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在微藻生物技术领域，为解决系统优化难题，研究人员开展 “Scaling-up information from high-throughput pulsed light data to predict microalgae growth dynamics in photobioreactors” 研究。他们重构模型并验证，发现可模拟不同光照条件下微藻生长，为微藻生产系统优化提供依据。
微藻，这些微小却能量巨大的单细胞绿色藻类，宛如大自然隐藏的宝藏。它们凭借光合作用，将太阳能转化为自身的生物质，为我们带来了从食物、饲料到燃料、生物材料等一系列丰富的产品，在可持续发展的舞台上占据着重要地位，成为实现联合国可持续发展目标、构建循环生物经济的关键角色。然而，在将微藻从实验室推向大规模工业化生产的道路上，却困难重重。
其中，系统优化是实现微藻高效生产的关键瓶颈。微藻生长受多种因素影响，光照便是其中极为重要的一环。在实际生产中，自遮光和混合诱导光暗循环这两个现象严重影响了微藻对光的利用效率，限制了其生长和生物质产量。想象一下，在光生物反应器（PBR）中，微藻细胞们就像一群在光影世界里寻找能量的小探险家，自遮光使得靠近光源的细胞 “独吞” 了大部分光线，而远离光源的细胞则处于 “饥饿” 状态；混合诱导光暗循环又让细胞们在光明与黑暗中频繁切换，难以稳定地进行光合作用。而且，从实验室小规模培养到大规模生产的放大过程中，如何准确预测微藻在不同光照条件下的生长动态，成为了横亘在科研人员面前的一道难题。如果不能解决这些问题，微藻生产的成本将居高不下，难以实现商业化的大规模应用。
为了攻克这些难题，来自国外的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Algal Research》上，为微藻生物技术的发展带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是高通量筛选（HTS）技术，通过在微升规模的实验中设置多种光照条件，获取大量的实验数据，如同为研究搭建了一个数据宝库。然后，利用数学建模的手段，对微藻生长模型进行校准和验证。他们选取了 Camacho - Rubio 模型，并对其进行了巧妙的改进，使其能够更准确地描述微藻在不同光照条件下的生长过程。
研究结果如下：
- 模型校准与验证：研究人员利用 HTS 平台获取的实验数据，对改进后的模型进行了校准和验证。通过计算百分比平均绝对误差（% MAE）等指标，发现模型对实验数据的拟合效果良好，能够准确地描述微藻在脉冲光和连续光条件下的生长情况。这就好比为微藻生长建立了一个精准的 “数字地图”，让科研人员能够清晰地看到微藻在不同光照环境下的生长轨迹。
- 光历史重建与模型应用：为了将实验室的研究成果拓展到实际的光生物反应器中，研究人员重建了细胞在混合过程中的光历史。他们通过简化的一维方法，结合光衰减表达式，计算出细胞在不同时间点所经历的有效光强。将这些数据作为模型的输入，成功地模拟了不同类型光生物反应器中微藻的生长动态。例如，在模拟不同光程、不同入射光强度和不同生物质浓度的光生物反应器时，模型预测结果与实验数据基本吻合，证明了该方法的有效性。这一成果就像是为光生物反应器装上了一个 “智能大脑”，能够提前预测微藻的生长情况，为生产过程的优化提供有力支持。
- 案例研究：户外培养场景的分析：以位于热带达尔文的一个开放池塘为例，研究人员进行了深入的案例研究。他们分析了在典型的春 / 夏季一天中，光照对微藻生长的影响。通过模拟发现，微藻的生长动态与光照的周期性变化密切相关。在白天，随着光照强度的增加，微藻的生物质浓度逐渐上升，但在光照最强的时段，由于光抑制和光适应等因素，生物质生产速率反而下降。在夜间，微藻则进入 “休息” 状态，进行呼吸作用，生物质浓度有所降低。此外，研究人员还通过改变初始生物质浓度和培养系统的厚度等参数，分析了它们对平均生物质生产速率的影响。结果表明，存在一个最佳的中间范围，在此范围内调整初始浓度和光程长度，可以最大化生物质生产力。这一发现为户外微藻培养系统的设计和优化提供了重要的参考依据，就像为户外微藻养殖找到了一把 “精准调控” 的钥匙。
研究结论和讨论部分表明，这项研究成功地将 HTS 脉冲光实验与光生物反应器中微藻的生长动力学联系起来。通过重构光模型并进行校准和验证，研究人员能够准确地捕捉混合循环引起的动态自遮光效应，为大规模光生物反应器的模拟提供了可能。这不仅有助于优化微藻培养系统的设计，提高光利用效率和生物质产量，还为加速微藻生产系统的放大和商业化进程奠定了坚实的基础。同时，研究人员也指出，虽然目前的模型主要关注光照因素，但在实际生产中，温度、营养物质、pH 值和质量传递等因素同样重要。未来的研究可以进一步整合这些因素，建立更完善的模型，实现对微藻生长过程的更精准控制。这项研究就像一颗照亮微藻生物技术发展道路的星星，为未来的研究和应用指明了方向，有望推动微藻产业朝着更加高效、可持续的方向发展。
