高浓度二氧化碳触发嗜酸热红藻Galdieria高效有机碳代谢机制解析及其工业应用潜力

《TRENDS IN Biotechnology》：Elevated carbon dioxide stimulates efficient organic carbon consumption for the unicellular alga Galdieria

本研究针对极端环境下生长的单细胞红藻Galdieria有机碳利用效率低下的问题，通过系统分析其在不同营养模式（自养、混养、异养）及CO2补充条件下的代谢动态，首次揭示3% CO2可作为代谢触发器显著提升葡萄糖摄取速率与生物量产量（达~5 g/L），并成功利用巧克力工业废料实现~0.6 g/g的底物转化率及~3.8%的热稳定性C-藻蓝蛋白（C-PC）积累。该发现为低成本的废物增值生物工艺提供了新策略，技术成熟度（TRL）达6-7级，具备直接工业推广潜力。

　　

在追求可持续生物制造的浪潮中，如何高效利用工业有机废弃物生产高附加值产品已成为全球性课题。单细胞红藻Galdieria因其独特的极端环境适应性（耐高温、强酸性）和多样的有机碳源利用能力，被视为理想细胞工厂候选者。然而，其有机碳代谢效率不稳定、光合色素易降解等问题严重限制了规模化应用。更棘手的是，传统发酵理论难以解释Galdieria在黑暗条件下对二氧化碳的异常依赖现象，这成为阻碍工艺优化的关键瓶颈。

为解决上述问题，研究团队在《TRENDS in Biotechnology》发表的最新研究中，通过多组培养实验结合稳定同位素标记技术，系统解析了CO₂对Galdieria代谢的调控机制。关键技术包括：利用400 mL光生物反应器进行可控气体环境（3% CO₂）培养；通过微型脉冲调制荧光仪（Mini-PAM-II）监测光系统II效率（F_v/F_m）；采用元素分析-同位素比值质谱联用仪（EA-IRMS）测定生物质δ¹³C值以追踪碳源利用；以巧克力工业废料为底物进行循环批次培养验证工艺可行性。

研究结果

1. 有机碳存在下Galdieria菌株的色素保留与代谢差异

通过对比7株不同来源的Galdieria在黑暗条件下以葡萄糖为唯一碳源的生长表现，发现菌株间存在显著差异：G. yellowstonensis 5587.1等4株菌能维持深绿色表型，而G. sulphuraria 21.92等菌株完全褪色。所有菌株的F_v/F_m值在有机碳存在时均下降，但CO₂补充无法逆转这一趋势，说明色素损失与CO₂无关。

2. 高CO₂环境促进Galdieria生物量与色素积累

在光照混养条件下，补充3% CO₂使G. yellowstonensis 5587.1的生物量峰值提升至6.70±0.27 g/L，且葡萄糖在3天内完全消耗；而无CO_{2组停滞在~4 g/L。黑暗异养条件下，CO2补充组生物量达4.17±0.44 g/L，显著高于对照组（2.07±0.09 g/L）。值得注意的是，所有CO2补充组的C-PC和叶绿素含量均更高，显示CO2对代谢活性的全局调控作用。}

3. 稳定同位素揭示CO₂的代谢触发作用

δ¹³C分析显示，黑暗异养+CO₂组的生物质碳同位素值偏向葡萄糖源（δ¹³C≈-15‰），而自养组偏向CO₂源（δ¹³C≈-50‰）。这表明黑暗条件下CO₂未被直接固定，而是通过未知机制激活葡萄糖摄取通路。混养+CO₂组则呈现双碳源利用特征，δ¹³C值介于两者之间。

4. 巧克力废料转化为高价值生物质

以巧克力工业废料（含57%碳）为底物时，G. yellowstonensis 5587.1在高氮（1120 mg/L NH₄⁺-N）条件下实现8.3 g/L·天的碳消耗速率，C-PC产量达38.4 mg/g DBM（3.84%）。培养基循环使用实验表明，重复补充铵盐可维持生物量生产率（2.23 g/L·天），且提取的C-PC在72°C下保持稳定，显著优于商业Limnospira来源产品。

结论与意义

本研究首次明确CO₂在Galdieria有有机碳代谢中扮演代谢触发器角色，突破了传统发酵理论中氧气为核心限制因子的认知。通过优化CO₂供给与氮源策略，成功将巧克力废料转化为蛋白含量丰富、含高价值C-PC的生物质，技术成熟度（TRL 6-7）支持现有发酵设施直接应用。Galdieria的极端环境适应性（pH 1-2.5, 42°C）可大幅降低灭菌成本，为食品工业废物增值提供了低能耗、高效益的闭环解决方案。未来研究需聚焦CO₂调控的分子机制，以期通过遗传改造进一步提升底物转化效率。