專(zhuān)利名稱(chēng)：水生生物體培養(yǎng)的改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水生生物體培養(yǎng)的改進(jìn)方法，水生生物體包括單細(xì)胞生物體。
特別地，該方法包括-使用電場(chǎng)(electrical fields )來(lái)影響水生生物體的生 長(zhǎng)和某些其他的生物特性。
背景技術(shù)：
在自然界，種類(lèi)繁多的植物群和動(dòng)物群棲息于鹽水和淡水環(huán)境中，包括 海洋、湖泊、河流、池塘、水壩、水庫(kù)等。水生環(huán)境支持的生物形態(tài)分布在 從包括細(xì)菌和藻類(lèi)在內(nèi)的簡(jiǎn)單生物到諸如植物和動(dòng)物之類(lèi)的復(fù)雜生物的范 圍。
除了自然界，水生環(huán)境中生物體的生長(zhǎng)被產(chǎn)業(yè)化地應(yīng)用于許多行業(yè)，例如 農(nóng)業(yè)(水稻和水栽培法)。生物工藝學(xué)也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)上的重要領(lǐng)域，其依賴(lài) 于水生環(huán)境中的原核和真核細(xì)胞的生長(zhǎng)。例如，包括啤酒、葡萄酒和奶制品 的生產(chǎn)中的發(fā)酵、生物發(fā)酵、重組蛋白質(zhì)(recombinant protein)的生產(chǎn)， 用于清潔生物膜(biofilm)的微生物的生產(chǎn)以及污水修復(fù)中的有氧和無(wú)氧細(xì) 胞以及生物體的培養(yǎng)。
發(fā)酵的產(chǎn)品多種多樣，涉及社會(huì)中的各種需求。例如，培養(yǎng)出的藻類(lèi)被 廣泛應(yīng)用，例如，作為生物燃料中的能源，作為食物和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物的成分， 以及作為肥料。
魚(yú)類(lèi)和曱殼類(lèi)動(dòng)物養(yǎng)殖正在變得越來(lái)越普遍，并且由于海洋資源逐漸耗 盡或者被污染，合適的用于培育和養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)以及曱殼類(lèi)動(dòng)物等的受控環(huán)境的 供應(yīng)是一件難度大且成本高的事情，魚(yú)類(lèi)和曱殼類(lèi)養(yǎng)殖成為 一種越來(lái)越重要 的擴(kuò)展中的產(chǎn)業(yè)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)培育和養(yǎng)殖水生動(dòng)物有用的生物和細(xì)胞的增強(qiáng)生長(zhǎng)將是一個(gè)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)尋求改進(jìn)或優(yōu)化用于 一 目標(biāo)生物體生長(zhǎng)的水生環(huán)境時(shí)，有許多因素應(yīng) 當(dāng)考慮。有生命的生物體的諸多新陳代謝需求中的任何一個(gè)，都可能是阻礙 一個(gè)物種在特定生活環(huán)境中建立、存活或繁殖的限制因素。例如，水生植物 通常由于營(yíng)養(yǎng)物(例如磷和氮)的可獲得性而限制其分布和多寡。如果沒(méi)有 氮，豐富的磷對(duì)植物是沒(méi)用的，反之亦然。而且，營(yíng)養(yǎng)物應(yīng)當(dāng)以生物可利用 形態(tài)存在。
豐富的溶解氣體水平，例如氧氣和二氧化碳，對(duì)于生長(zhǎng)也可能很重要。 氧氣的存在可能決定一些有機(jī)化合物被分解或保存的程度，富氧-缺氧界面
(oxic-anoxic interface )的化學(xué)過(guò)程能夠強(qiáng)烈影響對(duì)用于自養(yǎng) (autotrophic)和異養(yǎng)(heterotrophic)生產(chǎn)的限制性營(yíng)養(yǎng)物的循環(huán)，營(yíng)養(yǎng)
物包括氮、磷和鐵。
在建立或改進(jìn)水生環(huán)境中的微生物體的生長(zhǎng)中，其他參數(shù)，例如溫度、
光、各離子種類(lèi)(ionic species)的濃度、竟?fàn)幧矬w的存在，等等，都需
要考慮。
除了微生物體的生長(zhǎng)，微生物體的處理(manipulating)和收獲過(guò)程對(duì) 于生產(chǎn)也非常重要。例如，可能有必要使得一個(gè)種群(population)中所有 生物體的生長(zhǎng)周期同步，這樣整個(gè)種群可以在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)被收獲。同樣可能 有必要改變滲透性，或者甚至溶解生產(chǎn)中的細(xì)胞或生物體的隔膜和/或細(xì)胞 壁。例如，可能需要一個(gè)水生環(huán)境中的溶質(zhì)能夠進(jìn)入細(xì)胞的通道，或者需要 將生物體制造的產(chǎn)品釋放到水生環(huán)境中。
本發(fā)明的一個(gè)方面在于緩解和克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種裝 置和方法，能夠改進(jìn)水生環(huán)境中生物體的生長(zhǎng)或處理。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供一種改變水溶液中生物體的生物特性的方法，該方一電極裝置電接觸；(b )將水溶液和第二 電極裝置以非物理方式(non-physical manner)電接觸；以及(c)在第一 電極裝置和第二電極裝置之間的通過(guò)電流，從而在水溶液中建立電場(chǎng)。生物 特性可以是生長(zhǎng)、發(fā)育能力(viability)、繁殖能力、細(xì)胞周期的時(shí)間選擇 (timing)、吸收營(yíng)養(yǎng)的能力、生物體的細(xì)胞的隔膜或細(xì)胞壁的完整性或滲 透性、懸浮能力(buoyancy)或移動(dòng)能力(mobility)。將電場(chǎng)施加到水生 生物體可能導(dǎo)致生長(zhǎng)速率的改變、孢子形成(sporulation)的改變、生物體 的細(xì)胞的隔膜或細(xì)胞壁的完整性的改變(其可能導(dǎo)致電穿孔甚至溶解)，這 一點(diǎn)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。能夠迫使細(xì)胞懸浮或下沉的能力對(duì)于水生生物體的收獲具 有優(yōu)勢(shì)。
可以預(yù)期，本發(fā)明的方法可以被用于任何水生生物體(可以是單細(xì)胞的 或多細(xì)胞的)，典型地，該生物體是為一個(gè)細(xì)菌或藻類(lèi)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一電極裝置是陰極，第二電極裝置是陽(yáng)極。 第二電極裝置可以與地接觸，可以是一個(gè)遠(yuǎn)離水溶液的接地棒(earth rod )。 可選地，第二電極裝置包括用于盛放水溶液的裝置的壁的至少 一部分。
第一電極裝置可以包括非導(dǎo)電性箱體(housing)和設(shè)置其中的電極，該 箱體提供一個(gè)用于使水溶液的流體通過(guò)的通路，這樣水溶液就能與電極接觸。
第 一電極和/或第二電極可以由不銹鋼制成，可以是浸入到水溶液中的電 才及網(wǎng)、電才及才奉或電45i反。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電流可以是直流電(DC)。
第一電極和/或第二電極可以包括非導(dǎo)電性箱體；設(shè)置在箱體中的一個(gè) 或多個(gè)電極；箱體中的入口和出口，用于水溶液通過(guò)，乂人而使得水溶液與每 個(gè)電極接觸；用于使每個(gè)電極與電源連接的裝置。
電極裝置可以進(jìn)一步包括用于通過(guò)箱體接收氧化劑流的裝置，例如用于 連接氧化氣源的通孔。
電極裝置包括不導(dǎo)電的箱體，該裝置包括一個(gè)或多個(gè)管，典型地由塑料材料制成，例如聚氯乙烯。
