藻类用硅酸成分供给剂和向藻类提供硅酸成分的方法

专利名称：藻类用硅酸成分供给剂和向藻类提供硅酸成分的方法
技术领域：
本发明涉及用于培养用作养殖鱼贝类的斜料的藻类的藻类用硅酸 成分供给剂和向藻类提供硅酸成分的方法。
背景技术：
硅藻类(附着硅藻类及浮游硅藻类)等被用作养殖贝类、曱壳类、 棘皮动物类等的饰料，在养殖以浮游动物为斜料的鱼贝类时还被用作 浮游动物的何料。因此，为了提供足够量的用于养殖这些种类的鱼贝 类的硅藻类等，建立能够稳定地培养硅藻类的技术是十分重要的。
特别是，在培养硅藻类时，必须向培养液中提供硅酸成分，为了 这种目的，通常采用适当添加水玻璃或偏硅酸钠的方法(例如，参照下
述专利文献1(特别是段落
等))。
专利文献l:特开2004-187675号公报

发明内容
发明所要解决的问题
然而，问题在于，由于诸如水玻璃或偏硅酸钠的碱金属硅酸盐， 任何一种都难溶于水，即使使其溶解后也会与水中的无机成分(例如， 4丐)反应生成沉淀，因此如果过量添加易引起混浊或者泥块的生成。
特别是，问题在于，由于在大型的培养槽中培养硅藻类时，沉淀 物在培养槽内设计的排水设备或通气装置中发生沉积或附着，如果不 进行充分地维护，这些设备的性能会下降或发生故障。另外，在自然 界中，这会导致湖底及海底的泥状化。另外，问题还在于，由于形成 沉淀物的硅酸成分不能被浮游植物利用，从而导致硅酸成分的损失和 严重的浪费。
如果仅为抑制沉淀物的生成，可以提出减少碱金属硅酸盐的添加
量的方法。然而，这种方法会引起培养液中的硅元素缺乏从而使硅藻 类的繁殖率下降，另外，如果硅藻类将水中的硅元素完全消耗掉，由 于水中的硅元素缺乏有可能导致硅藻类灭绝。
如果能够根据硅藻类消耗硅元素的程度连续地添加适量的碱金属 硅酸盐，则碱金属硅酸盐的添加量不会过多或不足。然而，难以肉眼 确定硅藻类已将水中的硅元素消耗至何种程度，以及系统中是否仍残 存珪元素等。
另外，具有强碱性的碱金属硅酸盐在制备高浓度的硅酸盐水溶液
时，存在难以控制浓度和pH的缺点和操作安全性的问题。
由此看出，在实施硅藻类的大量培养时(例如，10 L(升)以上的培 养)，持续添加碱金属硅酸盐事实上极其困难，因此尚需开发新培养技 术。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供藻类用硅 酸成分供给剂和向藻类持续提供硅酸的方法，所述藻类用硅酸成分供 给剂能够向硅藻类等需要硅元素的藻类持续提供硅元素，即使过量添 加也很少引起沉淀，能够容易地控制以便不引起硅元素的缺乏，且能 够容易地操作。
解决问题的方法
现将本发明中采用的特征构成描述如下。
本发明的藻类用硅酸成分供给剂是加入到藻类生活的水中以便向 藻类提供硅酸成分的藻类用硅酸成分供给剂，所述藻类的生长需要硅 酸。该供给剂包含作为主成分的硅酸凝胶，其通过预先使碱金属硅酸 盐与无机酸在与藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得。
在本发明中，硅酸凝胶采用使石成金属硅酸盐水溶液与无机酸发生 反应的湿式制造法制得。碱金属硅酸盐可以使用硅酸钠、硅酸钾等， 无机酸可以使用盐酸、硫酸、硝酸等，工业上优选使用硅酸钠和硫酸。
另外，在本发明中，所述硅酸凝胶优选使用硅酸水凝胶或二氧化 硅干凝胶。硅酸水凝胶处于二氧化硅胶体颗粒在反应过程中通过硅氧 烷键形成三维网状结构而且该结构中包含水的状态。另外，二氧化硅干凝胶是通过将硅酸水凝胶干燥，干燥的同时收缩的硅酸凝胶达到已 经不再收缩状态时的物质。可以使用任一状态下的硅酸凝胶，也可以 使用上述两者之间的中间状态的硅酸凝胶。然而，优选使用硅酸水凝 胶，因为硅酸可以在更高浓度下更快地释放。
