综述：用于提高藻类生物柴油生产中脂质积累的创新策略：超声波处理、外部电刺激和生物电化学系统的整合

《Biotechnology Advances》：Innovative strategies to enhance lipid accumulation for algal biodiesel production: Ultrasound treatment, external electrostimulation, and integration of bioelectrochemical systems

本综述深入探讨了超声波处理、外部电刺激及生物电化学系统（BES）整合等创新策略，在提升微藻生物质产量与脂质积累（用于第三代生物柴油生产）方面的潜力。文章系统分析了这些物理/电化学刺激通过影响藻类代谢（如诱导应激响应、增强电子传递）来打破“生物量与脂质合成”固有权衡的机制，并指出其在简化下游加工、降低成本和提升可持续性方面的协同优势，为可持续生物燃料开发提供了前沿视角。

　　

Abstract

微藻生物柴油，被称为第三代生物柴油，通过结合高效的碳捕获和高生物燃料产量，提供了一条前景广阔的道路。同时，它可以解决与粮食作物竞争和油料作物种植导致的栖息地丧失相关的伦理和环境问题，这仍然是可持续生物柴油发展的关键挑战。然而，尽管潜力巨大，藻类生物柴油的生产受到若干关键限制的阻碍，特别是生物量积累和脂质合成之间的固有权衡、低生物量和脂质产量，以及与养殖技术和下游加工相关的高成本。本研究深入回顾了创新性的超声波和电化学策略在克服这些瓶颈并将其整合到藻类养殖过程中的最新进展。此外，我们的讨论涵盖了这些刺激影响藻类代谢的潜在机制，旨在更深入地了解它们在可持续生物燃料生产系统中的适用性和长期潜力。本研究的结果表明，超声波处理、外部电刺激和生物电化学系统的整合是显著提高微藻生物质生产力和脂质积累的有效工具。处理方案的优化及其与其他因素的协同相互作用，为同时刺激藻类生长和脂质生物合成提供了可靠的方法。此外，这些方法还通过提高脂质提取效率、减少反应时间、最小化化学品投入和减少加工阶段数量来简化下游加工。这些技术与基于废物的培养和修复的相容性进一步增强了其可持续性，同时降低了曝气需求和CO₂补充需求的操作成本。这些新兴且研究不足的方法代表了该领域有前途的前沿，它们提供了环境和经济优势，并值得加强研究力度以充分释放其在推进可持续藻类生物燃料生产方面的潜力。

Introduction

尽管努力向清洁技术过渡，但化石燃料仍满足全球近80%的能源需求（Energy Outlook review, 2024）。公路运输、航空和航运是化石燃料的主要消费者（5420万桶/天），因此构成了温室气体排放的显著部分。2022年，公路运输占欧盟所有运输温室气体排放的73.2%（EEA, European Environment Agency, 2024）。汽油、柴油、喷气燃料（煤油）通过精炼传统石油产品生产，这些产品留下了显著的碳足迹，降低空气质量，耗尽自然资源并导致全球变暖。气候变化威胁着显著改变全球气候系统，存在到本世纪末超过2.4°C–4.7°C温度阈值的风险（IPCC, 2024）。这强调了迫切需要利用替代燃料源，以确保高效的能源供应，同时最小化环境影响。其中一个有前景的领域是利用生物燃料：由可再生原材料生产的生物柴油、可持续航空燃料（SAF, biokerosene）和生物氢。

生物柴油是欧洲消费量最大的生物燃料：2021年，欧盟的生物燃料总消费量达到1700万公吨，其中约1360万油当量吨是生物柴油，并且在过去六年中，生物柴油总消费量持续增长（Statista Research Department, 2023）。世界可再生运输生物燃料预测预计2023年生物柴油消费量将超过493.43亿升/年。

