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为解决光养微生物培养中细胞密度低、光衰减和气体交换效率低等问题，研究人员开展了念珠藻（Nostoc sp.）在高密度培养系统中的研究。结果表明该系统可有效支持其生长，还得到了最佳培养条件。这为优化培养提供了框架，意义重大。
近几十年来，环境问题日益严峻，传统工业生产面临着减少二氧化碳排放、优化资源利用的巨大压力。在此背景下，利用蓝藻和微藻将二氧化碳转化为生物质和高价值生物产品的研究备受关注。其中，固氮蓝藻能固定大气中的氮，减少化学氮肥的使用，实现更高效的资源利用。然而，当前微藻工业生产面临诸多挑战。在开放池塘和封闭光生物反应器（PBRs）中，光衰减导致光养培养的细胞密度较低，限制了微藻的商业可行性。为了突破这些困境，研究人员致力于开发先进的培养技术，其中高密度（HD）培养系统成为研究热点。该系统虽有潜力提高微藻生长速率和生物质生产力，但在应用于固氮蓝藻培养方面的研究较少。于是，来自国外的研究人员针对这些问题开展了相关研究，其研究成果发表在《Algal Research》上。
研究人员采用的主要关键技术方法有：首先，利用 HD100 cultivators 与 HDC 9.100 平台进行Nostoc sp. PCC 7120 的高密度培养，该系统基于纳米多孔疏水膜供应二氧化碳，通过轨道振荡保证混合，并能精准控制光照和二氧化碳供应。其次，运用实验设计（DoE）方法中的响应面法（RSM），选取光照强度、光周期和磷浓度作为变量，设计 32 组实验，评估它们对生物质生产力（PX）、比生长速率（μ）、氮配额（qN）和固氮（PN）的影响。最后，通过多种分析测量方法，如监测光密度（OD）、测定干重（DW）、分析氮含量和氨基酸组成等，来获取实验数据。
HD 培养系统适合Nostoc sp. PCC 7120 的重氮光养生长
在进行基于 DoE 的实验前，研究人员先评估了培养基的合适组成。通过对比 5 倍和 10 倍标准 BG110培养基浓度下的生长情况，发现 10 倍浓度并未提升生长效果，可能是由于光限制或高盐离子浓度的影响。同时，对比在有、无硝酸钠作为氮源的情况下Nostoc sp. PCC 7120 的生长，发现该系统在重氮光养培养下具有潜力，其生物量浓度可超 6 gX L?1，远高于传统分批培养系统。
光和磷在塑造生物质生产和固氮中的作用
研究人员评估了光照强度、光周期和磷浓度对生物质生长和固氮的影响。通过多元回归分析，建立了描述输入变量影响的数学模型。结果显示，这三个因素对生物质生产力、生长速率和固氮均有显著非线性影响，且它们之间无相互作用。光周期延长对生物响应有积极影响；光照强度增加，生物质生产力提高，但比生长速率先升后降；磷浓度过高会抑制生物质生产力，不过在一定范围内增加磷浓度可提高比生长速率。此外，氮含量无明显变化趋势，但固氮量与生物质生产力密切相关。
模型验证和 HD 培养系统的过程优化
研究人员对建立的数学模型进行了实验验证，选取特定条件进行实验，结果表明实验值在预测值的置信区间内，模型有效。通过模型优化，得到了最佳培养条件：光照强度 470 μmol m?2 s?1、光周期 24 h、磷浓度 34.1 mg L?1。在此条件下，预测生物质生产力可达 1.53 g L?1 d?1，这一结果远超传统分批培养系统。
生物质作为富氮产品的表征：蛋白质含量和氨基酸分析
研究人员对Nostoc sp. PCC 7120 在固氮条件下培养的生物质进行表征。结果显示，蛋白质含量在 14.8% - 53.4% 之间，在中等培养条件下积累较多。蛋白质生产力在较高光照强度和适宜磷浓度下较高。氨基酸分析表明，不同培养条件下氨基酸组成不同，部分氨基酸浓度稳定，如天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu），它们在关键代谢过程中起重要作用。必需氨基酸（EAA）含量和生产力受培养条件影响，且与生物质生产力相关。
研究结论表明，HD 培养系统对Nostoc sp. PCC 7120 的重氮光养培养有巨大潜力，DoE 方法确定了光照和磷供应的影响，得到了优化的培养条件。生物质表征显示在特定条件下可获得高蛋白质含量和良好的营养 profile。该研究为Nostoc sp. 在 HD 培养系统中的应用提供了初步优化框架，对推动微藻在工业生产和食品领域的应用具有重要意义。不过，在研究生物质组成方面，传统 DoE 方法存在局限性，未来可采用更先进的方法进一步研究。
