利用高岭土黏土粉末增强沼泽红假单胞菌光合生物过程：一种提升光分布与乙酸产量的普适性策略

本研究针对光合生物反应器中光传递受限的关键挑战，创新性地提出通过添加黏土粉末优化沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）培养过程。研究人员系统比较了硅胶、膨润土和高岭土对菌株生长代谢的影响，发现0.2%高岭土添加使乙酸产量提升45%，并证实其通过增强光散射效率和促进细胞聚集双重机制发挥作用。该研究为光合生物工艺优化提供了经济有效的技术方案，对废弃物资源化利用和光合生物制造具有重要意义。

　　

在可持续生物制造领域，光合微生物因其能够利用光能将废弃物转化为高附加值产品而备受关注。其中，沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）作为一种紫色非硫光合细菌，具有卓越的代谢灵活性，能够利用多种有机底物进行光合异养生长，被广泛应用于橄榄油厂废水、养猪废水、粗甘油等废弃物的处理与资源化。然而，传统生物反应器在培养光合微生物时面临显著挑战——光源通常位于反应器外部，随着细胞密度增加，细胞遮荫效应导致光在培养液中的分布不均，内部区域光照不足，最终限制整体生产效率。虽然已有研究通过设计新型光生物反应器或采用细胞固定化（如生物膜培养）等策略来改善光传递，但这些方法往往需要复杂的工程改造或引入新材料，成本较高且操作复杂。

为解决这一难题，多伦多大学化学工程与应用化学系的Sheida Stephens、Mona Abo-Hashesh、Radhakrishnan Mahadevan和D. Grant Allen团队在《Biotechnology Advances》发表了一项创新研究，提出了一种简单而有效的策略：在培养液中添加广泛可得、成本低廉的黏土粉末，以改善光在悬浮光合培养系统中的分布，进而提高沼泽红假单胞菌的代谢产率。

研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：通过光合光子通量密度（PPFD）测量系统量化不同条件下培养体系内的光分布特性；借助高效液相色谱（HPLC）分析有机酸（如乙酸和丁酸）的浓度变化；利用明场显微镜和图像处理软件Fiji对细胞聚集形态进行定性与定量分析；并采用面积 under 曲线（AUC）统计方法及Games-Howell事后检验对代谢产物的时序数据进行差异显著性评估。

研究首先通过预实验发现，在添加陶粒黏土球的培养中，沼泽红假单胞菌在消耗丁酸时乙酸积累量更高，且后续对乙酸的消耗未受抑制，表明黏土可能通过某种机制改变了细胞的代谢行为。在此基础上，团队选取了三种常见黏土——硅胶、膨润土和高岭土，在两种光强条件（30 W/m²和20 W/m²）下系统评估其对菌株生长与代谢的影响。

3.2. 在37%较低光强下，细胞生长速度减慢2.7倍

研究发现，光强显著影响菌株生长速率。在30 W/m²下，菌株倍增时间为14小时，而在20 W/m²下延长至38小时。低光强下细胞需合成更多捕光复合物与色素，代谢负担加重，生长变慢。

3.3. 沼泽红假单胞菌优先消耗乙酸而非丁酸

实验表明，当丁酸浓度降至约1 g/L时，菌株代谢策略发生转变，转而优先消耗自身产生的乙酸。这一现象在悬浮培养及硅胶、膨润土添加条件下均一致，唯独在高岭土处理中未被观察到，说明高岭土可能改变了细胞的碳源利用偏好。

3.4. 低光强下丁酸消耗增加

在低光强条件下，硅胶与膨润土处理组的丁酸消耗量较对照组有所增加，推测是因光能不足促使细胞通过消耗更多底物以满足能量需求。

3.5. 黏土添加促进细胞絮凝

显微镜观察与图像分析显示，添加高岭土后细胞聚集程度显著提高，聚集面积分布与对照组存在统计学差异。黏土颗粒为细胞吸附提供界面，可能通过电荷作用促进菌体聚集，进而影响群体代谢行为。

3.6. 黏土提高培养体系中乙酸浓度

在所有黏土类型中，高岭土对乙酸积累的提升效果最为显著，在高光强和低光强条件下分别使乙酸产量提高45%和30%。通过PPFD测量实验进一步发现，高岭土的添加显著缓解了因菌体浓度引起的光衰减效应，培养体系内的光分布得到有效改善。

研究结论表明，黏土添加剂——尤其是高岭土——可通过双重机制优化光合生物过程：一是促进细胞聚集，可能增强细胞间物质与能量交流；二是通过其强光散射能力改善反应器内的光分布，减轻细胞遮荫效应，从而提高光能利用效率。该策略不仅为沼泽红假单胞菌的光合培养提供了简单、经济且易于放大的优化方案，也为其他光合微生物体系的工艺开发提供了新思路。研究强调，基于黏土的光调控方法避免了对生物反应器结构的复杂改造，更具通用性和实用性，在废弃物资源化、生物能源及高值化合物光合合成等领域具有广阔应用前景。