开放式微藻培养中光合商(PQ)的无损原位监测技术开发与应用

针对开放式微藻培养系统中光合商(PQ)实时监测的技术瓶颈，研究人员创新性地构建间歇曝气(IA)培养模式，通过溶解氧(DO)和二氧化碳(CO2)浓度动态测算PQ值。该技术实现了PQm与理论值PQc的高度吻合(R2>0.80)，且在氮限制条件下PQm与脂质含量显著相关(R2=0.86)，为开放式系统的碳通量调控和脂质生产优化提供了低成本解决方案。

　　

在应对全球能源危机和碳中和目标的背景下，微藻作为"光合细胞工厂"因其高效固碳和脂质生产能力备受关注。然而，开放式培养系统中生理指标的实时监测始终是产业化的关键瓶颈——传统尾气分析法仅适用于封闭式实验室装置，而元素分析法需破坏样本且滞后严重。更棘手的是，光合商(PQ，即氧释放速率OER与碳摄取速率CUR的比值)作为反映碳分配流向的核心参数，其动态变化直接决定脂质积累效率，却缺乏适配开放系统的监测手段。

中国海洋大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地提出间歇曝气(IA)策略破解这一难题。通过优化非曝气/曝气时长比至1:23小时，成功实现Nannochloropsis oceanica培养过程中PQ值的无损原位测算。研究发现，实测PQ_m与理论PQ_c在氮充足(N⁺)和氮限制(N^-)条件下均保持高度一致性(R²>0.80)，更令人振奋的是，氮限制组PQ_m与脂质含量呈现强相关性(R²=0.86)，这为开放式培养系统的实时过程控制提供了全新标尺。

关键技术方法
研究采用500 mL MiniBio光生物反应器，以Nannochloropsis oceanica为模式藻种，设置氮充足(750 mg L^-1 NaNO₃)和氮限制(75 mg L^-1)两组对比。通过动态监测非曝气阶段的DO和CO₂浓度变化计算PQ值，同时采用元素分析法验证准确性。混合效率通过示踪剂法测定t_m,95，生理活性通过叶绿素荧光参数评估。

研究结果

微藻菌株与生长条件
在24小时光照(80 μmol m^-2 s^-1)、25℃条件下，证实间歇曝气模式不影响N. oceanica的基础生长参数，为PQ监测提供稳定培养体系。

曝气中断对培养条件的影响
混合时间测试显示，单纯叶轮搅拌的t_m,95优于单纯曝气，但1:23的IA模式可兼顾混合效率与气体交换需求。非曝气阶段DO积累引发的氧化应激被证实可通过调控IA周期避免。

结论与意义
该研究突破性地建立了首个适用于开放系统的PQ原位监测方法，其创新性体现在三方面：技术层面，通过IA模式巧妙规避开放系统的气体扩散干扰，仅需常规DO/CO₂探头即可实现PQ动态测算；理论层面，首次证实PQ_m在开放系统中仍能准确反映碳分配流向，特别是氮限制条件下与脂质合成的定量关系；应用层面，1:23的IA周期设计既满足监测需求又维持培养稳定性，可直接移植至跑道池等工业装置。这项研究为微藻生物燃料的产业化进程提供了关键的实时调控工具，使基于PQ反馈的精准培养控制策略在开放系统中成为可能。