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为降低微藻生物质生产成本，研究人员探索利用厌氧消化液（ADE）作为营养源进行微藻培养，优化了混养条件并构建了预测模型，为可持续生物工厂发展提供新思路。
微藻被认为是理想的“可持续生物工厂”生物质，因为它们能够在缓解大气中二氧化碳（CO?）的同时合成脂质和其他生物分子。尽管在微藻培养方面投入了大量研究努力和资金，但微藻生物产品的商业生产，如生物燃料和其他高价值材料，仍然受到限制，主要原因是微藻生物质生产成本过高。生产一吨微藻生物质大约需要100公斤氮（N）、10公斤磷（P）和15公斤钾（K），这些营养物质的采购占到了赛跑池（一种工业规模微藻培养常用的光生物反应器）中微藻生物质生产总成本的约70%。
为了降低成本，研究人员正在探索使用农业工业和市政废水等替代营养源。其中，厌氧消化（AD）液因其含有微藻生长所需的所有基本营养物质而显示出巨大潜力。这种做法与管理废物（如乳牛粪便）的需求相匹配，因为必须从厌氧消化液（ADE）中去除多余的氮（如氨），以减少环境影响。因此，利用ADE进行微藻培养创造了一种互利的局面。
然而，ADE的高浊度和氨毒性给微藻生产带来了重大挑战。为应对这些挑战，可以采用两种主要方法：一是使用能够混养的藻种，它们可以利用有机碳和阳光来缓解浊度的影响；二是使用能够耐受高氨浓度的极端藻class="paragraph">种异养生长本身需要大量的有机碳（大约每公斤微藻生物质需要两公斤），这会增加生产成本，但醋酸——厌氧消化的一种成本效益高的副产品——已成为微藻培养的有前途的有机碳源。一些藻种，如Oocystis sp.、MUR 273、Monoraphidium spp.、SDEC-17、T. weissflogii和C. vulgaris CA1，已被证明能够在高浓度醋酸中生长。其中，C. vulgaris CA1因其对氨毒性的卓越耐受性而脱颖而出，能够在使用醋酸作为有机碳源的混养条件下生长于高达2700 mg L?1的氨浓度[^{14}^]。
混养结合了光和醋酸（作为有机碳源），相比自养和异养方法具有优势。它降低了对光的需求（解决了自养条件下生长速率低和高浊度的挑战），提高了生物质生产力，并减少了对昂贵碳源（如葡萄糖）的需求。在ADE上进行微藻混养的一个关键要求是优化培养条件（氨和醋酸浓度），以最大化生物质生产力和营养吸收。许多因素同时调节生长速率和生物质组成，因此需要预测混养条件下的生长速率和营养吸收，以便模拟、设计和优化动态藻类培养系统[^{15}^]。
数学模型是表示关键底物作为生长限制因素的有价值工具。宏观或“黑箱”模型可以根据特定生长限制因素作为输入，有效预测微生物生长动力学、营养吸收甚至细胞内组成。这些模型允许预测不同培养策略下的结果，减少对耗时且昂贵的实验的需求[^{16}^]。用于此目的的两种主要模型类型包括饱和型动力学模型，如Monod模型和Andrews模型[^{19}^]，以及使用内部营养配额的模型，其中Droop模型是最广泛使用的公式[^{21}^]。
Monod模型描述了比生长速率如何随着底物浓度的增加呈双曲线模式增加，最终达到饱和点，超过该点生长速率保持不变[^{22}^]。该模型已被用于预测微藻生长动力学和营养吸收。然而，在较高底物浓度下，许多底物对微生物生长速率表现出抑制作用。Andrews模型通常用于描述这种生长动力学中的抑制行为[^{20}^]。
Andrews模型已被广泛用于描述藻类生长速率与底物浓度之间的关系。它还被证明在预测使用有机碳源（如葡萄糖和醋酸）的混养条件下微藻生长动力学方面有效[^{23}^]。例如，在对Chlamydomonas reinhardtii的研究中，采用Andrews模型预测生长速率，有助于计算最大生长速率、饱和和抑制常数[^{23}^]。类似地，单底物模型被应用于使用葡萄糖作为碳源的Spirulina platensis生长速率的预测[^{24}^]。鉴于氨对微藻的抑制作用，Andrews模型也被用于描述微藻在ADE中的生长[^{25}^]。此外，Haematococcus lacustris对不同醋酸浓度的生长速率响应也成功地使用Andrews方程进行了建模[^{26}^]。尽管取得了这些成功，但单底物动力学模型往往无法捕捉到微藻生长的复杂性，当多种因素影响细胞过程时。为了更深入地了解微藻生长并开发更可靠的预测模型，采用多底物方法，结合各种底物和环境因素，似乎是一种更有效的策略[^{22}^]。
由于每种微藻物种对不同营养水平和环境条件的独特反应，一个现实的模型需要针对特定物种和用于培养的特定宏量营养素进行定制[^{27}^]。因此，本研究采用系统化方法来优化培养条件并开发预测模型。结果提供了一个能够考虑醋酸和氨作为底物和营养物的相互作用及其在高浓度下对生长速率的抑制作用的模型。
本研究结果表明，C. vulgaris CA1表现出对高达2.5 g L?1的氨浓度的高耐受性，这显著高于大多数在ADE上培养的微藻菌株的耐受水平。醋酸浓度显著影响对氨毒性的耐受性。在没有醋酸的情况下，即使是最低浓度的氨（0.1 g L?1）也会抑制C. vulgaris的生长速率。然而，醋酸的添加提高了毒性水平[^{14}^]。
