微藻和蓝藻生物气提纯过程中消化液稀释对碳水化合物和色素生产的调控作用及其在循环生物经济中的应用

本研究针对微藻和蓝藻在生物气提纯与废水处理中代谢产物调控不足的问题，通过淡水微藻Parachlorella hussii N9和海洋蓝藻Cyanothece sp. CE4的对比实验，探究了消化液稀释比例（5-50%）对CO2固定、氮去除及碳水化合物/色素合成的影响。结果表明，低浓度消化液（5-10%）促进碳水化合物积累（最高44%干重），而高浓度（50%）增强色素产量（如叶绿素a达3.6%）。研究为定向调控微藻代谢以实现资源回收与高值产物联产提供了新策略，发表于《Algal Research》。

　　

随着全球对可持续发展和碳中和目标的追求，微藻和蓝藻因其独特的代谢能力成为废水处理、碳捕获和高值产物合成的热门研究对象。然而，现有研究多局限于少数常见藻种，且忽视了消化液（centrate）稀释比例对代谢产物的调控作用。更棘手的是，高浓度消化液中的铵盐（NH₄⁺）可能抑制藻类生长，而物理/化学生物气提纯技术又存在成本高、CO₂排放等问题。如何通过优化工艺条件实现多目标协同，成为推动微藻技术工业化的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自西班牙巴利亚多利德大学可持续过程研究所的Matilde Ciani团队在《Algal Research》发表研究，首次系统比较了淡水微藻Parachlorella hussii N9和海洋蓝藻Cyanothece sp. CE4在不同消化液稀释比例下的代谢响应。研究人员采用批次培养实验，设置5%、10%、20%、50%四种消化液稀释梯度（以自来水或海水为稀释基质），同步通入含30% CO₂的人工生物气，监测生长动力学、CO₂/氮去除效率，并通过酚硫酸法、光谱分析等技术量化碳水化合物和色素含量。

3.1. 藻类生长与生物气提纯

Parachlorella hussii N9在3天内即进入稳定期，其生长速率显著高于Cyanothece sp. CE4（需5天）。值得注意的是，50%消化液会抑制两种藻类的生长（OD₆₈₀降低15-66%），而10%稀释比例表现最佳，说明适度稀释可缓解铵盐毒性。CO₂去除率在多数条件下接近100%，残余CO₂<2%，符合欧盟生物甲烷标准。

3.2. 污染物去除

低浓度消化液（5-10%）下总氮（TN）去除率达95-100%，但实际去除量随浓度升高而增加（50%稀释时达250 mg N/L）。淡水微藻对铜（Cu）的去除率为50-61%，而蓝藻无显著金属吸附能力，揭示菌株特异性代谢差异。

3.3. 碳水化合物和色素生产

代谢产物分析显示显著的"碳氮博弈"现象：5-10%稀释组碳水化合物含量最高（41-48%干重），而50%组色素产量突出——微藻叶绿素a达3.6%，蓝藻C-藻蓝蛋白（C-PC）为0.6%。通过标准化比值分析（CH₂O_norm/pigments_norm），证实稀释比例可定向调控代谢流向。

这项研究的意义在于首次阐明消化液稀释比例作为"代谢开关"的双重作用：低浓度促进碳汇型产物（如生物燃料前体）积累，高浓度则利于高附加值色素合成。通过匹配生物气与消化液比例，可实现"一石三鸟"——生物气提纯、废水净化和精准化生产高值产物的协同优化。尤其引入海洋蓝藻的创新思路，为沿海地区利用海水稀释废水提供了可持续方案。未来研究可进一步探索混合藻菌共生系统，以解决实际应用中O₂积累和污染物波动等工程挑战。