光生物反应器中菌落尺寸对布氏葡萄藻(Botryococcus braunii)光吸收与生长效率的影响机制研究

为解决布氏葡萄藻(B. braunii)因菌落尺寸导致的光吸收效率低、生长缓慢等问题，法国研究团队通过高压均质技术(HPH)调控菌落尺寸，结合光生物反应器培养与平均光子吸收率(MRPA)计算，揭示了中等尺寸菌落(145 μm)可使生物量生产率提升34%(0.123 g·L?1·d?1)，烃类产量提高74%(1.30 g·m2·d?1)，为光生物反应器优化提供新策略。

　　

在全球能源转型背景下，微藻因其高效固碳能力和生物燃料生产潜力成为研究热点。其中，布氏葡萄藻(Botryococcus braunii)因其独特的胞外烃类积累特性备受关注，但其缓慢的生长速率（0.09-0.5 d^?1）严重制约工业化应用。尤其令人困扰的是，其菌落结构导致的光吸收效率低下问题长期未被阐明——大菌落中细胞相互遮光，而小菌落可能缺乏光保护机制。这一矛盾成为提升光生物反应器效率的关键瓶颈。

法国研究团队在《Algal Research》发表的研究中，首次系统揭示了菌落尺寸对B. braunii BOT-22（B族）光吸收与生长效率的调控规律。通过高压均质技术(HPH)破碎大菌落，发现质量吸收截面从8.0激增至79 m²·kg^?1，证实菌落尺寸是光吸收的决定性因素。创新性地采用平均光子吸收率(MRPA)量化光能利用效率，发现大菌落(434 μm)通过光保护策略应对高光胁迫，而中等菌落(145 μm)在光生物反应器中展现出最优生产力：生物量生产率达0.123 g·L^?1·d^?1，烃类产量较对照组提升74%。

关键技术包括：1）高压均质技术(HPH)制备不同尺寸菌落；2）光生物反应器培养结合MRPA计算；3）日本Okinawa来源的BOT-22菌株与德国SAG 30.81菌株对比。

菌落尺寸对光吸收的影响
HPH处理使菌落直径从>500 μm降至<50 μm，质量吸收截面提升近10倍，证明菌落尺寸直接影响光捕获效率。通过排除营养限制干扰，明确胞外基质本身对吸光影响微弱。

MRPA与光保护机制
大菌落在高光强下表现出更高的MRPA值，揭示其通过增大菌落尺寸分散光能压力，这种光适应策略首次在B. braunii中被量化证实。

菌落尺寸与生产力关系
中等菌落(145 μm)在光生物反应器中实现最佳平衡：生物量生产率比大菌落高34%，烃类产量达1.30 g·m²·d^?1，证明存在"黄金尺寸"窗口。

该研究开创性地建立了菌落尺寸-光吸收-生长效率的定量关系，为光生物反应器参数优化提供理论依据。通过调控预培养光强可定向获得目标尺寸菌落，这种非遗传改造方法具有工业化应用潜力。未来可延伸至烃类提取工艺优化，例如小菌落利于非破坏性提取胞外产物，而大菌落可能更适合整体采收。研究结果对微藻生物精炼系统的能效提升具有里程碑意义。

（注：所有数据与结论均源自原文，作者Samy Kemel等未声明利益冲突，研究获法国环境与能源管理署资助。）