而且，電極裝置的電極可以設(shè)置在各自管內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，電極基 本上被同軸設(shè)置在各自的管內(nèi)。
在本方法的一個(gè)實(shí)施例中，電極裝置包括;波此之間保持液體連通的兩個(gè) 或多個(gè)管，這樣，水溶液能夠從一個(gè)管的出口流入一個(gè)鄰近的管的入口。該 管可以有一直徑d,可以有一個(gè)包括入口或出口的開(kāi)口端。管的開(kāi)口端延伸 超過(guò)電極最高達(dá)到約4d的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，該距離在大約O. 5d到大 約4d之間。
第二方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)前述方法產(chǎn)生的生物體。


圖1所示為本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第一實(shí)施例的截面示意圖2所示為本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第二實(shí)施例的截面示意圖3所示為本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第三實(shí)施例的截面示意圖4所示為本發(fā)明陰極裝置的一個(gè)實(shí)施例的截面示意圖5所示為使用有機(jī)物質(zhì)、氧氣和陽(yáng)光進(jìn)行藻類(lèi)繁殖的過(guò)程縮略圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明至少部分地基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即水生環(huán)境中電場(chǎng)的建立可以用于 調(diào)整其中的生物體的生長(zhǎng)。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，電勢(shì)對(duì)于調(diào)整水生環(huán)境中生物 體的滲透性(permeability)以及控制細(xì)胞的生長(zhǎng)周期是有用的。相應(yīng)地， 本發(fā)明一方面提供一種改變水溶液中生物體(organism)的生物特性的方法， 該方法包括步驟(a )將水溶液和第一電才及裝置電接觸；(b )將水溶液和 第二電極裝置以非物理方式電接觸；以及(c )在第一電極裝置和第二電極裝 置之間通過(guò)電流，從而在水溶液中建立電場(chǎng)。
本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)"生物體，，包括任何有生命的細(xì)胞或細(xì)胞的集合，或者能夠在水溶液中生活的多細(xì)胞生物體。該術(shù)語(yǔ)包括任何簡(jiǎn)單生命形態(tài)，例如
藻類(lèi)、細(xì)菌、酵母、菌類(lèi)(fungus)、支原體、變形蟲(chóng)(amoeba)或者哺乳動(dòng) 物細(xì)胞；或者任何更復(fù)雜的生物形態(tài)，例如魚(yú)類(lèi)、曱殼類(lèi)或者植物。
本發(fā)明的各個(gè)方面以及各個(gè)實(shí)施例的討論主要在于影響和改進(jìn)水中藻類(lèi) 的培養(yǎng)，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不僅限于這種特定類(lèi)型的生物體。
本方法能夠改變水生生物體的生物特性。如此處所用到的，術(shù)語(yǔ)"生物 特性"包括如下特性中的一個(gè)或多個(gè)
(i )生長(zhǎng)，包括如下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)的變化生物體尺寸、生物 體形狀、生物體表面積或者生物體數(shù)量；(ii )發(fā)育能力；(iii)繁殖能力；(iv ) 細(xì)胞周期的時(shí)間選擇；(v)吸收營(yíng)養(yǎng)的能力；(vi)生物體的細(xì)胞的隔膜或細(xì) 胞壁的完整性或滲透性，包括生物體容納或排除溶質(zhì)或溶劑的能力；(vii) 懸浮能力；以及(viii)移動(dòng)能力。
如此處所用到的，術(shù)語(yǔ)"改變，，包括若非按本發(fā)明施加電場(chǎng)就不會(huì)產(chǎn)生 的生物特性的任何變化。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)"水溶液"包括任何溶質(zhì)的溶液，其中水是溶劑，或 者至少水是主要的溶劑。水溶液可以是自然存在的，例如池塘中的水、湖水、 江水、河水、溪水、海洋中的水(ocean water )或者大海里的水(sea water)。 水溶液可以是人工創(chuàng)造的，例如，成分明確(defined)或成分不明確 (undefined)的用于細(xì)菌生長(zhǎng)的發(fā)酵液，或者用于真核細(xì)胞生長(zhǎng)的最低限必須 i軎養(yǎng)基(minimal essential medium)。水溶液可以不與純7JC有相似的密度 或粘度，而且半固體水溶液(例如凝膠體)也考慮在內(nèi)。
水溶液可以;故容納裝置人工容納，例如桶、管道、貯水池、水壩、培養(yǎng) 瓶(incubation flask)、發(fā)酵室或者生物反應(yīng)器；或者水溶液可以被自然 容納裝置容納，例如池塘、湖、江、河、溪、海洋或大海。容納裝置可以是 自然裝置和人工裝置的組合體，例如設(shè)置在自然的湖中的養(yǎng)魚(yú)的圍欄(fish pen)。在本方法的一個(gè)實(shí)施例中，生物特性是生物體的生長(zhǎng)。發(fā)明人已經(jīng)說(shuō)明 了，本發(fā)明的方法能夠改進(jìn)水生環(huán)境中藻類(lèi)的生長(zhǎng)。相應(yīng)地，本發(fā)明將在經(jīng) 濟(jì)上重要的藻類(lèi)生產(chǎn)領(lǐng)域找到特殊用途。
大多數(shù)培養(yǎng)出的藻類(lèi)屬于微藻類(lèi)，也叫做浮游植物、微小植物或浮游藻
類(lèi)。大型藻類(lèi)，已知的如海藻，也有許多商業(yè)和工業(yè)用途，但是由于它們的 尺寸和對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境的特殊需求，它們不能讓自身很容易地像微藻類(lèi)一樣進(jìn) 行大規(guī)模培養(yǎng)，這種大型藻類(lèi)大多是從海洋中野生收獲的。盡管如此，本發(fā) 明的方法也可以應(yīng)用到大型藻類(lèi)。
在培養(yǎng)藻類(lèi)時(shí)，幾個(gè)因素應(yīng)當(dāng)被考慮，并且不同的藻類(lèi)具有不同的要求。 水應(yīng)當(dāng)在一個(gè)能夠支持特定海藻物種生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)。營(yíng)養(yǎng)物應(yīng)當(dāng)被控制， 這樣藻類(lèi)不會(huì)被"餓，，，而營(yíng)養(yǎng)物也不會(huì)被浪費(fèi)。光應(yīng)當(dāng)既不太強(qiáng)也不太弱。
在一個(gè)實(shí)施例中，本方法為了能夠在水溝型(raceway type)池塘和湖 中培養(yǎng)野生藻類(lèi)而實(shí)施。本發(fā)明的方法在這種大規(guī)模的場(chǎng)合中具有特別的優(yōu) 勢(shì)。生長(zhǎng)季節(jié)非常依賴(lài)于位置，除了熱帶地區(qū)，生長(zhǎng)季節(jié)主要限制在較溫暖