本发明中使用的硅酸凝胶的形状可以为颗粒状、球状或任何其它 形状，还可以根据使用的类型具有合适的粒径。但是，由于硅酸的洗 脱速度取决于硅酸凝胶的粒径，在需要立即起效时，优选粒径较小的 硅酸凝胶。另外，由于粒径过小容易产生粉尘，因此在抑制粉尘产生 和使操作变容易方面，优选粒径稍大的硅酸凝胶。
另外，本发明的作为主成分的硅酸凝胶的藻类用硅酸成分供给剂 除主成分之外还可以含有藻类繁殖所需要的成分。这种成分的实例是 作为氮、磷、铁等的供给源的各种盐类。
另外，本发明的藻类用硅酸成分供给剂可以以任何方式向水中添 加，为了进行连续的控制，可将颗粒状的硅酸凝胶填充于具有间隙的 容器中，所述间隙阻止硅酸凝胶通过但是允许从硅酸凝胶中洗脱出的 硅酸成分通过，并将硅酸凝胶与容器一起加入藻类生活的水中。具有
的容器可以是具有液体渗透性的任何容器，例如用网等形成的容器。 此外，可以采用如下方法，在藻类的培养容器外面设置填充硅酸凝胶 的第二容器，并将已经通过第二容器的培养液添加至培养容器中。
向这样的容器中填充藻类用硅酸成分供给剂时，可以在容器内搅 拌硅酸凝胶，通过调节其搅拌量，可使从硅酸凝胶中洗脱出并向容器 外释放的硅酸成分的释放量发生改变。搅拌可以以任何方式进行，例 如通过用旋转翼搅拌或者通过通气装置搅拌等，这样的搅拌促进硅酸 更有效地洗脱。
如果将如上所述的藻类用硅酸成分供给剂添加至藻类生活的水 中，可以向藻类提供硅酸成分，并促进藻类增殖。
特别是，由于从硅酸凝胶洗脱出的硅酸成分可以根据水中的硅酸 浓度逐渐地微量溶解，水中的硅酸浓度不会变得过高，因此，与将碱 金属硅酸盐添加至水中时不同，不会由于洗脱出的硅酸而生成沉淀。
更详细地说，将碱金属硅酸盐添加至水中时，问题在于，已在系 统中扩散的碱金属硅酸盐在系统中不期望的位置凝胶化或者生成其它 的水不溶性沉淀物。相反，在本发明的藻类用硅酸成分供给剂的情况 下，由于主成分硅酸凝胶是通过预先使碱金属硅酸盐与无机酸在与藻 类生长的水不同的系统中发生反应制得的，因此即使从硅酸凝胶洗脱 出的硅酸成分在系统中扩散，也不会在系统中不期望的位置凝胶化或
者生成其它的水不溶性沉淀物。另外，硅酸凝胶长期100%溶解于水中，
也不会留下残渣。
因此，在培养槽中培养藻类时，沉淀物不会在培养槽内设置的排 水设备或通气装置中发生沉积或附着，由这些沉淀物造成的设备性能 下降或故障也不会出现。
另外，在本发明的藻类用硅酸成分供给剂的情况下，由于即使过 量地向水中添加，水中的硅酸浓度也不会变得过高，因此没有必要严 格地控制水中的添加量。因此，可以容易地避免由过度抑制添加量造
成水中缺乏硅元素，引起藻类增殖率下降或藻类灭绝。
另外，在本发明的藻类用硅酸成分供给剂的情况下，与碱金属硅 酸盐水溶液不同，由于是将固体的硅酸凝胶向水中添加，因此可在向 水中添加后肉眼确认硅酸凝胶的存在。因此，在添加石圭酸凝月交后，可 以用眼睛观察确认是否还有硅酸凝胶残存，并可以更容易地进行控制， 如在添加的硅酸凝胶残留量变少时补充加入本发明的藻类用硅酸成分 供给剂等。
另外，由于本发明的藻类用硅酸成分供给剂中采用的硅酸凝胶显 中性，与显强碱性的碱金属硅酸盐相比，其操作非常容易、安全性也高。
如上所述，根据本发明的藻类用硅酸成分供给剂能够向藻类提供 硅元素，即使过量添加也很少引起沉淀，容易控制以便不引起硅元素 的缺乏，且操作也变得容易。
虽然上述藻类用硅酸成分供给剂包含作为主成分的硅酸凝胶，但 可以用硅酸溶胶代替硅酸凝胶。具体地，本发明的藻类用硅酸成分供 给剂可以包含作为主成分的硅酸溶胶，其通过预先使碱金属硅酸盐与
