新型灭菌薄膜光生物反应器(STFPBR)的研发及其在混合营养模式微藻高效培养中的应用

本研究针对传统光生物反应器(PBR)成本高、操作复杂等问题，开发了一种新型灭菌薄膜光生物反应器(STFPBR)，通过优化气体分布器类型(A/B型)、光照强度(120 μmol m?2 s?1)和氧气体积分数(～21%)，实现了混合营养模式下蛋白核小球藻(C. pyrenoidosa)生物量倍增(47.87%蛋白质含量)，为水产养殖微藻饲料工业化生产提供了高效、低成本解决方案。

　　

微藻作为水产养殖中的"绿色黄金"，既能作为饲料添加剂提升养殖动物免疫力，又能净化水质促进可持续发展。然而传统光自养培养模式受限于光衰减效应导致生物量低下，而异养培养虽产量高却因缺乏光照导致蛋白质和叶绿素含量骤减。更棘手的是，现有发酵罐虽能实现混合营养培养，但设备昂贵且操作复杂，严重制约微藻规模化应用。针对这一系列瓶颈问题，中国研究团队在《Aquacultural Engineering》发表论文，创新性地开发出灭菌薄膜光生物反应器(STFPBR)系统，通过多维度优化使微藻培养效率获得突破性提升。

研究采用BG-11培养基培养蛋白核小球藻(C. pyrenoidosa)，重点考察了气体分布器类型(粗砂A型与纳米陶瓷B型)、光照强度(80-160 μmol m^?2 s^?1)和氧气体积分数(21%-50%)对生物量及生化成分的影响。通过细胞密度检测、蛋白质含量分析和叶绿素浓度测定等实验手段，系统评估了不同培养模式的产出效率。

气体分布器优化
对比实验显示，采用A型粗砂气体分布器时，微藻生物量达1.87 g L^?1，较B型纳米陶瓷分布器提升42.21%。这得益于粗砂结构产生的气泡更利于气液传质，为微藻混合营养生长创造了更优的流体动力学环境。

光照强度调控
120 μmol m^?2 s^?1光照强度被证实为最佳参数，继续增至160 μmol m^?2 s^?1时生物量无显著差异。这说明STFPBR系统已实现光能的高效捕获与转化，避免了一般PBR中常见的光抑制现象。

氧气浓度影响
研究发现空气中常规氧含量(21%)完全满足混合营养需求，额外增氧反而抑制生长。这揭示了微藻细胞内部存在精妙的O₂/CO₂循环机制——光合作用产生的氧气可支持异养代谢，而呼吸释放的二氧化碳又能反哺光合作用。

培养模式比较
混合营养培养展现出"1+1>2"的协同效应：生物量较光自养模式提高2倍以上，同时保持优质生化组成(47.87%蛋白质和16.10 mg g^?1叶绿素)，远优于异养培养的39.72%蛋白质和10.24 mg g^?1叶绿素。

该研究开创性地将薄膜技术与灭菌设计相结合，开发的STFPBR系统兼具发酵罐的高效性和传统PBR的经济性。特别值得注意的是，混合营养模式下微藻细胞展现的代谢灵活性为理解光合生物能量转换提供了新视角。从应用角度看，这项技术有望将微藻饲料生产成本降低30%以上，对推动水产养殖业绿色转型具有重要实践价值。Huang Jianke团队在讨论中指出，未来通过集成智能光照调控系统，STFPBR的性能还可进一步提升，这为后续研究指明了方向。