利用肥料型培养基优化与循环利用策略提升Porphyridium cruentum生物质生产及可持续性研究

本研究针对商业化红藻Porphyridium cruentum生产成本高、资源消耗大的问题，开发了一种低成本肥料型培养基，并评估了水体循环利用对生长的影响。结果表明硝酸钠作为氮源时生物质生产率最高（0.23 g·L-1·day-1），N:P摩尔比20:1可提升产量24%并降低磷需求。培养基循环使用会导致胞外有机物积累、细菌增殖及培养液粘度上升，抑制藻类生长。该研究为微藻规模化培养的资源优化提供了重要依据。

　　

随着全球食品需求增长和可持续发展理念的深化，开发新型可再生食物资源成为迫切需求。占地球水资源97.5%的海水生态系统中的海洋微藻，因其快速生长能力和二氧化碳固定特性，被视为环境友好的工业替代原料。其中，红藻Porphyridium cruentum（紫色红藻）因其能合成高价值化合物而备受关注：其干重5-10%为藻红蛋白(B-PE)，远高于其他藻类；同时富含花生四烯酸（Omega-6多不饱和脂肪酸）和具有抗氧化、抗病毒活性的胞外多糖(EPS)，在食品、化妆品及制药领域具有广泛应用潜力。然而，大规模培养仍面临成本高、资源消耗大等挑战——传统培养基成本高昂，且微藻培养需大量水资源，与可持续发展目标形成矛盾。

为应对这些挑战，西班牙阿尔梅里亚大学化学工程系的Florencia Cáceres Ferroni等研究人员在《New Biotechnology》发表了关于P. cruentum培养基组成与循环利用对生长影响的研究。该研究旨在开发低成本肥料型培养基，降低生产成本并提升培养可持续性，同时评估水体循环利用对微藻生长的影响。

研究团队主要采用实验室规模的250 mL气泡柱光生物反应器培养系统，通过控制光照（800 μmol photons·m^-2·s^-1）、温度（25±2°C）和pH（8.0）等参数，系统比较了不同氮源（硝酸钠、亚硝酸钠、氯化铵、尿素）和氮磷摩尔比（8:1至20:1）对生物质产率的影响。通过逐步优化营养盐浓度（减少30%氮、90%钙、20%微量元素等），最终确定最优培养基配方。此外，通过离心收获生物质并分析其生化组成（采用元素分析仪测定蛋白质、脂质、碳水化合物及藻胆蛋白含量），同时测定培养液中有机碳（NPOC）、粘度、浊度及细菌含量等指标，评估不同水体循环比例（0%-75%）对生长的影响。

3.1 培养基优化

研究发现氮源类型显著影响生物生长。硝酸钠作为氮源时生物质浓度最高（14天达3.5 g·L^-1），生产率达0.23 g·L^-1·day^-1，显著优于亚硝酸钠（0.18 g·L^-1·day^-1）和氯化铵（0.14 g·L^-1·day^-1），尿素则完全抑制生长。光合效率（Fv/Fm）在硝酸盐和亚硝酸盐处理中保持稳定（0.5-0.6），而尿素处理第4天后急剧下降，表明生理应激。

进一步研究氮磷摩尔比显示，N:P为20:1时生物质浓度最高（第15天达4.5 g·L^-1），生产率（0.26 g·L^-1·day^-1）较8:1和12:1比率提升24%，同时减少20%的磷投入。营养盐逐步优化表明：氮含量减少30%不影响生长；钙浓度降低90%（至0.04 g·L^-1）仍维持产量，但95%削减导致生物质下降50%；镁减少20%以上会显著降低生产率；微量元素减少20%无负面影响。最终优化培养基（A20-IX）包含：1.75 g·L^-1 NaNO₃、0.23 g·L^-1 K₂HPO₄·3H₂O、0.04 g·L^-1 CaCl₂、0.49 g·L^-1 MgSO₄·7H₂O和24.0 mg·L^-1 Karentol?微量元素，成本降低26%。

3.2 生物质组成

优化培养基培养的生物质组成（以无灰干重计）为：30%蛋白质（包含1.46% R-藻蓝蛋白R-PC、2.19%别藻蓝蛋白APC、6.16% B-藻红蛋白B-PE）、35%脂质和35%碳水化合物。B-PE含量显著高于ASW培养基（3.07%）和F/2培养基（因氮限制导致色素合成受阻）。F/2培养基因氮浓度低（0.0123 g·L^-1）引发氮限制，导致脂质积累达64.74%，但生物质生产率最低（0.12 g·L^-1·day^-1）。

3.3 水体循环利用

培养液循环使用对生长产生负面影响。随着循环比例增加（25%-75%），生物质浓度显著下降。分析表明，循环导致非挥发性有机碳(NPOC)积累、细菌数量增加、培养液粘度和浊度上升。这些变化归因于P. cruentum分泌的硫酸化胞外多糖（主要含木糖、半乳糖和葡萄糖）在循环过程中不断释放，为细菌生长提供碳源，同时高粘度阻碍气体交换（CO₂/O₂），浊度降低光穿透性，从而抑制光合作用和生长。

该研究成功开发出一种低成本肥料型培养基，可通过优化氮源选择和氮磷比显著提升P. cruentum生物质生产率和高价值化合物（如藻红蛋白）产量。然而，培养液直接循环利用会因有机物积累和微生物污染抑制生长，表明未来需开发预处理技术（如活性炭过滤、微滤或电解除菌）以实现可持续的水资源循环。该成果为微藻商业化培养的资源优化和成本控制提供了重要实践依据，推动了藻类生物技术向环境友好型生产模式转型。