養(yǎng)藻類(lèi)的環(huán)境條件。這種類(lèi)型的系統(tǒng)的主要的優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)便宜，最少只需 要挖一個(gè)溝或者池塘。相對(duì)于其他具有可比尺寸和成本的系統(tǒng)，它還有最大 的產(chǎn)出能力。當(dāng)涉及到的特定的藻類(lèi)需要(或者能夠存活于)某種極限環(huán)境， 而在這種極限環(huán)境中其他藻類(lèi)無(wú)法存活時(shí)，這種培養(yǎng)類(lèi)型是可行的。例如， 螺旋藻(Spirulina sp.)能夠在碳酸氫鈉濃度很高的水中生長(zhǎng)，而杜氏鹽藻 (Dunaliela salina)可以在鹽度極高的水中生長(zhǎng)。如果有一個(gè)系統(tǒng)，筒單 而不貴，能夠選出所需藻類(lèi)，并能夠?qū)⒏叱跏紳舛鹊乃柙孱?lèi)輸入 (inoculate)到新的池塘，則開(kāi)放式的培養(yǎng)也是可行的。 一些鏈?zhǔn)焦柙鍖?(chain diatoms )即屬于此類(lèi)，因?yàn)樗鼈兡軌騘皮/人通過(guò)流出管流動(dòng)的水流中 過(guò)濾。細(xì)密網(wǎng)眼布制成的"枕頭套"被綁在流出管的外部，大多數(shù)的藻類(lèi)正 好流過(guò)。鏈?zhǔn)焦柙鍖俦粶粼诖永?，用于喂養(yǎng)壞的幼蟲(chóng)(在東方孵化所(inEastern hatcheries)),并且用于l命入到新的桶或池塘。
基本的"開(kāi)放式池塘"系統(tǒng)的一個(gè)變化是將其關(guān)閉，用一個(gè)溫室將池塘 或水池覆蓋。由于經(jīng)濟(jì)原因，這樣通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的系統(tǒng)，^a該系統(tǒng)確 實(shí)可以解決許多與開(kāi)放式系統(tǒng)相關(guān)的問(wèn)題。它允許更多的物種生長(zhǎng)，允許正 在培養(yǎng)生長(zhǎng)的物種保持主導(dǎo)地位，它擴(kuò)展了生長(zhǎng)季節(jié)，如果不加熱只會(huì)稍微 擴(kuò)展一些，如果加熱可以常年生產(chǎn)。
藻類(lèi)還可以在一個(gè)光生物反應(yīng)器中生長(zhǎng)。光生物反應(yīng)器是一個(gè)綜合了某 類(lèi)型光源的生物反應(yīng)器。實(shí)際上任何一個(gè)半透明的容器都可以被稱(chēng)作光生物 反應(yīng)器，但是這個(gè)術(shù)語(yǔ)更常用于定義一個(gè)與開(kāi)放式的桶或池塘相對(duì)的閉合的 系統(tǒng)。因?yàn)檫@些系統(tǒng)是閉合的，所有基本的營(yíng)養(yǎng)物必須引入到該系統(tǒng)中使得 藻類(lèi)能夠生長(zhǎng)和被培養(yǎng)?；镜臓I(yíng)養(yǎng)物包括二氧化碳、水、礦物質(zhì)和光。一 個(gè)被溫室覆蓋的池塘可以被認(rèn)為是一個(gè)光生物反應(yīng)器。 一個(gè)光生物反應(yīng)器可 以以"分批模式"工作，但是也可能引入一個(gè)持續(xù)的已滅菌的包括營(yíng)養(yǎng)物、 空氣和二氧化碳的水流。當(dāng)藻類(lèi)生長(zhǎng)時(shí)，過(guò)度的培養(yǎng)物泛濫并被收獲。如果 沒(méi)有足夠的照顧，連續(xù)的生物反應(yīng)器通常很快會(huì)崩潰，但是一旦它們被成功 啟動(dòng)后，它們能夠持續(xù)工作^f艮長(zhǎng)時(shí)間。這種類(lèi)型的藻類(lèi)培養(yǎng)的一個(gè)好處是生 產(chǎn)出了 "對(duì)數(shù)期(log phase)，，的藻類(lèi)，"對(duì)數(shù)期，，的藻類(lèi)比"衰老，，的藻 類(lèi)通常具有更高的營(yíng)養(yǎng)成分?？梢灾?，當(dāng)"交換率(交換一個(gè)容量的液體 的時(shí)間)，，等于藻類(lèi)的"倍增時(shí)間(doubling time)"(在數(shù)量或容量上)時(shí)， 生物反應(yīng)器達(dá)到最大產(chǎn)率。
雖然藻類(lèi)經(jīng)常以單一栽培方式生長(zhǎng)，使用微生物技術(shù)來(lái)純化所需的菌種 (strain)，另 一種方法已經(jīng)被成功地用來(lái)生產(chǎn)用于培養(yǎng)多種軟體動(dòng)物的藻 類(lèi)種子。將海水通過(guò)過(guò)濾器，從而濾除那些對(duì)于正在被培養(yǎng)的幼蟲(chóng)來(lái)說(shuō)太大 了的藻類(lèi)。溫室中的桶，有時(shí)在軟體動(dòng)物房的陽(yáng)臺(tái)上，用部分過(guò)濾的水填充， 并加入營(yíng)養(yǎng)物。該桶可以被暴露于空氣中，經(jīng)過(guò)僅一天或兩天的生長(zhǎng)后水即 可被使用。由此產(chǎn)生的混合藻類(lèi)的稀湯對(duì)于軟體動(dòng)物幼蟲(chóng)來(lái)說(shuō)是非常好的食物源。這種藻類(lèi)生產(chǎn)(alagculture)方法的優(yōu)點(diǎn)是維持要求低。
藻類(lèi)培養(yǎng)生長(zhǎng)速度升高的一個(gè)實(shí)際的好處是每單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)了更多的
藻類(lèi)產(chǎn)品。這樣，在一個(gè)給定容量的水溶液中，可以得到更大容量的產(chǎn)品。
在本方法的一個(gè)實(shí)施例中，生物特性是細(xì)胞周期的時(shí)間選擇。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以理解，細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖遵循預(yù)先確定的周期。對(duì)于許多細(xì)胞 類(lèi)型，細(xì)胞周期由四個(gè)不同的時(shí)期組成Gl期、S期、G2期(統(tǒng)稱(chēng)分裂期) 和M期。M期自身由兩個(gè)緊密聯(lián)系的過(guò)程組成細(xì)胞有絲分裂，其中細(xì)胞的 染色體被分配到兩個(gè)子細(xì)胞中；和細(xì)胞質(zhì)分裂，其中細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)分離，形 成兩個(gè)不同的細(xì)胞。每一個(gè)時(shí)期的激活都是依賴(lài)于前一個(gè)時(shí)期的合適的進(jìn)展 和完成。已經(jīng)暫時(shí)停止分裂或可逆(reversibly)停止分裂的細(xì)胞就是將要 進(jìn)入被稱(chēng)作GO期的靜止?fàn)顟B(tài)。
相對(duì)短暫的M期由核分裂(細(xì)胞有絲分裂)和細(xì)胞質(zhì)的分裂(細(xì)胞質(zhì)分 裂)組成。在植物和藻類(lèi)中，細(xì)胞質(zhì)分裂是伴隨著新的細(xì)胞壁的形成的。時(shí) 間最長(zhǎng)的是分裂期。
M期后，子細(xì)胞各自開(kāi)始一個(gè)新周期的分裂期。盡管分裂期的各種階段 不是經(jīng)常能夠從形態(tài)上分辨，但是細(xì)胞周期的每一個(gè)時(shí)期都有一組不同的特 定生物過(guò)程，這些生物過(guò)程為細(xì)胞分裂的開(kāi)始做準(zhǔn)備。
在分裂期的第一個(gè)時(shí)期，從前一個(gè)M期的末尾一直到DM合成的開(kāi)始被 叫作G1 (G指裂開(kāi)(gap)或生長(zhǎng)(growth))。在這個(gè)時(shí)期，細(xì)胞的生物合 成行為(被認(rèn)為在M期會(huì)極大降低的)以很高的速率重新開(kāi)始。這個(gè)時(shí)期以 各種酶的合成標(biāo)志，酶是S期必須的，主要用于DNA的復(fù)制。Gl的持續(xù)期變 化較大，甚至相同物種的不同細(xì)胞之間也不同。
當(dāng)DNA合成開(kāi)始時(shí)，接下來(lái)的S期開(kāi)始。當(dāng)DNA合成完成，所有的染色 體被復(fù)制，即，每一個(gè)染色體有兩個(gè)(姐妹)染色單體。這樣，在這個(gè)時(shí)期， 細(xì)胞中DNA的數(shù)量有效翻倍，盡管細(xì)胞的倍數(shù)性(ploidy)保持相同。RNA 的轉(zhuǎn)錄率和蛋白質(zhì)的合成率在這個(gè)時(shí)期非常低。 一個(gè)例外就是組織蛋白的生產(chǎn)，大多數(shù)組織蛋白出現(xiàn)在s期。s期的持續(xù)期相對(duì)來(lái)說(shuō)在相同物種的細(xì)胞 中比較一致。
