利用树木分割技术和ALS时间序列来理解地中海山区松树林的落叶现象

《Journal of Environmental Management》：Understanding defoliation of Pinus plantations in the Mediterranean mountains using tree segmentation and ALS time series

微藻Arthrospira platensis在ZCE、ZSW和NSW三种培养基中的CO2固定、生物量及产物组成研究表明，ZCE初期CO2固定最佳（50%），但ZSW后期表现更优（80%）。NSW生物量最高（1.1 g/L）但蛋白质和碳水化合物减少，脂质产量突出。盐度胁迫促进脂质合成但抑制蛋白质和色素生产，叶绿素a含量均不理想。海水基系统可降低成本并提升CO2固定效率。

　　本研究聚焦于一种名为*Arthrospira platensis*（通常称为 Spirulina）的蓝藻在不同培养基下的生长表现及其对二氧化碳（CO?）的固定能力。研究的目的是探索使用海水等非传统资源替代淡水培养基的可能性，从而降低培养成本并实现可持续的碳捕获和生物产品生产。研究团队由 Christina Vasiliki Lazaratou、Aida Hoxha、Christos Kaltsonoudis、Athanasia G. Tekerlekopoulou 和 Spyros N. Pandis 等人组成，来自希腊的研究所。研究结果显示，不同的培养基对 Spirulina 的生长和生物产物合成有着显著影响，这为未来大规模生产提供了新的思路。

Spirulina 是一种丝状蓝藻，因其在生物技术和食品工业中的广泛应用而备受关注。它不仅具有高蛋白含量，还富含多种生物活性化合物，如多酚、抗氧化物质和微量元素，这些特性使其在营养补充、食品添加剂和环境治理方面具有重要价值。此外，Spirulina 能够通过光合作用高效固定大气中的二氧化碳，每克生物质可固定约 1.8 克 CO?，这一过程对于缓解全球气候变化和实现碳中和目标具有重要意义。然而，传统的 Spirulina 培养通常依赖于特定的培养基，如 Zarrouk 培养基，这种培养基虽然能够支持 Spirulina 的高产，但成本较高，且对淡水资源的依赖性强，这在水资源日益紧张的背景下成为一大挑战。

为了应对这些问题，研究团队设计了三种不同的培养基进行实验：ZCE（Zarrouk 控制实验培养基）、ZSW（使用海水的 Zarrouk 培养基）和 NSW（营养补充的海水培养基）。ZCE 作为对照组，采用了标准的 Zarrouk 培养基，其特点是富含营养成分，能够支持 Spirulina 的快速生长。然而，ZCE 在实验初期表现出明显的 CO? 减少效果，这一现象可能是由于其营养成分充足，为 Spirulina 的光合作用提供了良好的条件。相比之下，ZSW 和 NSW 在实验开始阶段出现了 CO? 释放的现象，这可能是由于培养基中自然存在的微生物活动以及海水的高盐度对 Spirulina 造成的应激反应。然而，随着实验的推进，尤其是在第 25 天时，ZSW 和 NSW 的 CO? 固定能力显著提升，最终达到 86% 的固定率，这表明这些培养基在长期培养过程中能够有效适应 Spirulina 的生长需求。

研究还发现，ZSW 在实验的第 14 至 20 天期间表现出优于 ZCE 的 CO? 固定能力，其固定率达到了 80%，而 ZCE 仅为 70%。这种差异可能与 ZSW 中 Spirulina 的快速生长有关。实验结果显示，ZSW 中的 Spirulina 生物量在第 20 天时达到 48 mg/L d 的最高值，这一结果与 ZCE 相当，表明 ZSW 在促进 Spirulina 生长方面具有潜力。然而，ZSW 中的蛋白质和碳水化合物含量相对较低，这可能与其营养成分的不完全匹配有关。此外，ZSW 和 NSW 中的叶绿素-a 含量保持稳定，但低于 ZCE，这可能是因为这两种培养基中缺乏 NaHCO?，而 NaHCO? 是维持叶绿素合成的重要成分。

另一方面，NSW 在实验中展现出独特的生物膜形成能力，尽管其蛋白质和碳水化合物含量有所下降，但生物量却显著增加，达到了 1.1 ± 0.21 g/L。这种生物膜的形成可能为 Spirulina 提供了额外的生长支持，使其能够在高盐度环境中更好地生存和繁殖。同时，NSW 中的脂质合成能力也得到了提升，其脂质产量超过了 ZCE 和 ZSW。这表明，尽管 NSW 中的某些营养成分可能不足，但其特殊的生长环境和培养条件仍然能够促进 Spirulina 合成特定的生物产物。脂质的增加可能与 Spirulina 在应对高盐度环境时的代谢调整有关，这种调整有助于其在资源有限的条件下优先合成脂质，以维持细胞结构和功能。