无机酸在与藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得，所述藻类的 生长需要硅酸。
这样的藻类用硅酸成分供给剂也能够向藻类提供硅元素，即使过 量添加也很少引起沉淀，且操作也容易。然而，当包含作为主成分的 硅酸溶胶时，与包含作为主成分的硅酸凝胶时相比，由于藻类用硅酸 成分供给剂在系统中扩散变得容易，为了通过肉眼观察维持和控制硅 元素的浓度，包含作为主成分的硅酸凝胶更有利。
附图简述

图1A为显示培养液中角毛藻的增殖密度变化的图， 图1B为显示培养液中Si浓度变化的图。为显示培养液中舟形藻的细胞体积变化的图。
优选实施方案的详细说明
下面将结合具体的实施例阐述本发明的实施方案。
使用碱金属硅酸盐水溶液和无机酸通过已知的方法(例如，特开昭 62-207712号，或特开昭64-33012号记载的方法等)来制备硅酸水凝胶。 即，将硅酸钠水溶液(Si02l7重量。/。)与L95mo1/1的碌u酸连续混合，混 合物在空气中进行凝胶化，并用装满水的水槽承接，充分洗净，获得 粒径为2至10 mm的J求状》圭酸水凝胶。
用干燥机于180。C下的重量减少测定结果表明，所获得的硅酸水 凝胶的含水量为80%。在100 mL离子交换水中加入5 g^圭酸水凝胶并 搅拌10分钟后，水的pH为6.2。
将30 g所述,圭酸水凝胶加入1 L的烧杯中，添加400 mL的天然 海水，室温下用搅拌器搅拌1小时。
采集上层澄清海水采用ICP发射光语分析法测定硅元素的浓度， 天然海水原液的硅元素的浓度为0.7ppm。另外，添加了硅酸水凝胶的 海水的石圭元素浓度为63 ppm。
将50 g实施方案1中制备的硅酸水凝胶加入1000 mL天然海水 中，放置7天，不时搅拌。另外，作为比较，将其中有50g钠玻璃屑 (y —夕'力、，7力^:y卜)的1000 mL天然海水的溶液和1000 mL未加 任何物质的天然海水原液同法放置7天。
采集上层澄清海水采用ICP发射光语分析法测定硅元素的浓度， 静置后的海水的硅酸浓度，原液中性海水、加入硅酸水凝胶后的中性 海水和加入钠玻璃屑的海水静置后的硅元素浓度分別为0.7 ppm、 100 ppm和34 p pm。
将实施方案1中制备的硅酸水凝胶添加至培养液中，在其中培养 环紋硅藻类角毛藻(下文称为试验区)。
培养方法为10 L规模的分批培养法，在通气口安装尼龙网袋(本 发明中称为"具有阻止硅酸凝胶通过但是允许从硅酸凝胶洗脱出的硅 酸成分通过的间隙的容器"的实例)，网袋中含有约10g的硅酸水凝胶。 根据这种方法，由通气振动硅酸水凝胶，使培养液中的Si变得更易溶 解。
1 L海水中培养液的组成是NaN03 600 mg、NaH2P04'4H20 40 mg、 Fe國EDTA 38.4 mg、 MnCl2.4H20 1.44 mg、 CuS04 5H20 80 /tg、 ZnS04.7H20 184/ig、 CoCl2'6H20 80 jug、 Na2Mo04.2H20 50.4 jng、维生 素Bn4/ig、维生素H4/ig、盐酸漆胺800 pg。向该培养液中加入硅 酸水凝胶。
接种后角毛藻的密度为约50万个/mL。培养在以下条件下进行 间歇式连续通气、25。C的室温、用荧光灯在约5000 lx的照度下连续 照明。
另夕卜，为了进行比较，使用被制备成含有guillard F介质中所含营 养物含量的四倍的培养液来培养角毛藻(包含偏硅酸钠作为硅酸源) (下文称为"对照区")。