細(xì)胞然后進(jìn)入G2期，G2期一直持續(xù)到細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞有絲分裂。顯著的 蛋白質(zhì)合成在這個(gè)時(shí)期再次出現(xiàn)，主要涉及到微管(microtubules)的生產(chǎn)， 微管在細(xì)胞的有絲分裂過(guò)程中是必需的。G2期蛋白質(zhì)合成的抑制阻止細(xì)胞經(jīng) 歷細(xì)胞有絲分裂。
術(shù)語(yǔ)"有絲分裂期后的(post-mitotic)，，有時(shí)被用于指靜止的和衰老 的纟田月包。多細(xì)月包真沖亥生物(eukaryotes)中的非增歹直(nonproliferative) 細(xì)胞通常從Gl進(jìn)入到靜止的GO狀態(tài)，并且很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能保持靜止， 可能是無(wú)限期的(例如神經(jīng)細(xì)胞的情況)。這對(duì)于完全分化(different iated ) 的細(xì)胞非常常見(jiàn)的。細(xì)胞的衰老是對(duì)DNA的損害或退化做出反應(yīng)的一種狀態(tài)， DNA的衰老和退化將使得細(xì)胞的后代無(wú)法存活；通過(guò)程序性細(xì)胞死亡 (apoptosis )使得受到損害的細(xì)胞自己毀滅是一種生物化學(xué)的替代方法。成 熟生物體中的一些細(xì)胞類(lèi)型，例如肝臟和腎臟的薄壁組織(parenchymal)細(xì) 胞，半永久性進(jìn)入GO期，能夠在非常特定的環(huán)境下只被引導(dǎo)到再次分裂。其 他的類(lèi)型，例如上皮(epithelial )細(xì)胞，在整個(gè)生物體的生命中持續(xù)分裂。 這樣，本發(fā)明的方法可以對(duì)任何前述階段或時(shí)期的細(xì)胞的同步起作用。 上述的過(guò)程具有通用性，本發(fā)明方法的一些實(shí)施例適合特定的生物體。 例如，細(xì)菌的生長(zhǎng)涉及到在二分裂(binary fission)期間一個(gè)細(xì)菌分裂成 兩個(gè)同樣的子細(xì)胞。因此，細(xì)胞種群的本地倍增發(fā)生。分裂產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì) 胞不一定都能存活下來(lái)。如果存活數(shù)量超過(guò)整體的平均數(shù)，細(xì)胞種群經(jīng)歷指 數(shù)生長(zhǎng)。分批培養(yǎng)中指數(shù)級(jí)細(xì)菌生長(zhǎng)曲線的測(cè)量通常是所有微生物學(xué)家培訓(xùn) 的一部分；基本的手段需要細(xì)菌計(jì)數(shù)(細(xì)胞計(jì)數(shù))，通過(guò)直接和單個(gè)(用顯. 微鏡，流動(dòng)的血細(xì)胞計(jì)數(shù))方法、直接和批量(單位體積內(nèi)的生物數(shù)量)方 法、間接和單個(gè)(菌落計(jì)數(shù))方法或者間接和批量(最大可能數(shù)量，混濁法 (turbidity),養(yǎng)分?jǐn)z取)方法。在個(gè)體生態(tài)學(xué)研究中，分批培養(yǎng)中細(xì)菌生長(zhǎng)可以被模擬成四個(gè)不同的時(shí)
期延遲期(lag phase) (A)、指數(shù)期或?qū)?shù)期(B)、穩(wěn)定期(C)和死亡 期(D)。
在延遲期，細(xì)菌將自身適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境。這個(gè)階段，單個(gè)細(xì)胞成熟，但還 不能分裂。
在指數(shù)期(有時(shí)候稱(chēng)作對(duì)數(shù)期)，單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的新細(xì)菌的數(shù)量與當(dāng) 前種群中的細(xì)菌的數(shù)量成比例關(guān)系。這就產(chǎn)生典型的指數(shù)生長(zhǎng)曲線，其中種 群密度的對(duì)數(shù)隨著時(shí)間線性增加。生長(zhǎng)的實(shí)際速率依賴(lài)于生長(zhǎng)環(huán)境，生長(zhǎng)環(huán) 境影響細(xì)胞分裂活動(dòng)的頻率和兩個(gè)子細(xì)胞存活可能性。指數(shù)生長(zhǎng)不能無(wú)限制 持續(xù)，因?yàn)榕囵B(yǎng)基(medium)的營(yíng)養(yǎng)物被消耗，而且充滿(mǎn)了廢棄物。
在穩(wěn)定期，由于營(yíng)養(yǎng)物的消耗和有毒產(chǎn)物的積聚，生長(zhǎng)速率減緩。當(dāng)細(xì) 菌開(kāi)始消耗能夠獲得的資源時(shí)，這個(gè)時(shí)期到達(dá)。死亡期的細(xì)菌耗盡營(yíng)養(yǎng)物然 后死亡。
這樣，本發(fā)明的方法可以對(duì)任何前述階段或時(shí)期的細(xì)菌的細(xì)胞的同步起 作用。
基本的分批培養(yǎng)生長(zhǎng)模型突出并著重于細(xì)菌生長(zhǎng)方面，其與大型動(dòng)物的 生長(zhǎng)是不同的。其著重在克隆性(clonality)，無(wú)性二分裂(asexual binary division)，與復(fù)制自身相關(guān)的較短的發(fā)展時(shí)間，看起來(lái)較低的死亡率，從 休眠態(tài)到繁殖態(tài)進(jìn)展的需要，或者調(diào)控培養(yǎng)基的需要，以及實(shí)驗(yàn)室中的菌種 耗盡它們的營(yíng)養(yǎng)物的趨勢(shì)。
一個(gè)化學(xué)恒定器，也 被熟知為連續(xù)培養(yǎng)。它在空間上理想地?zé)o特定結(jié)構(gòu)，并且不臨時(shí)構(gòu)建，處于一個(gè)由營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)率和細(xì)菌的反應(yīng)定義的均衡態(tài)。與分批培養(yǎng)相比，細(xì)菌保 持在指數(shù)生長(zhǎng)期，且細(xì)菌的生長(zhǎng)率可知。相關(guān)的設(shè)備包括恒濁器
(trubidostats )和恒進(jìn)器(auxostats)。
細(xì)胞周期可以包括針對(duì)某種屬類(lèi)(genera )或生物體物種的活動(dòng)。例如， 一些海藻物種包括孢子形成步驟。這是在藻類(lèi)無(wú)性繁殖中最普通的一種形式。 孢子形成是指一種過(guò)程，在該過(guò)程中，生物體的任意細(xì)胞在他自身的細(xì)胞壁 內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)繁殖的細(xì)胞。原始的細(xì)胞被稱(chēng)作孢子嚢，新的細(xì)胞#:稱(chēng)作 孢子。孢子由于很快的種群級(jí)的增長(zhǎng)速度，經(jīng)常以很大數(shù)量產(chǎn)生。發(fā)明人在 此已經(jīng)說(shuō)明，本發(fā)明的方法能夠使得藻類(lèi)種群的細(xì)胞周期同步，這樣孢子形 成(或"成熟")可以覆蓋整個(gè)種群的成員而被同步。成熟同步的一個(gè)實(shí)際 的好處是能夠在最佳產(chǎn)量階段收獲整個(gè)藻類(lèi)種群。
在本方法的一個(gè)實(shí)施例沖，生物特性是指生物體的細(xì)胞的隔膜或細(xì)胞壁 的完整性或滲透性，包括生物體容納、排除、接納或排出溶質(zhì)或溶劑的能力。
滲透性的改變對(duì)于通過(guò)電穿孔(electroporation)過(guò)程(通常被稱(chēng)作電 通透(electropermeabilization))促進(jìn);容質(zhì)進(jìn)入到7K生生物體的纟田月包，或 者促進(jìn)溶質(zhì)從水生生物體的細(xì)胞中退出可能是有用的。在分子生物學(xué)中，這 種方法通常用于引導(dǎo)一些物質(zhì)進(jìn)入到細(xì)胞中，例如向它加載分子探針、能夠 改變細(xì)胞功能的藥物或者一條編碼DNA。盡管如此，該方法可以被用于一個(gè) 較大的規(guī)^莫，例如一個(gè)用于細(xì)菌生長(zhǎng)的生物反應(yīng)器。