在实验过程中，研究团队还观察到蛋白质含量的变化。ZCE 中的 Spirulina 蛋白质含量最高，达到了 35–52%，这与 ZCE 的营养成分丰富性密切相关。而 ZSW 和 NSW 中的蛋白质含量相对较低，这可能是由于高盐度环境对 Spirulina 的生长产生了抑制作用，从而影响了蛋白质的合成。然而，ZCE 中的蛋白质含量虽然高，但其 CO? 固定能力却不如 ZSW 和 NSW。这一现象表明，Spirulina 的生长和代谢活动并非完全由营养成分决定，而是受到多种环境因素的综合影响，包括盐度、pH 值、光照强度和培养基的物理特性等。

此外，研究团队还发现，ZSW 和 NSW 中的 C-藻蓝蛋白（C-phycocyanin）和 C-异藻蓝蛋白（C-allophycocyanin）含量显著低于 ZCE。藻蓝蛋白是 Spirulina 的主要色素之一，具有多种生物活性，如抗氧化和抗炎作用。其含量的减少可能与高盐度环境对 Spirulina 的代谢途径产生影响有关，尤其是在藻蓝蛋白合成相关的基因表达和酶活性方面。然而，ZCE 中的叶绿素-a 含量保持稳定，但并未达到理想水平，这可能是由于缺乏 NaHCO? 导致的。NaHCO? 在 Spirulina 的生长过程中起着关键作用，它不仅作为碳源支持光合作用，还可能影响叶绿素的合成和稳定性。

实验的另一个重要发现是，NSW 中的生物膜形成可能为 Spirulina 提供了额外的生长优势。生物膜的形成可以提高 Spirulina 对营养物质的吸收效率，同时增强其对环境变化的适应能力。此外，生物膜的结构可能有助于 Spirulina 在高盐度环境中维持细胞的稳定性和完整性，从而提高其生存率和生长速度。这一现象在实验中得到了验证，NSW 中的 Spirulina 生物量在实验后期显著增加，显示出其在特定培养条件下的适应性。

为了进一步验证这些发现，研究团队在实验室规模的光生物反应器（PBR）中进行了持续 28 天的实验，所有培养基均持续供应环境中的 CO?。这种实验设计不仅能够模拟实际的培养环境，还能够更准确地评估 Spirulina 在不同培养基中的生长表现和 CO? 固定能力。实验结果显示，ZCE 在初期表现出较强的 CO? 固定能力，而 ZSW 和 NSW 在后期逐渐追上甚至超越了 ZCE，这表明 Spirulina 在适应不同环境条件的过程中具有一定的灵活性。

研究团队还特别关注了 Spirulina 在不同培养基中的代谢调整。高盐度环境可能对 Spirulina 的代谢途径产生一定的压力，使其在应对这种压力时调整自身的代谢策略。例如，NSW 中的 Spirulina 显示出增强的脂质合成能力，这可能是其在应对盐度应激时的一种适应机制。脂质的增加不仅有助于 Spirulina 在高盐度环境中维持细胞结构，还可能提高其在特定应用中的价值，如生物燃料的生产。

除了 CO? 固定和生物量增长，研究团队还评估了 Spirulina 在不同培养基中的生物产物组成。结果表明，ZCE 中的 Spirulina 蛋白质含量最高，这与其丰富的营养成分密切相关。然而，ZSW 和 NSW 中的 Spirulina 虽然蛋白质含量较低，但在脂质和某些其他生物产物的合成方面表现出色。这种差异表明，Spirulina 的代谢活动可以受到培养基成分的调控，从而影响其生物产物的类型和产量。

研究还指出，Spirulina 在不同培养基中的生长表现受到多种因素的影响，包括培养基的营养成分、盐度、pH 值和光照条件等。这些因素共同作用，决定了 Spirulina 的生长速率、生物量积累和生物产物的合成。因此，在实际应用中，需要根据具体的培养目标和环境条件，优化培养基的配方，以达到最佳的生长效果和生物产物产量。

综上所述，本研究通过比较 ZCE、ZSW 和 NSW 三种培养基对 Spirulina 的影响，揭示了 Spirulina 在不同环境条件下的适应能力和生长潜力。研究结果表明，虽然 ZCE 在初期表现出较强的 CO? 固定能力，但 ZSW 和 NSW 在长期培养过程中能够实现更高的 CO? 固定率和生物量积累。这为未来利用海水等非传统资源进行 Spirulina 培养提供了科学依据，同时也为开发低成本、可持续的 Spirulina 生产体系奠定了基础。此外，研究还强调了生物膜培养在 Spirulina 生产中的潜力，这种培养方式可能有助于提高生产效率，减少资源消耗，并简化生物量的收获过程。未来的研究可以进一步探索不同培养条件对 Spirulina 生长和代谢的影响，以优化其在不同环境中的应用。