微藻Scenedesmus sp.中氮素向生物量、叶绿素及类胡萝卜素转化的传递函数模型研究

本文创新性地建立了微藻(Scenedesmus sp.)在自养条件下氮素向生物量、叶绿素和类胡萝卜素转化的传递函数模型(TF)，通过MATLAB构建了批式与流加培养模式下氮浓度与产物间的动态关系模型（最高拟合度达54.85%），为微藻培养的精准氮控制(PNC)提供了理论框架，对高值代谢物（如叶黄素）的工业化生产具有重要指导意义。

　　

研究亮点

本研究首次建立了描述微藻Scenedesmus sp.中氮素向生物量、色素转化的动态数学模型。通过传递函数(Transfer Function)分析，揭示了不同氮浓度下培养系统的非线性响应特征，为微藻培养的智能控制提供了量化工具。

菌株与培养条件

实验采用Scenedesmus sp.菌株，在2L管式气升光生物反应器(PBR)中进行培养。生物量、硝酸盐氮(NO₃-N)、叶绿素(Chl)和总类胡萝卜素(Car)的检测方法参照García-Ca?edo等建立的标准流程，流加培养模式严格按已发表方案执行。

传递函数模型

初始构建的2极1零模型拟合度不足50%，其表达式为：

(0.05677s - 0.05218)/(s² + 11.04s + 1.144×10^-11)

优化后的3极1零模型显著提升拟合度至54.85%：

(-0.002644s + 0.01128)/(s³ + 1.207s² + 3.549s + 2.58)

结论

在批式和流加培养中，氮水平升高均导致传递函数复杂度增加，暗示氮条件变化会干扰微藻细胞内氮同化过程(N-assimilation)的生物学调控网络。这种现象可能与培养体系的异质性（如细胞裂解释放氮）破坏稳态假设有关。研究还检测到奢侈吸收(Luxury uptake)现象，提示...