氮限制与乙酸调控下蛋白核小球藻同步产氢与脂质的机制研究及其能源转化意义

为解决微藻生物能源转化效率低的难题，青岛新能源山东省实验室团队聚焦蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)，通过氮限制(0.35 mM NH4Cl)与乙酸(2 mL L-1)协同调控，揭示其同步高产氢气(241.42 mL L-1)和脂质(45.0%干重)的分子机制。研究发现氮限制通过抑制PSII活性创造厌氧环境促进[Fe-Fe]-hydrogenase产氢，同时积累NADPH为脂肪酸合成供能；乙酸则通过转化为acetyl-CoA提供脂质前体并促进NADH生成。该研究为微藻能源联产技术提供新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，国际能源署(IEA)指出实现碳中和需在2030年前将可再生能源投资翻倍。微藻因其光合固碳能力被视为理想生物能源载体，其中氢气(H₂)和藻类脂质转化生物柴油最具潜力。然而传统研究多聚焦单一产物，且[Fe-Fe]-hydrogenase的氧敏感性、脂质合成还原力供给不足等瓶颈制约产业化进程。青岛新能源山东省实验室联合团队在《Algal Research》发表研究，首次系统阐明蛋白核小球藻在氮限制下协同产氢与脂质的调控网络。

研究采用氮梯度培养(0-100% NH₄Cl)结合外源碳源(乙酸/甘油/葡萄糖)添加策略，通过监测细胞生长、气体产量及脂质含量，结合光合参数(Fv/Fm)、NADPH/NADH水平及关键代谢物分析，揭示能量分配机制。

氮限制对藻细胞生长的影响
5%氮浓度(0.35 mM)处理组在维持生物量(8.4×10⁷ cells/mL)同时，产氢效率较全氮组提升3.2倍。完全缺氮组(N)则因代谢停滞导致细胞密度锐减62.5%，证实适度氮限制的调控必要性。

光合电子传递链重构机制
氮限制使PSII最大量子效率(Fv/Fm)降低41%，抑制光合放氧创造厌氧微环境。过剩电子经ferredoxin(Fd)传递至[Fe-Fe]-hydrogenase催化产氢，该途径贡献了83%的总电子流。同步检测到PSII受体侧过度还原态积累，促使NADPH库容扩大2.1倍，为脂肪酸合成提供关键还原力。

乙酸的双重增效作用
2 mL L^-1乙酸处理使产氢峰值提前24小时，脂质产量提升27.8%。机制研究表明：1)乙酸通过抑制PSII活性进一步降低氧分压；2)经acetyl-CoA合成酶转化后，直接参与脂肪酸β-氧化途径；3)促进NADH生成，同时满足氢酶(需2e^-/H₂)和脂肪酸还原(需14e^-/C₁₆)的电子需求。

该研究突破性地证明氮限制与乙酸协同可解耦微藻光合-呼吸代谢冲突，实现电子流在产氢与脂质合成间的动态平衡。Weiqing Zhang等提出的"一碳双能"模式，为开发第三代生物燃料联产技术奠定理论基础。研究特别指出，5%氮限制下acetyl-CoA代谢通量重编程是能量再分配的关键节点，这一发现为人工调控微藻代谢流提供了新靶点。Anatoly Tsygankov在讨论中强调，该策略可推广至其他Chlorella属藻株，对构建闭环式微藻能源工厂具有重要实践意义。