《Algal Research》：Optimizing electrode-integrated microalgae cultivation systems for simultaneous bioelectricity and lipid production
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微藻通过优化电极材料（Al-Zn）、pH（5.0）、营养浓度（8%）和盐度（0.2 M）实现生物电能（0.82 V）与脂质积累（35.5 wt%）协同提升，为同时生产生物柴油和电能的可扩展系统提供新方案。
Amina Lami Mohammed|Man Kee Lam|Uganeeswary Suparmaniam|Jun Wei Lim|Inn Shi Tan|Sie Yon Lau|Bridgid Lai Fui Chin|Peck Loo Kiew
马来西亚霹雳州Seri Iskandar市PETRONAS技术大学化学工程系，邮编32610
摘要
微藻以其高脂质含量而闻名，这些脂质可以转化为生物柴油，从而提供一种可再生能源。本研究探讨了微藻在培养过程中产生生物电的潜力，为生物柴油生产之前提供了另一种可再生能源。系统地研究了电极材料、pH值、营养浓度和盐度对
普通小球藻（Chlorella vulgaris）生长、脂质积累和电化学性能的影响。在pH值为5.0、营养浓度为8%（v/v）和盐度为0.2 M的条件下，使用Al
Zn电极时获得了最佳性能。在这种条件下，脂质生产和生物电生成均得到了提升，最高生物电输出为0.82 V，脂质含量为35.5 wt%，相应的最大脂质产量为0.302 g/L。这些发现表明高脂质产量和生物电生成的双重效益，强调了集成电极的微藻培养系统在同时生产生物燃料和生物电方面的潜力，表明它们可作为可扩展和可持续的可再生能源解决方案平台。本研究突出了生物燃料生产和生物电生成之间的协同增效作用，强调了优化培养参数对于高效和可持续能源生产的重要性。
引言
能源是全球社会经济活动的基础，推动了各个领域的进步和发展[1]。然而，对化石燃料的持续依赖导致了严重的环境后果，尤其是加剧了温室气体（GHG）排放，进而加剧了全球气候变化[2]。目前，化石燃料占世界能源消耗量的大约80%，并贡献了近89%的温室气体排放，这对可持续性构成了重大挑战[3]。为此，人们越来越重视寻找和开发更清洁、可再生的能源，以满足不断增长的能源需求并减轻环境影响[4]。生物燃料作为一种有前景的可再生能源，为减少对化石燃料的依赖提供了途径[5]。其中，微藻因其卓越的光合作用效率、快速的生物量积累能力以及能够利用非耕地和替代水源（如废水和咸水）而受到广泛关注[6]。此外，微藻还可以通过直接利用工业来源的二氧化碳排放来参与碳封存，从而为减少温室气体排放做出贡献[7]。
第三代生物燃料，特别是那些来自微藻和蓝细菌生物质的生物燃料，相比第一代和第二代生物燃料具有显著优势[8]。微藻的光合作用速率是陆地植物的两到四倍，这使得它们能够快速产生生物量[9]。此外，其培养不会与农业用地或淡水资源竞争，使其成为生物柴油和其他高能量生物燃料的高度可持续原料[10]。除了燃料生产外，微藻还具备多种工业应用，包括废水处理、生物修复、资源回收以及生产营养保健品、动物饲料、药品和化妆品[11]。尽管具有这些优势，但在扩大微藻基生物燃料生产系统的规模方面仍面临一些挑战，例如优化培养和收获过程、降低运营成本、改进预处理方法以及提高生物量和脂质产量[12]、[13]。常用的微藻种类如普通小球藻（Chlorella vulgaris）、加的斯纳诺藻（Nannochloropsis gaditana）、雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）和斜纹藻（Scenedesmus obliquus）表现出较高的脂质产量和良好的生物柴油特性，包括生物降解性、无毒性、高闪点和优异的润滑性，使其成为商业生物柴油生产的理想候选者[14]、[15]。