當(dāng)穿過(guò)等離子體薄膜的電壓超過(guò)—它自身的電介質(zhì)強(qiáng)度(dielectric strength)時(shí)，孔便形成。如果應(yīng)用的電場(chǎng)的強(qiáng)度和/或暴露在電場(chǎng)中的持續(xù) 時(shí)間被合適地選擇，由電脈沖形成的孔短時(shí)間之后會(huì)重新封閉，在該較短時(shí) 間內(nèi)細(xì)胞外的化合物有機(jī)會(huì)進(jìn)入到該細(xì)胞。有生命的細(xì)胞過(guò)多的暴露于電場(chǎng) 中能夠?qū)е鲁绦蛐约?xì)胞死亡和/或壞死(necrosis),這些過(guò)程都是能夠?qū)е?纟田月包死亡的過(guò)程。
在分子生物學(xué)中，電穿孔法的過(guò)程經(jīng)常被用于細(xì)菌、酵母和植物原生質(zhì)體(protoplasts)的轉(zhuǎn)化(transformation)。除了脂質(zhì)薄膜，細(xì)菌還有細(xì) 胞壁，細(xì)胞壁與脂質(zhì)薄膜不同，是由肽聚糖及其衍生物形成的。盡管如此， 該細(xì)胞壁天然多孔，只能作為硬殼保護(hù)細(xì)菌不受?chē)?yán)重的環(huán)境影響。如果細(xì)菌 和質(zhì)體(plasmids )混合在一起的，經(jīng)過(guò)電穿孔，該質(zhì)體可以被轉(zhuǎn)變成細(xì)胞。
這個(gè)過(guò)程對(duì)于將外界基因引入培養(yǎng)細(xì)胞的組織非常有效，特別是哺乳動(dòng) 物的細(xì)力包。例如，它^皮用于產(chǎn)生基因剔除鼠(knockout mice)的過(guò)程中，以 及腫瘤治療、基因治療以及基于細(xì)胞的治療。將外界DNA引導(dǎo)到真核細(xì)胞被 認(rèn)為是轉(zhuǎn)染(transf ect ion )。
懸浮能力這種生物特性可與隔膜或細(xì)胞壁的完整性或滲透性有關(guān)，假設(shè) 這些結(jié)構(gòu)可能對(duì)細(xì)胞內(nèi)的鹽、水、蛋白質(zhì)、脂肪、油和氣體的濃度的調(diào)節(jié)起 作用。懸浮能力的改變可以實(shí)際用于輔助收獲水生生物體。例如，如果懸浮 能力增加，生物體將漂浮到水溶液的表面，可以用一個(gè)網(wǎng)、簾子或類(lèi)似的裝 置方便地從表面收集。相反地，如果懸浮能力下降，生物體將沉到水溶液的 底部。浮在表面的東西可^C吸走，剩下聚集的待收獲的生物體。
如前文討論的，本發(fā)明提供能夠改變生物體的生物特性的能力。應(yīng)當(dāng)理 解，本發(fā)明不限于對(duì)生物體的整體健康有積極作用的改變。例如，如果需要， 本發(fā)明對(duì)于阻止生物體的生長(zhǎng)也是有用的。光合生物體的懸浮能力可以下降， 這樣它接受的光照變少，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)率下降。如果需要完全殺死一個(gè)生物 體，可以用電壓，這樣生物體的細(xì)胞就完全溶解(lysed),如同此處例子中 描述的。
該方法包括第一電極裝置和第二電極裝置的使用。第一電極裝置與水溶 液保持直接的物理和電接觸，典型地，第一電極裝置是陰極。在使用時(shí)，它 可以顯示負(fù)電荷。在一個(gè)實(shí)施例中，第一電極裝置包括非導(dǎo)電性箱體和一個(gè) 設(shè)置其中的電極，該箱體提供一個(gè)用于使水溶液通過(guò)的通路，這樣水溶液就 能與電極接觸。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一電極裝置可以包括浸入到水溶液中 的電極網(wǎng)或電極板。第二電極裝置與水溶液保持電接觸，但是沒(méi)有物理接觸，典型地，第二 電極裝置是陽(yáng)極。在使用時(shí)，它可以顯示正電荷。第二電極裝置可以接地， 可以包括一個(gè)遠(yuǎn)離水溶液的接地棒。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二電極裝置包括 用于盛放水溶液的裝置的壁的至少一部分。
第二電極裝置與水溶液沒(méi)有直接的物理接觸，盡管它與水溶液有電接觸。
這對(duì)于將第二電極裝置埋藏在遠(yuǎn)離水溶液的土地中是有效的(例如，在處理 大量的戶(hù)外水的情況中，例如湖)，或者第二電極裝置可以包括一個(gè)用于盛 放水溶液的容納裝置的外部壁(例如，當(dāng)處理小容量的水溶液時(shí)，例如一個(gè) 桶或池塘)。在任一情況中，為了使第二電極裝置和水溶液之間有電接觸， 環(huán)繞水溶液的容納裝置(例如環(huán)繞大地的墻壁等)應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)電體。
本發(fā)明一個(gè)重要的特點(diǎn)是，水溶液與第二電極裝置之間沒(méi)有物理接觸， 水溶液的化學(xué)性質(zhì)能夠被控制，這樣水溶液中生物體的生物特性就能夠被改
變。不限于該理論，相信與第一電極裝置相關(guān)的半電池反應(yīng)(half cell reaction)能夠進(jìn)行，與第二電極裝置相關(guān)的則不能，因?yàn)橄嚓P(guān)的水生物種 不能接觸第二電極裝置的電荷點(diǎn)(point of charge),從而與第二電極裝置 相關(guān)的半電池反應(yīng)由于沒(méi)有足夠的離子遷移而無(wú)法繼續(xù)完成。相反地，第二 電極和第二電極與容納裝置的內(nèi)表面之間的區(qū)域變成半電池。
第二電極裝置與水溶液沒(méi)有直接的物理接觸的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電極的電化 學(xué)腐蝕最小。
正如所描述的，較佳地，第一電極裝置是陰極，第二電極裝置是陽(yáng)極。 選擇陰極的第一電極裝置有很多理由。第一，由于陽(yáng)極的第二電極裝置 與水溶液沒(méi)有物理接觸，用于完成與電極相關(guān)的半電池反應(yīng)的離子遷移不足。 特別地，涉及到從溶液中產(chǎn)生和排除氣態(tài)氧的半電池反應(yīng)是水電解期間典型 的陽(yáng)極半電池反應(yīng)。盡管如此，在本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例中，由于陽(yáng)極的 第二電極裝置在水外邊，那些半電池反應(yīng)中涉及到的陰離子不能接觸到陰極 的電荷點(diǎn)。相應(yīng)地，水溶液中的電流密度不高，不足以進(jìn)行導(dǎo)致從溶液中釋放出氣態(tài)氧("放氣")的反應(yīng)。相應(yīng)地，氧氣溶解在溶液中，產(chǎn)生一個(gè)氧 氣豐富的溶液，其中氧氣超飽和。這種環(huán)境對(duì)于有機(jī)體雜質(zhì)的處理是非常有 益的。
選擇陰極的第 一 電極裝置的另 一個(gè)原因是，大多數(shù)無(wú)機(jī)污染物是陽(yáng)離子 性的(特別是金屬離子)，這就意味著陽(yáng)離子將遷移到陰極，并經(jīng)歷半電池 反應(yīng)和/或在那里沉積為鹽，這將把它們從溶液中移除。
而且，普通電極材料的穩(wěn)定性在陰極的時(shí)候要好于陽(yáng)極。許多普通的電 極金屬在陽(yáng)極情況下易被氧化(電化學(xué)腐蝕)，這將進(jìn)一步用陽(yáng)極金屬的氫 氧化物污染水溶液。相應(yīng)地，第一電極裝置是陽(yáng)極的，應(yīng)當(dāng)盡量由抗氧化的 金屬制成，例如鉑。
在一些實(shí)施例中，電極的極性可以顛倒。例如，第一電極裝置是陰極， 第二電極裝置是陽(yáng)極，電極的極性可以顛倒，至少暫時(shí)顛倒，為了周期性清 洗電極，將在電解過(guò)程中沉積在電極上的物質(zhì)去除，例如金屬鹽。
當(dāng)電流通過(guò)電極時(shí)，電場(chǎng)在水溶液中就建立起來(lái)了。電流典型的是直流