生物柴油是一种生态清洁的生物燃料，可以添加到任何柴油车的油箱中。根据Energy Outlook review，预计到2030年，30%生物柴油（B30）（一种含有70%传统柴油的燃料混合物）将作为石油柴油的替代品得到推广。在全球范围内，预计到2040年生物柴油将占运输燃料需求的约70%（Athar and Zaidi, 2020）。生物柴油生产日益显示出其宝贵的环境影响，通过最小化用于生产石油基燃料的原油消耗，导致温室气体排放的减少和环境污染的降低（Shimako et al., 2016; Topare et al., 2021）。

生物柴油生产的传统原料来源包括植物油（第一代生物燃料）和废弃脂肪和油（第二代生物燃料）（Babadi et al., 2022）。然而，微藻衍生的（第三代生物燃料）正受到越来越多的关注，这主要是由于先前技术的局限性，特别是广泛的土地利用和不足的生产力。由于高生长速率、脂质积累、CO₂利用和生物修复潜力，微藻可被视为可再生能源的“绿色黄金”（Song et al., 2023; Zhang et al., 2025）。与常规柴油相比，藻类生物柴油在整个生命周期内可将能耗降低55%，碳排放降低45%（Frank et al., 2011）。

然而，微藻生物柴油的工业化生产仍然主要受到一个范式的限制，即高脂质生产力与低生物量产量相关，反之亦然。推进这项新技术的关键挑战之一是在提高微藻生长速率的同时，促进作为生物燃料生产主要前体的脂质的合成。微藻中储存脂质的积累受多种因素调节，特别是脂质合成在胁迫条件下最为强烈（Narayanan et al., 2025）。在营养缺乏（宏量/微量营养元素饥饿）或环境极端因素（温度、pH、盐度、光照、曝气等）下（Yang et al., 2022; Song et al., 2022; Song et al., 2024），微藻细胞积累脂质作为富含能量的碳储存“电池”，以减轻由胁迫条件诱导的氧化损伤。脂质生产力可提高至25–54%（Kwak et al., 2016）。然而，这些条件虽然有利于脂质积累，但对微藻来说是胁迫性的，导致培养物生长和生物量积累减少。这与生物技术学家旨在最大化富含脂质的微藻生物量以用于生物柴油生产的目标相矛盾（Herrera-Valencia et al., 2011; Singh et al., 2011; Stepanov, 2016）。

因此，寻找能够同时提高生物质生产力和脂质积累的替代策略仍然是一个相关的研究挑战。在此背景下，生物电化学系统（BES）、外部电刺激和超声波处理对藻类生长和脂质生成生物合成途径的影响仍未得到充分探索，尽管其具有巨大的科学潜力。最近的研究表明，BES可以通过增强培养基质中的电子传递过程和调节氧化还原条件来刺激藻类生长，并提高脂质含量（Hou et al., 2016a, Hou et al., 2016b）。类似地，外部电刺激和超声波处理据报道通过诱导应激反应激活与脂质生产相关的生物合成途径，从而对脂质积累产生积极影响（Holub and Levtun, 2015; La et al., 2016; Xie et al., 2020）。虽然许多综述研究了藻类驱动生物柴油生产的优化策略，但它们主要集中于生物和物理化学因素。这些研究包括基因工程方法（Zhang et al., 2025），培养参数如营养可用性、温度、pH、曝气、光照特性（强度、波长和光周期）（Narayanan et al., 2025; Pandey et al., 2024; Samoraj et al., 2024; Marou?ek et al., 2023; Singh et al., 2023; Song et al., 2022）。基于纳米技术的增强（Panahi et al., 2024）、催化剂开发以及可持续生物柴油生产的各种强化技术也受到了相当多的关注（Babadi et al., 2022, Athar and Zaidi, 2020, Gupta et al., 2020）。然而，只有有限的综述（例如，Apollon et al., 2025, Khandelwal et al. (2023), Kannan and Donnellan (2021)）涉及了藻基微生物燃料电池（A-MFCs），主要关注其发电的基本原理。这些工作缺乏关于BES对生物燃料生产脂质积累影响的深入分析。类似地，电刺激和超声波处理对脂质生产力的具体影响在当前文献中仍未得到充分阐述。