另外，1 L海水中含有guillardF介质中所含营养物含量的四倍的 培养液的组成是NaN03 600 mg、 NaH2P04'4H20 40 mg、 Fe-EDTA 38.4 mg、 Na2Si02'9H20 120mg、 MnCl2.4H20 1.44 mg、 CuS04.5H20 80 gg、 ZnS04.7H20 184/xg、 CoCl2'6H20 80 jug、 Na2Mo04.2H20 50.4 pg、维生 素Bt2 4/ig、维生素H4/xg、盐酸瘗胺800 /xg。
在试验区和对照区同时采用Neubauer血细胞计数板测定第10、 16和20天的增殖密度。结果如图1A所示。
另外，在试验区和对照区同时采用比色法(硅钼蓝分光光度法)测 定第10、 16和20天的Si浓度。结果如图1B所示。
从结果可知，将硅酸水凝胶添加至培养液中时，与添加了偏硅酸 钠的对照区进行比较，可以维持高的Si浓度，且角毛藻的增殖可以稳 定地进行。
在与实施方案3同条件的试验区和对照区中，以添加硅酸水凝胶 和偏硅酸钠后培养20天的角毛藻为对象，研究了颜色的差异和叶绿素 a的含量。
从试验区和对照区中各自采集20 mL培养液，测定各自的细胞密 度后，采用直径47 mm的GF/F过滤器(Whatman公司制)进行抽滤仅 回4欠细月包。
叶绿素a用荧光光度计(Tumer公司制)通过荧光法或用分光光度 计(岛津公司制)通过测定法测定。
培养20天后肉眼观察含有培养液的玻璃瓶，试验区明显比对照区 颜色深，可知存在高密度的角毛藻。
另外，肉眼观察从过滤器上回收的角毛藻，试验区呈现出深褐色， 而对照区呈现出浅褐色。这似乎是由细胞内叶绿体的生长差异造成的。
另外，试验区中叶绿素a的含量为0.22至0.24(pg/细胞)，而对照 区中为0.12至0.16 (pg/细胞)。
通常认为叶绿体发达的细胞蛋白质及脂质含量高，营养价值也高。 因此，可以认为硅酸水凝胶的使用有助于高营养硅藻类的生产。
用包含于尼龙网袋中的二氧化硅干凝胶(JISA型，粒径约1.7mm 至4.0 mm)代替实施方案1至4中使用的硅酸水凝胶，加入大型跑道 式室外培养槽中培养硅藻类时，硅藻类稳定地增殖。
另外，将与上述相同的二氧化硅干凝胶添加至透明的聚碳酸酯培 养槽培养硅藻类时，硅藻类稳定地增殖。
另外，将与上述相同的二氧化硅干凝胶粘附于附着硅藻增殖的波 形板上培养硅藻类时，硅藻类稳定地增殖。
用硅溶胶代替实施方案1至4中使用的硅酸水凝胶，加入跑道式 大型室外培养槽中培养硅藻类时，硅藻类稳定地增殖。
对用作海胆及海参等的附着幼虫的斜料的附着硅藻类舟形藻 (Navicula ramossima)进行单种培养。培养方式为500 mL规模的间歇式 通气培养。培养液分别与实施方案3中试验区和对照区所用的培养液 相同。但是，在试验区中，将10g实施方案1中制备的硅酸水凝胶加 入500mL培养液中。
此外，为了仅仅将实施方案1中制备的硅酸水凝胶的性质与偏硅 酸钠进行比较，单种培养舟形藻，但在培养器中不放入塑料板等附着 基质。培养条件为12天、25。C、连续照明。
获得附着硅藻的准确产量非常困难。因此，在实施方案7中，采 用下述方法测定附着硅藻类的产量。从第3天开始到第12天，每三天 在培养器中剧烈搅拌一次，使培养器中附着的细胞漂浮，采集一定量 的含有漂浮细胞的培养液，使用毛细离心管测定所采集的细胞的体积 (每1 mL培养液的细胞体积)。
图2显示所釆集的细胞的体积变化。从图2可明显看出，在试验 区中，舟形藻非常稳定地生长，虽然试验区中的细胞体积在第3天小
于对照区，但是在第9天开始变得比对照区的细胞体积大，此后还稳 定地增殖。
另外，已在试验区和对照区中各自增殖的舟形藻细胞群的显微镜 观察表明两区之间没有特别的差异。
从该结果可以看出，与添加偏石圭酸钠相比，即4吏添加实施方案1 中制备的硅酸水凝胶作为硅酸源，舟形藻的增殖毫不逊色。