電(DC)。盡管交流電(AC)可以在一些應(yīng)用中使用，例如極性顛倒時(shí)用到。 電極裝置可以包括非導(dǎo)電性箱體和設(shè)置在箱體中的一個(gè)或多個(gè)電極。該 箱體可以包括一個(gè)或多個(gè)管。該管典型地由朔料材料制成，在一個(gè)實(shí)施例中，
該管是由聚氯乙烯制成的。該箱體可以是無(wú)孔的，具有基本上結(jié)實(shí)的壁，具 有4吏得電極積垢最小化的優(yōu)勢(shì)。
電極可以是一個(gè)棒，或者包括一個(gè)棒，該棒是實(shí)心的或鏤空的。典型地， 該棒由不銹鋼制成。在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，該電極基本上同軸地設(shè)置在 各自的管內(nèi)。
電極裝置還可以包括一個(gè)設(shè)置在箱體中的入口和出口，用于使含有生物 體的水溶液通過(guò)，這樣水溶液就能與各個(gè)電極接觸，還可以包括將每個(gè)電極 與電源連接的裝置。
在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置有電極的相應(yīng)的管有一個(gè)開(kāi)口端，該開(kāi)口端作為水溶液的入口或出口。管的開(kāi)口端延伸超過(guò)電極足夠的距離，從而 使得電極上的離子沉積最小化。較佳地，電極的第一端部和電源連接，相應(yīng) 的管的開(kāi)口端延伸出該電極的第二自由端部。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將電極的自由端部與管的開(kāi)口端分開(kāi)一段距離，由于
離子沉積在電極上導(dǎo)致的積垢(fouling)能夠減少，從而可以使得經(jīng)過(guò)電極 的水流的阻塞的可能性最小。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該管的開(kāi)口端與電極之間離 開(kāi)的距離小于或等于管的直徑的4倍時(shí)，可以得到最優(yōu)的結(jié)果。在該方法的 一些實(shí)施例中，可以是直徑的0. 5倍到4倍。不限于該理論，應(yīng)當(dāng)相信，將 電極與管的開(kāi)口端分開(kāi)，管內(nèi)的電流的路徑就更集中，這會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)有一個(gè) 與管外電場(chǎng)相比相對(duì)集中的電場(chǎng)。此時(shí)離子沉積后形成在管外，而不是在電 極上。
將自由電極端與管的開(kāi)口端分開(kāi)一定距離的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，集中的電 場(chǎng)導(dǎo)致所需的電能顯著減少，例如可以減少高達(dá)70-80%。例如，管的直徑為 100mm,電極的自由端設(shè)置在距離管的開(kāi)口 100mm的位置，所需的電流大約從 250mA降低到了 50mA。
電極裝置可以進(jìn)一步包括用于接收反應(yīng)性流體流的裝置，例如通過(guò)箱體 接收氧化劑流。用于接收反應(yīng)流體流的裝置可以包括一個(gè)用于連接氣體源的 通孔，例如空氣或其他氧化性氣體，可以與壓縮的空氣連接，從而形成一個(gè) 空運(yùn)泵。
在電解方法中氧化劑的51入極大地增強(qiáng)了氧化劑的溶解性，例如溶液中 的氧氣，特別是第一電極裝置是陰極的情況。引入的氧氣，與電解過(guò)程中產(chǎn) 生的溶解氧，可以導(dǎo)致溶液中的氧氣超飽和。反應(yīng)性含氧物質(zhì)，氧離子和自 由基的產(chǎn)生是有好處的。
在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)足夠強(qiáng)和/或延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)以增加對(duì)生 物體的氧的供應(yīng)。在生物體需要溶解氧來(lái)生長(zhǎng)的情況下，本實(shí)施例將增強(qiáng)該 生物體的生長(zhǎng)或發(fā)育能力。在該方法的另一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)足夠強(qiáng)和/或延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)以增強(qiáng)生 物體的隔膜的電化學(xué)電勢(shì)。
在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)足夠強(qiáng)和/或延續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)以將生物體
和水溶液中的生物體需要的營(yíng)養(yǎng)物共定位(co-localise)。使生物體與營(yíng)養(yǎng) 物(基本的或非基本的)更接近增強(qiáng)了輔助生物體生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物的獲得。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠改變參數(shù)，例如電極之間的距離，電流，電壓和 時(shí)間，從而得到或優(yōu)化與生物特性相關(guān)的所需的結(jié)果。在該方法的一個(gè)實(shí)施 例中，電極之間的距離可以/人至少包括1， 2, 3, 4， 5， 6， 7, 8, 9， 10, 15, 20， 25， 50, 75， 100， 250, 500， 750和1000米的組中選擇。在另一 個(gè)實(shí)施例中，電壓可以從至少包括1， 2， 3， 4， 5， 6， 7, 8， 9， 10， 15， 20， 25， 50, 75, 100, 250， 500， 750和1000伏的組中選擇。為了提高藻 類(lèi)的生長(zhǎng)，小于24伏(V)的電壓是一個(gè)典型的值，而對(duì)于隔膜滲透 (permeablization)或細(xì)胞的溶解(lysis),大于24伏的電壓#1典型地佳_ 用。在再一個(gè)實(shí)施例中，施加電場(chǎng)的時(shí)間/人至少包括1， 2， 3， 4, 5, 6， 7，
8, 9， 10， 15, 20， 25, 50， 75， 100, 250, 500， 750和1000分鐘的組中 選擇，或者從至少包括l， 2， 3, 4, 5， 6， 7, 8, 9， 10， 11， 12, 13, 14， 15， 20， 25和30天的組中選4奪，或者從至少包括l, 2, 3， 4， 5， 6, 7， 8，
9, 10, 11和12個(gè)月的組中選4奪。重點(diǎn)是，電場(chǎng)可以是或可以不是持續(xù)應(yīng)用 于某個(gè)時(shí)間，在一定時(shí)間內(nèi)可以反復(fù)開(kāi)啟或關(guān)閉。重點(diǎn)是，電壓(或者任何 其它參數(shù))在任何持續(xù)時(shí)間內(nèi)都可以改變。
可以理解，依據(jù)生物特性的單個(gè)所需的結(jié)果可以通過(guò)任意兩個(gè)或多個(gè)前 述參數(shù)的處理獲得。例如，電壓下降可由時(shí)間的增長(zhǎng)來(lái)補(bǔ)償，反之亦然。
在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，陰極裝置設(shè)置在水溶液中。通過(guò)將陰極裝置 設(shè)置在水溶液中，在容納裝置的壁和陰極裝置之間有直接的電流路徑，這樣 一個(gè)電場(chǎng)就產(chǎn)生了，該電場(chǎng)允許水溶液中的離子遷移到相應(yīng)的電極。陰離子 類(lèi)的離子將遷移到容納裝置的壁，陽(yáng)離子類(lèi)的離子將遷移到陰極裝置。通過(guò)直接和/或間接的電解，陰離子遷移的產(chǎn)物的其中之一可以是氧，氧是有氧呼 吸中的必需元素。這可能增強(qiáng)有氧細(xì)菌的活動(dòng)，從而導(dǎo)致植物和藻類(lèi)生物體 可得的營(yíng)養(yǎng)物增多，從而導(dǎo)致這些生物體的產(chǎn)量增加，圖1中，左上角氧的 增加導(dǎo)致了左下角新的藻類(lèi)。
