,越接近厚壁孢子态的细胞的诱导效果越差。针对这种差异性和不稳定性,开展了对异养细胞光适应的研究,结果表明：不经过适应直接转入强光400 μmol photons m-2 s-1诱导,则光漂白的细胞数目约占25%；适应阶段适宜的中低光强为100μmol photons m-2 s-1,通过光适应能够显著减小由异养转入光诱导时细胞的死亡率,表征光合性能的Fv/Fm值则由异养结束时的0.6升高到0.8,表明通过1天的光适应,胞内的光合系统得到恢复。异养藻细胞转入光诱导时其光合系统进行了自我修复,光合作用相关的D1蛋白等得以再生,其含量先逐步升高再降低；光合作用相关蛋白PsbO、PetC等的活性则逐步下降,表明在逆境的条件下,雨生红球藻细胞具有自我防御能力,其通过促进胞内虾青素的合成以抵御外界的胁迫条件；光适应很好地解决了不同状态异养细胞诱导结果不稳定的问题。采用光适应策略对异养得到的三种状态细胞即绿色游动细胞、不动胶壳细胞及厚壁孢子细胞进行了诱导结果的对比研究。(4)不同类型的反应器中光诱导工艺的放大和优化：2,000 L跑道池的诱导效果较好,其细胞干重产率比200 L跑道池和10,000 L跑道池分别高近32.6%与41%；细胞在300 L平板式反应器中诱导约11天后的细胞干重与虾青素含量比15 L平板式反应器低了24.5%及16.82%,显示出平板反应器存在放大效应,但可以通过加内部光源和全天候人工光照来解决,使得诱导效果与对照相当；柱式反应器放大后仍然较适合用于光诱导,70L柱式的诱导效果仅比1L柱式低了3.9%。(5)诱导工艺在多地户外条件下的验证及虾青素产量与诱导光照总量、诱导平均温度等理化因素之间模型的建立：对雨生红球藻异养细胞光诱导高产虾青素这一新模式的可行性,在不同气候的多地户外条件下进行了验证；同时光照总量、平均温度与虾青素产量之间的关系研究表明：在整个诱导阶段,虾青素的体积产量与日光照总量之间符合Logistics关系；同时诱导的理论产量与诱导过程的平均温度之间符合Gauss关系,其在平均温度为22.7℃时候达到最大值,为准确预测诱导诱导结果提供参考。综上所述,对异养的条件优化实现了雨生红球藻的高效培养,比较分析了异养细胞生化组成及光合系统差异后,优化了异养转光诱导的培养条件并针对性地提出了光适应的策略,实现了异养的高效率与异养细胞光诱导产虾青素的高效率两者的统一；异养细胞经过光诱导产虾青素的可行性在多地不同气候条件下得到了验证,光诱导过程虾青素积累与光照、温度之间的模型随之建立；最后对光诱导过程中的光生物反应器进行了初步研究,成功优化并放大了光诱导工艺。本文的研究为雨生红球藻异养细胞光诱导高产虾青素这一新模式的产业化提供了重要的理论基础和实验依据。