研究开发微藻高密度培养技术是微藻生物技术领域的重要研究内容之一。在光合自养、混合营养和异养等三种营养方式中,混合营养模式被认为是高密度培养微藻和生物合成微藻高附加值代谢物(如色素、油脂和蛋白)的理想模式,但是目前对微藻混合营养生长机理的认识还不全面深入。本论文以普通小球藻(Chlorella vulgaris 31)为实验材料,在研究其生理生化及细胞组分的基础上,借助流式细胞技术、电镜观测技术、代谢组学技术分析了C.vulgaris 31在自养、异养和混合营养等三种不同营养方式下的生长动力学、生化组分、细胞结构、内在代谢网络变化及其相关代谢途径。主要研究结果如下:(1)不同营养方式下C.vulgaris 31的生理生化响应机制相比光合自养,添加碳源可以有效提高藻细胞的生物量浓度、比生长速率与产率,其中葡萄糖的效果最好。在光合自养、混合营养与异养条件下培养C.vulgaris 31,藻细胞的生物量浓度、产率与比生长速率均表现为混合营养>异养>光合自养,且葡萄糖浓度越大促进效果越明显。此外,碳源的增加抑制了光合色素与蛋白质的合成,促进了油脂与碳水化合物的合成。(2)不同营养方式下C.vulgaris 31细胞周期与细胞结构的变化利用流式细胞技术对不同营养方式下藻细胞的细胞周期、叶绿素、细胞大小与细胞粒度进行了研究。结果发现,添加有机碳源葡萄糖一定程度的抑制了藻细胞的光合作用,但可显著促进藻细胞的生长与代谢产物的积累,浓度越大促进作用越强,其细胞大小与细胞粒度均值也相应的增大。同时发现在12 h光照与12 h黑暗的培养条件下,各个营养方式下藻细胞的生长均具有同步性。采用透射电镜与荧光显微镜对藻细胞的结构进行了观察。在各个营养方式下,叶绿体的结构均完好,不影响细胞的光合作用。而线粒体出现了结构模糊,肿胀,嵴消失的现象。此外,在混合营养与异养组藻细胞的培养后期,脂滴与淀粉颗粒大量的增加。(3)不同营养方式下C.vulgaris 31代谢组学研究运用代谢组学技术,对不同营养方式下的藻细胞内的差异代谢物进行分析,并对这些代谢物的含量变化及其涉及的主要代谢通路进行研究。通过PCA模型发现营养方式的改变显著影响小分子糖、氨基酸和有机酸的含量。对培养3天与7天的藻细胞代谢谱采用OPLS-DA模型进行分析,分别鉴定出了62个和65个代谢标志物。通路结果显示,C.vulgaris 31在混合营养与异养培养后期糖酵解、戊糖磷酸途径(PPP)均得到了促进,TCA循环出现下调,且碳固定效率相比光合自养大大提高;而氨基酸合成因缺乏前体化合物受到抑制;此外,在混合营养与异养条件下培养C.vulgaris 31能够显著促进不饱和脂肪酸如C18:3、C18:1的合成,而抑制饱和脂肪酸C14:0、C16:0和C18:0的合成。通过对C.vulgaris 31在光合自养、混合营养与异养条件下的生长动力学、生化组分、细胞结构、内在代谢网络变化的分析,发现营养方式对C.vulgaris 31的生长以及藻细胞内碳水化合物和脂肪酸等物质的快速积累具有明显影响。在混合营养与异养条件下,藻细胞的生长、碳水化合物和脂肪酸的含量均高于光合自养组,而光合色素与蛋白质含量低于光合自养组。这主要是因为在混合营养与异养的培养后期,TCA循环的下调使得更多的乙酰辅酶A进入脂肪酸合成途径、PPP途径的加强提供了更多的NADPH以供细胞碳同化、脂肪酸合成所用,促进碳水化合物与脂肪酸的合成,而TCA循环的下调导致氨基酸合成因缺乏前体化合物受到抑制,蛋白质的含量降低。本研究阐明了C.vulgaris 31从生长动力学、细胞结构及周期、细胞生化组分及代谢途径等层面对光合自养、混合营养和异养等三种不同营养方式的响应机制,为深入认识小球藻的混合营养生长机理和高密度培养提供了重要的理论依据。