在該方法的另 一個(gè)實(shí)施例中，陰極表面積少于容納裝置的內(nèi)壁表面積的
大約70、 65、 60、 55、 50、 45、 40、 35或30%。在一個(gè)實(shí)施例中，陰才及表面 積少于容納裝置的內(nèi)壁表面積的65%。保持陰極表面積小于容納裝置內(nèi)壁的 表面積，能夠在水溶液中建立起不均勻場(chǎng)梯度(potential gradient),這 樣趨近于陰極處的場(chǎng)梯度增大。如圖1所示，陰極裝置區(qū)域內(nèi)的細(xì)菌可能受 這種增大的場(chǎng)梯度的影響，其結(jié)果是細(xì)胞內(nèi)的隔膜的電化學(xué)勢(shì)可能被影響， 導(dǎo)致幾個(gè)基本的生理過(guò)程的激化，這些生理過(guò)程包括ATP合成、鞭毛旋轉(zhuǎn)和 生長(zhǎng)收率(growth yield))。這樣，陰極的影響將導(dǎo)致細(xì)菌的尺寸和活動(dòng) 性(activity)增大，從而導(dǎo)致藻類(lèi)產(chǎn)量增大。
在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)是不均勻的。通過(guò)不均勻電場(chǎng)線，如圖 2所示，可以看出，線密集的地方電場(chǎng)強(qiáng)。這樣就有將營(yíng)養(yǎng)物和孩i小的生物 體吸引到更強(qiáng)的電場(chǎng)區(qū)域的作用，從而生物活性增強(qiáng)。這又可能導(dǎo)致優(yōu)選的 物種的產(chǎn)量增長(zhǎng)。
一旦所需的海藻的生長(zhǎng)完成，可能需要進(jìn)一步執(zhí)行一個(gè)或兩個(gè)步驟，都 使用本發(fā)明的方法
步驟1、關(guān)閉電源(在一個(gè)實(shí)施例中是直流電)，藻類(lèi)被刺激，進(jìn)入到 被認(rèn)為是催熟(ripening)的休眠孢子期。這個(gè)過(guò)程可能需要多天，對(duì)于收 獲過(guò)程有益。
步驟2、打開(kāi)電源，加大電壓或?qū)㈦妷簶O性顛倒，電源可以包括短時(shí)延 高能量的脈沖或者AC,藻類(lèi)被溶解，從懸浮態(tài)下沉，促成便于收獲的凈化過(guò) 程。
當(dāng)藻類(lèi)在^f木眠孢子期一皮殺死，可以從水溶液的頂部收獲油，因?yàn)橐徊糠忠呀?jīng)與細(xì)胞集合在一起，容易分離(jettisoned)。未處于休眠孢子期的藻 類(lèi)將溶解，下沉到保留許多油脂的底部。它們可以從容器的底部被收獲，這 樣油脂可以被其他的過(guò)程重新利用，或者可以有其他的用處。
可以理解，采用該方法進(jìn)行的對(duì)生物體的任何處理可能發(fā)生在生物體生 長(zhǎng)或保存的容納裝置內(nèi)，可能不發(fā)生在生物體生長(zhǎng)或保存的容納裝置內(nèi)。例 如，細(xì)胞可以生長(zhǎng)在一個(gè)沒(méi)有電場(chǎng)的生物反應(yīng)器中，隨后被轉(zhuǎn)移到一個(gè)分離 的容器中進(jìn)4亍后續(xù)的應(yīng)用前述電場(chǎng)進(jìn)行的溶解或電解。
本方法可以使用很多種類(lèi)型的電極(例如固體棒狀電極、網(wǎng)狀電極、片 狀電極等)，特定的實(shí)施例將會(huì)在下文中介紹。在以下附圖的討論中，相同 的附圖標(biāo)記指代相同的部件。
圖1所示為本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意截面10,用于影響和 改進(jìn)處于導(dǎo)電容器24中的水生生物體的培養(yǎng)和生長(zhǎng)，導(dǎo)電容器24可以是在 開(kāi)放的空地上挖的一個(gè)池塘，包括水體12。包括一系列電接觸的棒或管的陰 極裝置14,浸入水體12中，覆蓋水體12的一個(gè)區(qū)域。陽(yáng)極裝置包括陽(yáng)極棒 16,埋在圍繞水體12的土地18中。土地18有效地作為水體12的水容納裝 置。陰極裝置14和陽(yáng)極棒16分別與電源的負(fù)極端和正極端連接，電源包括 一個(gè)DC電源20?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整使得DC電源20提供0-100伏之間的電壓， 從而可以在水體12和周?chē)耐恋?8中建立電場(chǎng)，如電流^各徑線22所示。調(diào) 整電壓直到電場(chǎng)足夠強(qiáng)，延長(zhǎng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，從而足以實(shí)現(xiàn)如下步驟中的一個(gè)、 一些或所有
(i )增大氧的供應(yīng)量，滿(mǎn)足有益的有氧物種的有氧呼吸的需求。 (ii )增大細(xì)胞隔膜電化學(xué)電勢(shì)，以增強(qiáng)基本生理過(guò)程和生長(zhǎng)收率。 (iii)有效地定位物種及其營(yíng)養(yǎng)物的濃度。
在如下圖2和圖3的描述中，分別說(shuō)明了本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第二和第 三實(shí)施例，討論將集中在與第一實(shí)施例不同的方面。
在圖2中，水體112由包括導(dǎo)電容器124的水容納裝置提供。外壁與水和水體112中，沒(méi)有延伸到周?chē)耐恋?18中。相應(yīng)地，電流通過(guò)電源l20， 通過(guò)結(jié)合到容器124的壁中陽(yáng)極裝置116，進(jìn)入水體112，然后到達(dá)包括一系 列電連接的棒或管的浸入的陰極裝置14，再返回到電源120。
圖3顯示了一些改變，其中陰極裝置214是一個(gè)基本上平坦的浸入的網(wǎng) 或片。相應(yīng)地，電流路徑線222通過(guò)電源220,穿過(guò)埋藏的陽(yáng)極n6進(jìn)入土 地218，穿過(guò)導(dǎo)電容器224的壁進(jìn)入水體212,然后到達(dá)進(jìn)入的基本上平坦的 陰極214，并返回到電源220。
圖4顯示了浸入水體312的一個(gè)陰極棒314的截面，顯示了電場(chǎng)線322 和等勢(shì)面(equipotential sufface) 326的形狀?？梢钥吹剑帢O棒下方區(qū) 域的電場(chǎng)線322較密集，靠近陰極棒314的區(qū)域的等勢(shì)面較密集。這些 不均勻性影響細(xì)胞隔膜的電化學(xué)電勢(shì)(electrochemical potential )以及物 種及其營(yíng)養(yǎng)物的濃度的定位。
本發(fā)明將通過(guò)如下的非限制性例子進(jìn)行充分的描述。
實(shí)例
實(shí)例1:對(duì)藻類(lèi)應(yīng)用12V電場(chǎng)
按本發(fā)明方法采用來(lái)自包括野生藻類(lèi)的氧化池塘的50公升廢水，放入一 個(gè)小的測(cè)試池中，測(cè)試池中的電極電壓為12伏保持6周。每日加入來(lái)源相同 的一公升廢水。這個(gè)容量補(bǔ)償蒸發(fā)的損耗。
在這六周內(nèi)，藻類(lèi)密度保持緩慢增長(zhǎng)。藻類(lèi)沒(méi)有死亡或下沉的跡象。
在六周的末尾，該系統(tǒng)-故關(guān)閉，進(jìn)行觀察。3天以后，顏色變化到金黃 色，標(biāo)志著一個(gè)均勻的休眠孢子期的到來(lái)。這是同步的一個(gè)證據(jù)，在同步中， 整個(gè)群落的休眠孢子期能夠被觸發(fā)。
再次向該系統(tǒng)施加12伏的電壓，導(dǎo)致細(xì)月包溶解，大量生物下沉到池的底 部，可觀察到的油浮在表面上標(biāo)志著油脂上浮。
實(shí)例2:對(duì)藻類(lèi)應(yīng)用48V電場(chǎng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與實(shí)例1中相同，經(jīng)過(guò)六周后具有相同的結(jié)果。
