利用土豆皮水解物培养极地微藻 Chlamydomonas sp. RCC2488（Malina）的研究新突破

为探究极地微藻 Chlamydomonas sp. RCC2488（Malina）混合营养生长及碳源利用，研究发现其混合营养下可转运葡萄糖，但土豆皮水解物需优化处理。

　　

微藻 “宝藏” 待挖掘，土豆皮 “变身” 新希望

在神奇的微观世界里，微藻就像一个个隐藏着巨大能量的 “小精灵”，它们是天然的单细胞 “工厂”，能生产出各种具有超高经济价值的化合物，比如在医药领域有着重要意义的多不饱和脂肪酸（PUFA）。极地微藻更是其中的 “佼佼者”，像 Chlamydomonas sp. RCC2488（Malina）（以下简称 C. malina），在低温环境下，为了适应寒冷，会合成大量 PUFA 来调整细胞膜结构，维持细胞膜的流动性和柔韧性。而且，部分极地微藻还有 “特殊技能”，能根据环境变化，在光养、混合营养和异养模式之间切换代谢方式。

然而，目前在微藻培养的道路上，却遇到了不少 “绊脚石”。一方面，虽然葡萄糖是常用的碳源，但它价格不菲，使得混合营养培养的成本居高不下，难以大规模推广应用。另一方面，并非所有微藻都能在混合营养模式下生长，可选择的微藻种类有限。与此同时，在寻找替代碳源的过程中，人们发现土豆皮这种常见的废弃物，含有丰富的葡萄糖，似乎是个不错的选择。但土豆皮在处理过程中会产生如糠醛（Furfural）和羟甲基糠醛（HMF）等有毒副产物，这些物质会严重抑制微藻的生长，这又给微藻培养带来了新的难题。

为了攻克这些难题，来自意大利巴里大学、德国亚琛工业大学、墨西哥国立自治大学以及挪威北极大学的研究人员携手合作，踏上了探索之旅。他们将研究重点聚焦在 C. malina 上，深入探究其在混合营养和异养条件下的生长情况，以及对土豆皮水解物的利用能力。这项研究成果发表在了《BioEnergy Research》上，为微藻培养领域带来了新的曙光。

研究方法大揭秘

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，精心培养 C. malina，在不同的条件下，如异养、混合营养环境，以及添加不同土豆皮水解物的培养基中进行培养，通过血细胞计数器和干重测量等方式密切监测其生长情况。其次，利用放射性示踪技术，使用 [1?C]- 葡萄糖作为示踪剂，精确测定微藻细胞对葡萄糖的跨膜转运速率。再者，借助高效液相色谱（HPLC）技术，准确分析土豆皮水解物以及微藻细胞中的糖类、糠醛、HMF 和乙酸等成分的含量。最后，采用有机溶剂萃取结合气相色谱（GC）技术，对微藻的脂质进行提取、分离和分析，深入了解脂质的组成和脂肪酸的分布情况 。

研究结果大放送

1. 混合营养生长的奥秘：研究发现，C. malina 在异养条件下无法生长，也不能转运葡萄糖。但在混合营养条件下，它却展现出了 “超能力”，能够以 0.015 μmol/g/min 的速率将葡萄糖转运到细胞内。不过，与高效的异养微藻相比，它的转运速度要慢得多。而且，在光养条件下，C. malina 的生长速度和生物质含量更高。这可能是因为混合营养时，光系统间的光能分配出现了不平衡，导致细胞对光损伤的敏感性增加。虽然推测 C. malina 在混合营养下可能会代谢葡萄糖，但这一点还需要进一步验证。
2. 土豆皮水解物的 “真面目”：对土豆皮进行酸热预处理和酶解后，得到了不同的水解物（PPH1、PPH2 和 PPH3）。PPH1 和 PPH3 的还原糖（葡萄糖）浓度较高，分别达到 0.46 g/g 和 0.39 g/g，但同时也含有大量的糠醛、HMF 和乙酸。PPH2 的还原糖浓度相对较低，为 0.04 g/g ，不过几乎不含糠醛和 HMF，乙酸浓度与 PPH1 和 PPH3 相近。这表明酸热预处理虽能提高还原糖的释放量，但也会产生有毒副产物，优化水解处理迫在眉睫。
3. 生长与产物的 “差异密码”：以葡萄糖和 PPH2 为碳源时，C. malina 在混合营养条件下可获得最高的生物质浓度、细胞数量和最大生产力。PPH1 和 PPH3 中含有的糠醛和 HMF 严重抑制了微藻的生长，导致其生产力极低。而 PPH2 因去除了大部分有毒物质，微藻在其中的生长情况与使用纯葡萄糖时相似。此外，不同碳源还会影响 C. malina 细胞的大分子组成。在葡萄糖中培养的细胞蛋白质含量最高，PPH1 和 PPH3 培养的细胞碳水化合物含量最高，而 PPH 处理的细胞脂质含量均在 45% 左右。
4. 脂质的 “神秘世界”：在脂质组成方面，葡萄糖培养的细胞总极性脂质含量最高，PPH2 培养的细胞与之相似，且这两种条件下细胞的极性脂质中主要是单不饱和脂肪酸（MUFA）和 PUFA。PPH1 和 PPH3 培养的细胞大部分脂质存在于三酰甘油（TAG）中，PPH3 培养的细胞 TAG 中 PUFA 含量最高，这可能与细胞在应激环境下利用 PUFA 清除活性氧（ROS）有关。从脂肪酸谱来看，葡萄糖和 PPH2 培养的细胞主要脂肪酸为油酸（C18:1n - 9）、α - 亚麻酸（C18:3n - 3）和十六碳四烯酸（C16:4n - 3），而 PPH1 和 PPH3 培养的细胞脂肪酸组成有所不同。
5. 土豆皮水解物的 “潜力评估”：C. malina 在光养条件下生产力很高，但在混合营养条件下，其生物质含量远低于光养条件，且与其他适合混合营养培养的微藻相比，生产力也较低。不过，土豆皮作为微生物培养的碳源潜力巨大，只是目前水解过程中存在还原糖转化率低、有毒副产物多等问题，需要进一步优化。

研究结论与展望

综上所述，C. malina 在异养条件下 “寸步难行”，但在混合营养条件下能实现葡萄糖的跨膜转运，并促进富含 PUFA 的极性脂质合成。土豆皮经酸热预处理后虽能释放大量还原糖，可糠醛和 HMF 的存在严重阻碍了微藻生长，还促使 TAG 积累。不过，通过水洗去除 PPH2 中的硫酸后，微藻的生长和 PUFA 含量与使用葡萄糖培养时相近。这表明，优化土豆皮水解物的处理工艺，去除有毒副产物，有望提高糖转化率，为微藻培养提供高效的碳源。

这项研究为微藻培养领域提供了宝贵的参考，不仅让我们对 C. malina 的代谢特性有了更深入的了解，也为开发利用土豆皮等有机废弃物作为微藻碳源指明了方向。未来，研究人员可以在此基础上，进一步优化水解工艺，探索更适合 C. malina 以及其他微藻的混合营养培养条件，推动微藻产业朝着更高效、更经济的方向发展。