藻类光生物反应器中混合营养合成、碳封存与营养级协同的工程策略：实验与模拟研究

本研究通过径向曝气结合光照强度、碳氮负载等反应器尺度参数，优化了Chlorella sorokiniana的混合营养培养体系，实现CO2封存率提升23-72%，同时利用含乙酸盐废水进行生物修复。该策略为工业规模光生物反应器（PBR）的碳减排与能源生产提供了可部署方案。

　　

研究背景与意义
全球气候变化与能源危机背景下，微藻培养技术因其高效固碳（CO₂ sequestration）和生物质生产能力备受关注。然而，传统光生物反应器（PBR）存在光限制（photo-limitation）与光抑制（photo-inhibition）的双重瓶颈，且混合营养（mixotrophy）培养中光养与异养途径的协同机制尚未量化。印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队通过实验与模拟，提出了一种创新的径向混合（radial mixing）策略，在提升CO₂封存效率的同时，实现了工业废气与含乙酸盐（acetate）废水的协同处理，相关成果发表于《Bioresource Technology》。

关键技术方法
研究采用5L鼓泡塔光生物反应器培养Chlorella sorokiniana，通过径向曝气产生3-5倍闪光频率，结合CFD模拟量化湍流-层流耦合流动。实验变量包括CO₂负载（0.04-6%）、光照强度（10,500-14,000 lx）和氮限制条件，测定脂质、碳水化合物产量及无机碳浓度。

研究结果

1. 反应器尺度参数对代谢产物的影响
径向混合使藻细胞在光照区与暗区间高频穿梭，光闪频率提升显著增强光养-异养协同。在14,000 lx光照与6% CO₂条件下，脂质产量达1.61 g/L，无机碳转化效率提升72%。

2. 跨尺度反馈机制
宏观混合参数通过NADPH/ATP能量载体激活微观尺度的碳浓缩机制（CCM）和乙酸盐转运蛋白（mct1），促进三酰甘油（TAG）合成。CFD模拟显示气体流速与闪光频率呈正相关。

3. 工业应用潜力
四联策略（超适CO₂、高强度光照、昼夜节律、氮限制）可使工业PBR的CO₂封存量增加23%，同时处理含乙酸盐废水。

结论与展望
该研究首次量化了混合营养培养中的营养级协同效应，证实径向混合通过机械模拟闪光效应（flashlight effect）突破传统PBR的限制。这一策略为同时解决碳减排、废水修复与生物能源生产提供了工程化路径，尤其适用于燃煤电厂废气与食品工业废水的耦合处理。未来研究可进一步优化混合动力学与多尺度模型，推动技术规模化应用。