跑道池与管式光生物反应器中微藻生物气溶胶的空气传播与特性研究

本刊推荐：研究针对开放池培养系统易受生物污染问题，聚焦微藻生物气溶胶的生成与传播机制。通过石英滤膜采样结合宏基因组学与SEM-EDS技术，首次证实跑道池桨轮和管式反应器气泡柱是重要生物气溶胶源，揭示其远程传播特性及对封闭/开放系统的交叉污染风险，为微藻生产污染防控提供关键依据。

　　

随着全球对天然产物需求的增长，微藻生物质因其富含蛋白质、氨基酸、矿物质、维生素等高价值生物活性化合物（如多不饱和脂肪酸、藻胆蛋白、类胡萝卜素）而备受关注。这些化合物已被证明具有抗真菌、抗病毒、抗氧化或抗生素特性，推动微藻市场快速增长，预计到2027年将达到46亿美元。然而，微藻生物质主要依赖开放池（Open Ponds, OP）系统生产，虽然其建设和运营成本较低，但培养物直接暴露于环境中，极易受到细菌、真菌、病毒、浮游动物及其他微藻物种的生物污染，导致目标藻株生长受限甚至培养崩溃。污染机制包括鸟类、水生昆虫、啮齿动物和空气传播（生物气溶胶），其中气溶胶传播因环境因素（温度、湿度、降水、风速）和物种特性（细胞大小、形态、粘附性）而复杂多变。尽管覆盖温室或调节培养条件（如高碳酸氢钠浓度）可部分缓解污染，但极端微生物培养中仍发现污染案例，表明气溶胶传播是开放系统污染的重要途径。然而，目前对微藻生产设施中生物气溶胶的特性与传播机制缺乏系统研究，尤其是两类主流光生物反应器——跑道池和管式反应器——的气溶胶生成潜力及其生态影响尚未明确。为此，本研究于2024年11月14日至2025年1月27日在西班牙阿尔梅里亚大学CIESOL示范厂开展，通过多点采样与多技术联用，首次揭示了微藻生物气溶胶的传播规律与污染风险。相关成果发表在《Algal Research》期刊。

研究采用低体积采样器（LVS 3.1）在6个位点（室外1-4号、室内5-6号）采集石英滤膜样本，涵盖跑道池桨轮（Scenedesmus almeriensis培养）和管式反应器气泡柱（Chlorella sorokiniana培养）周边环境。样本分析包括显微镜细胞计数（2.4-h滤膜）、场发射扫描电镜-能谱分析（FESEM-EDS，24-h滤膜）和宏基因组学（18S rDNA-V9和16S V3-V4测序）。气象数据来自西班牙气象局阿尔梅里亚机场站，气团轨迹模拟采用HYSPLIT模型。统计使用ANOVA和LSD检验（α=0.05）。

3.1. 细胞浓度

通过显微镜计数发现，距离跑道池桨轮越远，空气中微藻细胞浓度显著降低（p<0.05）：1号位（1 m）为2.42E+5 cells·m^?3，2号位（10 m）为1.45E+5 cells·m^?3，3号位（30 m）为1.13E+5 cells·m^?3。400 m外的4号位（对照点）仍检测到1.97E+5 cells·m^?3，表明微藻可远程传播。室内位点中，5号位（办公楼内）浓度为6.37E+4 cells·m^?3，证实室外气溶胶侵入室内；6号位（温室内管式反应器旁）浓度高达2.31E+5 cells·m^?3，揭示封闭系统气泡柱是重要气溶胶源。

3.2. 宏基因组分析

真核微生物多样性显示，真菌为所有位点的优势群（如Cladosporium），但微藻多样性随距离变化。室外位点以绿藻门（Chlorophyta）为主，其中Chlorellaceae科（含Chlorella）丰度随距离增加而下降，而Ochrophyta门（如Ochromonas）在近源位点出现。室内位点中，5号位以Scenedesmaceae科（Desmodesmus和Scenedesmus）为主，6号位同时检出Chlorellaceae和Scenedesmaceae，证实温室内交叉污染。宏基因组结果支持Chlorella因细胞小（2–10 μm）更易气溶胶化，而Scenedesmus因形成群体（5–50 μm）传播受限。

3.3. FESEM测量

电镜观察证实所有位点滤膜上存在单个微藻细胞，多数细胞表面覆盖培养基盐分（如CaCO₃、NaCl）。能谱显示细胞主要含碳、氧、氮元素，不同位点细胞元素组成差异反映菌株来源不同（如6号位细胞可能为Chlorella sorokiniana）。盐分吸附机制可能与微藻细胞壁的物理吸附特性相关。

3.4. 气团前向轨迹

HYSPLIT模型模拟显示，微藻气溶胶可在大气中远程传输：24小时达270 km，72小时达1200 km，120小时达2400 km。频率轨迹表明80–90%的传播发生在35 km范围内，主要沉积在源区附近（约5 km），但仍有少量颗粒可进行跨区域扩散。

本研究通过多技术手段证实，跑道池桨轮和管式反应器气泡柱是微藻生物气溶胶的重要来源，其传播距离可达数百米至数千公里，且可侵入室内环境。主要污染菌株为Chlorellaceae科微生物，因其细胞小、易气溶胶化而成为优势传播类群。这一发现揭示了微藻生产设施中气溶胶介导的交叉污染机制，对开放和封闭系统的生物污染防控具有重要指导意义。未来研究需聚焦气溶胶的时间变异性、细胞存活率及生态影响阈值，为微藻产业的可持续生产提供科学依据。