基于微藻的生物精炼：生物刺激剂与沼气联产技术推动农业资源循环利用

本研究针对农业可持续发展需求，创新性地构建了微藻生物精炼集成系统。研究人员通过酶解提取Scenedesmus sp.生物刺激剂，并利用残余 biomass 进行厌氧消化产沼气。结果表明：微藻提取物具有类赤霉素/生长素/细胞分裂素活性，显著促进植物生长；残余 biomass 的甲烷产率提升20%达293 mL CH4·g?1 VS，动力学常数提高10%。该研究为微藻高值化利用和农业碳中和提供了技术范式。

　　

随着全球人口预计在2050年突破百亿大关，农业正面临前所未有的挑战。气候变化、资源枯竭和粮食需求激增形成三重压力，而化学农药和肥料的过度使用又加剧了环境负担。在这种复杂形势下，开发可持续的农业解决方案迫在眉睫。微藻生物技术因其环境友好性和资源高效性备受关注，特别是微藻能够合成多种生物活性分子，具有作为生物刺激剂的巨大潜力。然而，微藻培养和下游加工的高成本限制了其商业化应用。如何通过多产品生物精炼模式提升微藻利用的经济性，成为当前研究的重点难点。

发表于《Algal Research》的这项研究开创性地将微藻生物刺激剂提取与沼气生产相结合，构建了完整的资源回收链条。研究团队采用户外跑道池培养Scenedesmus sp.微藻，通过超声破碎结合酶解（Alcalase和Flavourzyme混合物）提取生物活性成分，并利用四种生物测定法（水芹种子发芽指数、绿豆不定根形成、黄瓜子叶扩张和小麦叶片叶绿素保留）评估生物刺激活性。同时通过中温生化甲烷潜能(BMP)测试分析残余生物质的厌氧消化性能，采用一级动力学模型拟合产甲烷过程，使用气相色谱(GC)分析沼气成分。

3.1. 微藻提取物的生物刺激活性

通过系列生物测定发现，Scenedesmus sp.提取物表现出显著的植物激素样活性。在水芹种子发芽试验中，0.1 g·L^?1浓度提取物使发芽指数(GI)达到151.2%，表明存在类赤霉素物质。绿豆不定根形成试验显示，2.0 g·L^?1浓度提取物促进根生长效果达228%，证实类生长素活性。小麦叶片叶绿素保留试验中，提取物表现出类细胞分裂素作用，叶绿素保留率达118%。这些结果表明微藻提取物含有多种植物生长调节物质。

3.2. 残余微藻生物质的沼气生产

下游加工显著改变了生物质的组成特性。原始生物质(Raw)含蛋白质62.9%、碳水化合物16.6%、脂质20.5%，而提取后生物质(Stim-E)的蛋白质比例下降至53.7%，脂质比例上升至31.8%。BMP测试表明，Stim-E生物质的甲烷产率显著提高，从244 mL CH₄·g^?1 VS增加至292.3 mL CH₄·g^?1 VS，增幅达20%。同时产甲烷动力学常数从0.274 day^?1提升至0.300 day^?1，厌氧生物降解性从82.9%提高至90.2%。这归因于细胞破碎提高了有机物的生物可利用性。

3.3. 零废物方法、放大挑战和微藻生物精炼的商业可行性

研究展示了完整的循环经济模式：微藻培养可结合废水处理，生物刺激剂提取后的残余物用于沼气生产，消化液又可作为营养源回用。该集成策略不仅提高了经济可行性，还解决了微藻细胞壁难降解的技术瓶颈。尽管在放大规模、加工成本和法规标准方面仍存在挑战，但微藻生物刺激剂在欧洲市场已显示出强劲增长潜力（年增长率11.8%），预计2032年市场规模将达到97.5亿美元。

本研究证实了微藻生物精炼模式在可持续农业中的巨大价值。通过Scenedesmus sp.微藻的成功案例，展示了生物刺激剂生产与沼气回收的协同效应。酶解提取不仅释放了高价值的生物活性化合物，还通过细胞破碎提高了残余生物质的厌氧消化效率。这种"提取-消化"双路径策略为微藻的高值化利用提供了新思路，有效解决了生产成本高的瓶颈问题。研究结果对推动农业绿色转型、实现资源循环利用具有重要意义，为发展环境友好型农业实践提供了技术支撑和理论依据。未来的研究应重点关注工艺优化、放大规模和经济性评估，以加速该技术的商业化应用。