本综述旨在填补这些空白，通过提供关于将生物电化学系统（BES）、外部电刺激和超声波处理整合到藻类培养中以增强生物柴油生产背景下的生物质生产力和脂质产量的最新研究的全面和批判性评估。我们评估这些新兴技术作为提高藻类生产力和脂质积累的有效工具的潜力。此外，我们探索这些物理和电刺激影响藻类代谢的潜在机制，旨在更深入地了解它们在可持续生物燃料生产系统中的适用性和长期潜力。最后，本综述强调了对于推进藻类生物柴油技术至关重要的未来研究方向。这项工作的成果有望为开发和实践更高效、更可持续的生物燃料解决方案做出贡献。

Biodiesel 3rd generation

基于藻类的第三代生物柴油生产技术的出现，标志着生物能源发展的一个重要里程碑，反映了克服传统生物燃料生产技术固有局限性的努力。本节比较了微藻衍生生物柴油与由食用油料作物生产的传统生物燃料的主要优势和局限性（第2.1节），并概述了提高藻类生物柴油产量的主要策略。

Key strategies for optimizing biodiesel yield

脂质积累是生物柴油产量的关键因素，而微藻生物质的脂肪酸组成直接影响生物柴油的质量。通常，大多数微藻物种的脂质含量约占其干生物量的20–50%（Babu et al., 2022）。然而，某些物种表现出显著更高的脂质积累，包括Nannochloris spp. (56%)、Chlorella spp. (53%)和Neochloris oleoabundans (65%)（Dhokane et al., 2023）。根据物种和培养条件的不同，脂质含量可能有很大差异。

Ultrasound treatment as innovative tool to enhance algae-based biodiesel production

超声波技术在藻类第三代生物柴油生产中的应用因其在改善上游和下游加工方面的潜力而受到广泛关注。超声波可以刺激脂质生物合成，提高生物质生产力，并促进脂质提取和酯交换反应，最终提高生物柴油产量。第3.1节探讨了超声波作为优化这些过程的多功能策略，而第3.2节深入探讨了其潜在机制。

Integration of BES with algae cultivation systems for enhancing biodiesel productivity

生物电化学系统（BESs）代表了一种先进的生物技术，它将电活性微生物与电极耦合，通过微生物代谢将化学能转化为电能。在这些系统中，微生物燃料电池（MFCs）是研究最全面的，展示了同时进行废水处理和生物发电的强大潜力。虽然它们目前的能量输出仅限于低功率应用，例如传感器和LED设备，但其与藻类培养的整合为增强生物柴油生产开辟了新途径。

Effects of external electric field stimulation on lipid yield enhancement for biodiesel production

使用外部施加电源的电刺激是微藻生物燃料技术领域一个新兴且未被充分探索的方法。与依赖生物产生的、低强度、长时间运行的电流的BES（如MFC）不同，外部电刺激涉及短期应用高强度物理力，可以直接扰动细胞膜，诱导电穿孔（即在细胞膜上形成孔隙）。

Challenges and future perspectives

在寻求提高微藻生物柴油生产中脂质产量和改善的过程中，科学界越来越倾向于创新的物理刺激策略，例如超声波和电化学处理，这些策略在相关的生物技术过程中已被证明有效。过去几十年来，超声波辅助从微藻中提取生物分子作为一种有效的细胞破碎和回收技术已被深入研究。

Conclusions

在各种传统上侧重于胁迫因素和培养参数调整的优化策略中，超声波处理和电刺激已成为提高生物燃料生产中脂质积累和藻类生长的新颖且引人入胜的方法。优化超声波处理和外部电刺激的操作参数，以及将BES纳入藻类培养系统，可以在培养过程中作为关键工具。

Funding

No funding was received for conducting this study.

Declaration of competing interest

The author declares that there is no conflict of interest regarding the publication of this paper.