与生物燃料生产的进步相比，生物电生成技术作为互补的可再生能源选项受到了越来越多的关注，尤其是通过微生物燃料电池（MFCs）实现。MFCs利用电化学活性细菌通过氧化还原反应将有机底物的化学能转化为电能，捕获微生物代谢过程中释放的电子[16]。同样，生物光伏（BPV）设备利用微藻的光合作用直接从光能中产生电流。尽管这两种技术具有创新潜力，但它们都面临着重大挑战，包括复杂的系统设计、低功率输出以及微生物稳定性和可扩展性问题，这些限制了它们的商业应用。MFCs依赖于微生物对有机物的降解，而BPV则通过光合作用利用太阳能，这凸显了它们不同的运作机制。在这两种系统中，合适的电极材料集成至关重要，因为电极有助于促进微生物或光合细胞之间的高效电子转移，从而实现稳定有效的生物电生成。
另一种方法是将电化学系统直接集成到微藻培养平台中，例如光生物反应器中，以实现同时发电和生物量生产。光生物反应器（如垂直柱、平板、气泡柱和管状系统）可以提供控制良好的环境，优化光穿透、气体交换和营养供应，使其非常适合电极集成[17]、[18]。尽管有这些优势，但关于在微藻培养系统中同时整合生物电生成和生物燃料生产的文献仍存在空白，特别是在电极选择、潜在生物电输出、生物量生长和脂质积累方面。本研究通过提出具有双重功能的电极集成系统来填补这一空白，这些系统能够同时产生生物电和脂质。这种方法不仅提高了整体能源产量，还为可再生能源生产提供了更加可扩展和高效的解决方案。
虽然之前已经探索了独立用于生物电生成或脂质生产的电极集成系统，但在微藻系统中同时优化这两种途径的研究仍然不足。本研究直接研究了在不同培养条件下电极集成对微藻生长、脂质生物合成和生物电生成的影响。通过同时关注生物电和脂质生产，该研究提出了一种新颖的双功能方法，推动了微藻生物反应器系统的发展，并对生物电化学研究和生物燃料生产领域做出了重要贡献。
部分摘录
微藻种子的营养制备和培养
使用“Tani”品牌销售的鸡粪堆肥作为微藻培养的营养来源。为了制备营养介质，将10克鸡粪堆肥在600毫升自来水中以800转/分钟的速度连续搅拌24小时，使用磁力搅拌器。混合后，用滤纸过滤溶液以去除不溶性颗粒。然后使用过滤后的营养溶液在光生物反应器中培养C. vulgaris菌株
电极的影响
在研究的参数中，电极材料的类型对微藻生物量的生长起到了重要作用，因为它直接影响离子平衡、氧化还原反应条件和培养介质中的营养物质的可用性。使用不同电极材料培养的微藻在10天内的生物量浓度显示出不同的生长反应，如图2所示。对照组、Al
Zn和Al
Fe系统在整个培养过程中保持了相对稳定的细胞生长
结论
基于微藻的培养系统为可再生生物能源生产提供了可行的途径，通过集成电极实现了脂质积累用于生物柴油生产和生物电生成的双重效益。本研究表明，电极材料和培养参数对普通小球藻的生理和电化学性能有显著影响。在测试的电极材料中，含锌的电极
CRediT作者贡献声明
Amina Lami Mohammed：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据分析。Man Kee Lam：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Uganeeswary Suparmaniam：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。Jun Wei Lim：撰写——审稿与编辑。Inn Shi Tan：撰写——审稿与编辑。Sie Yon Lau：撰写——审稿与编辑。Bridgid Lai Fui Chin：撰写——审稿与编辑。Peck Loo Kiew：撰写——审稿与
未引用的参考文献
[103], [104], [Zhu and Li, 2023]
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢马来西亚高等教育部（MOHE）通过HICoE Grant（成本中心015MA0-177）、PETRONAS技术大学基金会（成本中心015PBC-058）、石油技术开发基金（PTDF）和国防空间管理局（DSA）（尼日利亚阿布贾）提供的资金支持。