測(cè)試池的尺寸為600mmx400mmx480mm，測(cè)試池裝有50公升廢水。帶電的 池陰極由不銹鋼組成，垂直懸掛在水中。棒的底部距離池的底面IO隨。 一個(gè) 10mmx700mm的不銹鋼棒狀陽(yáng)極埋在距離池邊緣5米的土地中。培養(yǎng)中的藻類(lèi) 是氧化池的廢水中自然產(chǎn)生的野生物種。生長(zhǎng)電壓是12V，電流"OmA。藻類(lèi) 在48V溶解，沒(méi)有關(guān)閉該系統(tǒng)，且在休眠孢子器開(kāi)始之前。這導(dǎo)致死亡的大 量聚集在電場(chǎng)最大的區(qū)域的生物下沉。
溶解通過(guò)細(xì)胞隔膜的破裂而發(fā)生。這可以通過(guò)一個(gè)相對(duì)較高的電壓實(shí)現(xiàn)。 在較低的電壓下，溶解不會(huì)發(fā)生，我們可以推導(dǎo)出，亞致死破裂、短暫破裂 和定位破裂將發(fā)生。
最后，可以理解，其他的修改和/或改變可以進(jìn)行而不脫離如前列出的本 發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1、一種改變水溶液中生物體的生物特性的方法，該方法包括步驟(a)將所述水溶液和第一電極裝置電接觸；(b)將所述水溶液和第二電極裝置以非物理方式電接觸；以及(c)在所述第一電極裝置和所述第二電極裝置之間通過(guò)電流，從而在所述水溶液中建立電場(chǎng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物特性是從由生長(zhǎng)、發(fā)育能 力、繁殖能力、細(xì)胞周期的時(shí)間選擇、吸收營(yíng)養(yǎng)的能力、生物體的細(xì)胞的隔 膜或細(xì)胞壁的完整性或滲透性、懸浮能力和移動(dòng)能力組成的組中選擇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物特性為生長(zhǎng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述生長(zhǎng)是增加的生長(zhǎng)速度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物特性是所述細(xì)胞周期的時(shí) 間選擇。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述細(xì)胞周期的時(shí)間選擇是生物體 種群的細(xì)胞周期的同步。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述細(xì)胞周期的同步導(dǎo)致所述生物 體的細(xì)胞中的孢子形成的同步。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物特性是所述生物體的細(xì)胞 的隔膜或細(xì)胞壁的完整性。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述生物體的細(xì)胞的隔膜或細(xì)胞壁的完整性的改變導(dǎo)致所述細(xì)胞的溶解。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所述生物體的細(xì)胞的隔膜或 細(xì)胞壁的完整性的改變導(dǎo)致所述細(xì)胞的電穿孔。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物特性是所述生物體的細(xì) 胞的懸浮能力。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述生物體的細(xì)胞的懸浮能力的改變導(dǎo)致所述細(xì)胞在所述水溶液中懸浮漂浮或下沉。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一所述的方法，其中所述生物體是細(xì)菌或藻類(lèi)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一所述的方法，其中在使用中，所述第一電 極裝置是陰極，所述第二電極裝置是陽(yáng)極。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一所述的方法，其中所述第二電極裝置接地。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二電極裝置包括遠(yuǎn)離所述 水溶液的接地棒。
17、 才艮據(jù)權(quán)利要求1-16中任一所述的方法，其中所述第二電極裝置包括 用于盛放所述水溶液的裝置的壁的至少一部分。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一所述的方法，其中所述第一電極裝置包括 一個(gè)非導(dǎo)電性箱體和設(shè)置在所述箱體中的電極，所述箱體設(shè)置用于使水溶液 的流體通過(guò)的通路，使得所述水溶液與所述電極接觸。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一所述的方法，其中所述第一電極裝置從浸 入到所述水溶液中的電極網(wǎng)、電極棒或電極板中選擇。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一所述的方法，其中所述電流是直流電DC。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一所述的方法，其中所述第一電極和/或第 二電極包括一非導(dǎo)電性箱體；設(shè)置在所述箱體中的一個(gè)或多個(gè)電極；所述箱體中的入口和出口，用于所述水溶液通過(guò)，從而使得所述水溶液 與每個(gè)電極接觸；以及用于使每個(gè)電極與電源連接的裝置。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1-21中任一所述的方法，其中所述電極裝置進(jìn)一步包 括用于通過(guò)所述箱體接收氧化劑流的裝置。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述用于通過(guò)所述電極裝置接收氧化劑流的裝置包括用于連接氧化氣源的通孔。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一所述的方法，其中所述電極裝置包括由不銹鋼制成的電極。
25、 根據(jù)權(quán)利要求21-24中任一所述的方法，其中所述電極裝置的非導(dǎo) 電性箱體包括一個(gè)或多個(gè)管，所述管優(yōu)選地由塑料材料制成，更優(yōu)選地由聚 氯乙烯制成。
26、 根據(jù)權(quán)利要求l-25中任一所述的方法，其中所述電極裝置的每個(gè)電 極設(shè)置在各自的管內(nèi)。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述電極基本上被同軸設(shè)置在各自的管內(nèi)。
28、 根據(jù)權(quán)利要求1-27中任一所述的方法，其中所述電極裝置包括彼此 之間保持液體連通的兩個(gè)或多個(gè)管，使得所述水溶液從一個(gè)管的出口流入一 個(gè)鄰近的管的入口。
29、 根據(jù)權(quán)利要求25-28中任一所述的方法，其中所述管的直徑為d, 所述管包括一個(gè)開(kāi)口端，所述開(kāi)口端包括入口或出口，所述管的開(kāi)口端延伸 超過(guò)所述電極的距離最高達(dá)4d。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述距離在大約0. 5d到大約4d 之間。
31、 一種根據(jù)權(quán)利要求1-30中任一所述的方法產(chǎn)生的生物體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改變水溶液中生物體的生物特性的電化學(xué)方法，例如藻類(lèi)或細(xì)菌。該方法包括對(duì)生物體特性的改變，例如生長(zhǎng)速度、隔膜的滲透性和懸浮能力。
文檔編號(hào)C12M1/42GK101679961SQ200880012044
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者安德魯·彼得·馬森 申請(qǐng)人:伊奧根斯私人有限公司