利用固氮蓝藻无动物/作物源营养的微生物氨基酸/蛋白质可持续生产研究

（编辑推荐）本研究开创性地利用固氮蓝藻（Trichormus sp.）提取物替代传统动物/作物源营养，成功培养五种工业微生物（B. subtilis、C. efficiens等），实现氨基酸（如谷氨酸达4.0 mM）和重组蛋白（β-酪蛋白、IGF-1等）的高效生产。该技术突破显著降低合成氮肥依赖（减少全球3% CO2 排放），为食品/医药领域提供环境友好型解决方案，土地利用率提升达100倍。

　　

引言
微生物发酵生产氨基酸和生物药物已广泛应用于食品、医药及饲料领域，全球氨基酸市场规模预计2032年达580亿美元。传统方法依赖动物/作物源营养，其生产过程涉及合成氮肥（占全球能源1%-2%）和农药使用，造成显著环境负担。本研究提出利用固氮蓝藻Trichormus sp. PCC 7120提取物培养五种工业微生物，旨在建立无动物/作物源的可持续生产体系。

结果

B. subtilis在酸水解Trichormus提取物中的培养
B. subtilis在60%蓝藻提取物中的生长效率是传统培养基的3倍以上。代谢分析显示其优先消耗葡萄糖和天冬氨酸，并在青霉素G诱导的静止期高产17种氨基酸，包括苏氨酸（1.6 mM）、甲硫氨酸（1.2 mM）等天冬氨酸家族成员，以及γ-氨基丁酸（GABA，2.9 μM）和羟脯氨酸（10.9 μM）。

C. efficiens的氨基酸生产
该菌在40%提取物中高效生长，静止期分泌15种氨基酸，包括谷氨酸（4.0 mM）和天冬氨酸家族产物。与B. subtilis不同，其精氨酸代谢不产生鸟氨酸。

E. coli与Brevibacillus的培养优化
E. coli在40%提取物中生长优于传统培养基，而B. brevis对高盐敏感。采用振荡法提取的100%蓝藻营养液（含更高维生素B₂
/B₆
）使B. brevis生物量提升322倍，且显著降低渗透压影响。

重组B. choshinensis的蛋白表达
利用振荡法提取物成功分泌牛β-酪蛋白（33.2 μg/mL）、人α-乳白蛋白（1.55 μg/mL）、人IGF-1（174 ng/mL）和人白蛋白（203 ng/mL），产量与传统培养基相当。

讨论
相比传统农业，该技术可减少90%水资源消耗和23.5吨/公顷/年的温室气体排放。固氮蓝藻开放式培养系统每日可生产20 g/m²
生物量，其提取物成本（0.036-0.775美元/升）显著低于商业LB培养基（10美元/升）。研究还验证了高CO₂
耐受藻类A. littoralis的替代应用潜力，为工业废气利用提供新思路。

方法
采用酸水解（0.5N HCl，100°C）或振荡法（30°C，3天）制备蓝藻提取物，通过HPLC-MS分析营养成分。微生物培养在30-37°C进行，重组蛋白采用pNCMO2载体表达，ELISA定量检测。统计采用GraphPad Prism进行ANOVA多重比较。

资源与展望
该体系已实现实验室规模验证，未来需优化提取物组合比例（如酸水解法高葡萄糖vs振荡法高维生素）以适配不同菌种。研究者建议在火电厂附近建立微藻-微生物联合生产设施，进一步降低碳足迹。