微藻培养液循环利用：Tetraselmis striata长期可持续生产的循环策略

《Aquaculture》：Revalorization of microalgae cultivation effluent: a circular strategy for long-term sustainable production of Tetraselmis striata

本研究针对微藻大规模培养中能源与肥料成本高、环境影响大的问题，创新性地评估了在室外大规模条件下，对离心收获后的整个未处理上清液进行循环利用的可行性。研究结果表明，Tetraselmis striata在循环培养基中培养两个月，其生物量生产率、组成和品质与使用新鲜海水培养基相比无显著差异，同时可节省7.5%的培育过程能耗，减少84%的废水排放量，并显著节约氮、磷营养盐。该策略为微藻培养提供了一种经济可行、环境友好的循环经济模式，对推动海洋微藻水产养殖的可持续发展具有重要意义。

　　

在全球寻求可持续食物和饲料来源的背景下，微藻培养因其高效的生产能力和丰富的营养价值而备受关注。然而，大规模户外微藻生产的经济可行性一直受到高能耗、淡水消耗和肥料成本的制约，同时，富含营养盐的废水排放也带来了潜在的环境问题，如水体富营养化。因此，开发能够优化资源利用、降低生产成本并减少环境影响的创新策略显得尤为迫切。

在此背景下，研究人员将目光投向了培养液的循环利用。尽管实验室规模的研究已证明微藻在循环培养基中生长的潜力，但针对大规模户外生产，特别是对离心收获后未经处理的上清液进行直接循环的研究仍十分有限，且结果不一。许多尝试涉及成本高昂的上清液处理步骤，这无疑增加了过程的复杂性和成本。位于战略位置的加那利群岛，凭借其全年温和稳定的气候和高太阳辐射，成为户外微藻大规模生产的理想之地。其中，条纹四片藻（Tetraselmis striata）因其高生长速率、对生物污染的抵抗力以及高营养价值（富含蛋白质和Omega-3脂肪酸），显示出巨大的产业化潜力。

为了探索一条更可持续的微藻生产路径，发表在《Aquaculture》上的这项研究，首次在接近商业规模的户外操作环境中，系统评估了直接循环利用离心收获后未经处理的整个上清液，作为降低条纹四片藻大规模生产能耗和营养盐消耗的可行性策略。

研究人员开展了一系列关键实验。首先，在温室内的10立方米跑道池中进行初步可行性研究，比较使用新鲜海水培养基和循环培养基对培养过程的影响。随后，在室外同时运行两个10立方米跑道池，一个使用新鲜培养基，另一个使用循环培养基，进行半连续培养，以评估在开放环境下培养基循环对生物量生产率、组成和品质的影响。此外，还通过在250升跑道池中诱导营养饥饿，研究营养状况对生物量生化组成的调控作用。培养过程模拟工业化操作，监测了温度、pH、盐度、生物量浓度、营养盐残留等参数。对收获的生物量进行了详细的生化组成分析，包括蛋白质、碳水化合物、脂质、灰分含量，以及脂肪酸谱、矿物质含量和微生物质量评估，并符合欧盟饲料和食品标准。研究还基于实际运行数据，计算了培养基循环策略在能耗、废水减排和营养盐节约方面的潜在效益。

3.1. 温室内的培养基循环测定（实验1）

研究发现，在81天的实验期内，循环培养基与新鲜培养基条件下的培养参数（除平均pH略低外）和生物量生产率无显著差异。尽管实验后期出现了硅藻和纤毛虫等污染物，但其丰度较低，且未观察到对条纹四片藻细胞的主动摄食，表明在部分受控环境下，培养基循环是可行的。

3.2. 温室外的培养基循环测定（实验2）

在室外条件下，循环培养基与新鲜培养基的培养物浓度和生产率同样无显著差异。值得注意的是，在循环培养基条件下，外来光养生物的污染程度显著低于新鲜培养基条件，提示循环培养基中可能积累了某些抑制其他光养生物生长的化合物。室外循环培养的平均面积生产率估算为每年每公顷43.7吨，显示了该菌株在当地的高产潜力。

3.3. 生物量组成和品质（实验1-2）

生物量的基本组成（蛋白质、碳水化合物、脂质、灰分）在循环培养基和新鲜培养基条件下没有显著差异。然而，室外培养的生物量蛋白质含量显著高于室内，碳水化合物含量则较低，这可能与室外较高的粉尘输入有关。脂肪酸分析显示，循环培养基条件下的生物量含有更高的总Omega-3脂肪酸和Omega-3/Omega-6比率。重金属和微生物学分析均符合欧盟标准，表明循环培养不会降低生物质量，适用于饲料和未来食品应用。

3.4. 营养充足和营养缺乏条件下的培养（实验3）

实验明确展示了营养状况对生物量组成的调控作用。在营养耗竭条件下，蛋白质含量显著下降（降低3倍），而碳水化合物和脂质含量分别上升了3.4倍和1.6倍。这表明可以通过控制营养供应策略，定向生产用于饲料的高蛋白生物质或用于生物燃料的低氮生物质。

3.5. 节能和废水减排量

量化分析表明，与使用新鲜培养基的策略相比，循环策略每年可为一座10公顷的生产设施节约泵送能耗51%（相当于整个培养过程能耗的7.5%），减少废水排放量84%，并节省3吨硝酸盐和1吨磷酸盐。

该研究成功证实了在加那利群岛的户外操作环境下，无需额外处理即可直接循环利用条纹四片藻离心收获上清液的技术可行性。培养基循环长达两个月并未对生物量生产率和品质产生负面影响，反而可能通过积累的化合物抑制了部分杂菌生长。研究还揭示了通过调控营养供应可以灵活定向生物量的生化组成，以满足不同应用需求。更重要的是，这种循环策略显著降低了微藻培养的能耗、水耗和营养盐消耗，同时大幅减少了废水排放，使其成为一种符合循环经济理念的可持续生产模式。这项研究为在干旱和半干旱沿海地区实现微藻资源的高效、低成本、环境友好型大规模生产提供了重要的实践依据和解决方案，对推动微藻生物技术产业的可持续发展具有深远意义。