循环水产养殖废水中雨生红球藻的流加与循环补料培养策略：持续生物量生产与虾青素生物合成的优化研究

本研究针对传统批次培养微藻存在的生物量产量低、培养周期短等问题，创新性地采用流加(flow-through)和循环补料(cyclic fed-batch)培养策略，在循环水产养殖系统(RAS)废水中培养雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)。研究发现流加培养模式在生长速率(0.39±0.01 d-1)、生物量浓度和营养盐去除(NO3-N去除率64.28±1.84%)方面均优于循环补料模式，且虾青素浓度(2.96±0.78 mgL-1)更高。该研究为水产养殖废水处理与高价值生物制品生产提供了可持续解决方案。

　　

在追求可持续发展的今天，水产养殖业面临两大挑战：如何处理富含营养盐的养殖废水，以及如何满足市场对天然抗氧化剂日益增长的需求。合成抗氧化剂的环境问题促使人们寻找天然替代品，其中雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)因其卓越的虾青素(astaxanthin)生产能力备受关注。虾青素是一种强效抗氧化剂，广泛应用于水产饲料、保健品和化妆品领域。然而，传统的批次培养方法存在生物量产量低、培养周期短等问题，限制了其产业化应用。同时，循环水产养殖系统(RAS)虽然环保，但每天仍需排放5-10%富含氮磷的废水，可能引发水体富营养化。

针对这些问题，来自芬兰自然资源研究院的研究团队在《Aquacultural Engineering》发表了一项创新研究。他们设计了两个独立实验：实验I比较合成培养基(mBG11)和未处理RAS废水(U-RAS)中的藻类生长；实验II则评估预处理RAS废水(灭菌A-RAS和过滤灭菌FA-RAS)的效果。研究采用流加和循环补料两种培养模式，运用细胞密度测定、干重分析、叶绿素a含量检测、营养盐去除率计算等关键技术，并通过高效液相色谱(HPLC)分析虾青素含量。

研究结果显示，在生长性能方面，流加培养模式显著优于循环补料模式。实验II中，流加培养的A-RAS组获得最高生长速率(0.39±0.01 d^-1)，而循环补料培养的FA-RAS组为0.34±0.01 d^-1)。生物量生产方面，流加模式下的干重(DW)更高，A-RAS组生物量生产率达到175.85±30.11 mgL^-1d^-1。营养盐去除效果显示，流加模式的NO₃-N去除率(64.28±1.84%)显著高于循环补料模式(55.05±6.25%)，而PO₄-P的去除率在两种模式下均接近100%。

在虾青素生产方面，研究创新性地对流出液直接施加光胁迫诱导虾青素合成。虽然两种培养模式的虾青素含量相当(约6.30±0.48 mgg^-1 DW)，但由于流加模式生物量更高，其虾青素浓度(2.96±0.78 mgL^-1)显著优于循环补料模式(1.6±0.31 mgL^-1)。生物质成分分析发现，从绿色营养期到红色孢囊期，碳含量从49%增至55-62%，而氮含量从8-9%降至3-4%，反映了代谢重编程过程。

这项研究的重要意义在于开发了一种可持续的整合生产系统：一方面利用RAS废水培养微藻实现废水净化，另一方面通过优化培养策略提高高价值产物虾青素的产量。流加培养模式展现出的优势为规模化生产提供了新思路，而直接对流出液施加胁迫的创新策略简化了传统的两阶段生产流程。研究结果不仅为水产养殖业的废水管理提供了环保解决方案，也为天然虾青素的高效生产开辟了新途径，符合循环经济原则。未来研究可进一步优化光胁迫条件和CO₂浓度，以提高虾青素积累效率，并解决预处理工艺的规模化挑战。