以上阐述了本发明的实施方案，但是本发明不限于上述实施方案 的具体的任4可一种，可以以其它多种形式实施。
例如，在上述实施方案中列举了培养角毛藻和舟形藻的实例等， 每一种都属于硅藻类，但是本发明的藻类用硅酸成分供给剂可以用于 其它的浮游硅藻类或附着硅藻类，或者将硅酸作为营养盐类吸收的藻 类(例如，黄群藻类)。
另外，虽然在上述实施方案中例示了培养槽的具体种类和形状， 但是培养槽的具体种类和形状是任选的，例如，培养槽可以是室外型 培养槽或室内型培养槽，另外，其规模也可以从小规模到大规模任意 使用。
另外，在上述方案中，列举了通过通气振动硅酸水凝胶使培养液 中的Si变得易溶解的情形，但是采用旋转搅拌用的搅拌翼来搅拌硅酸 凝胶等方法也可以使培养液中的Si变得易溶解。另外，如果有足够量 的Si溶入培养液中，例如将足够量的硅酸凝胶添加至系统中的情况等， 就没有必要振动硅酸凝胶。
权利要求
1. 藻类用硅酸成分供给剂，将其加入到藻类生活的水中以便向所述藻类提供硅酸成分，所述藻类的生长需要硅酸，所述供给剂包含:作为主成分的硅酸凝胶，其通过预先使碱金属硅酸盐与无机酸在与所述藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得。
2.根据权利要求1所述的藻类用硅酸成分供给剂，其中所述硅酸 凝胶为硅酸水凝胶。
3.根据权利要求1所述的藻类用硅酸成分供给剂，其中所述硅酸 凝胶为二氧化硅干凝胶。
4.藻类用硅酸成分供给剂，将其加入到藻类生活的水中以便向所 述藻类提供硅酸成分，所述藻类的生长需要硅酸，所述供给剂包含作为主成分的硅酸溶胶，其通过预先使碱金属硅酸盐与无机酸在 与所述藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得。
5.向藻类提供硅酸成分的方法，所述藻类的生长需要硅酸，所述 方法包括如下步骤向所述藻类生活的水中加入藻类用硅酸成分供给剂，所述供给剂 包含作为主成分的硅酸凝胶，其通过预先使碱金属硅酸盐与无机酸在 与所述藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得。
6.根据权利要求5所述的向藻类提供硅酸成分的方法，其中将颗 粒状的所述硅酸凝胶填充于具有间隙的容器中，所述间隙阻止所述硅并将所述硅酸凝胶与所述容器一起加入到所述藻类生活的水中。向藻类提供硅酸成分的方法，所述藻类的生长需要硅酸，所述 方法包括如下步骤向所述藻类生活的水中加入藻类用硅酸成分供给剂，所述供给剂 包括作为主成分的硅酸溶胶，其通过预先使碱金属硅酸盐与无机酸在 与所述藻类生活的水不同的系统中发生反应而获得。
全文摘要
提供了藻类用硅酸成分供给剂和向藻类持续提供硅酸成分的方法，所述藻类用硅酸成分供给剂能够向藻类持续提供硅元素，即使过量添加也很少引起沉淀，能够容易地控制以便不引起硅元素的缺乏，且能够容易地操作。本发明的硅酸成分供给剂包含作为主成分的硅酸凝胶或硅酸溶胶，其通过在与藻类生活的水不同的系统中预先使碱金属硅酸盐与无机酸发生反应而获得。通过将该硅酸成分供给剂加入到藻类生活的水中，可以向藻类提供硅酸成分。另外，由于该硅酸成分根据水中的硅酸浓度逐渐从该硅酸成分供给剂中洗脱出，洗脱出的硅酸成分不会在系统中凝胶化或与其它无机成分发生反应，因此不会产生混浊或者沉淀。
文档编号C12N1/12GK101384698SQ200780005210
公开日2009年3月11日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月31日
发明者中村耕二, 冈内正典 申请人:独立行政法人水产综合研究中心;富士西利西亚化学株式会社