《Environmental Technology & Innovation》：Cultivation strategy shapes the short-term soil amendment performance of
Chlorella sp. biomass under nitrate, urea, and recycled medium conditions
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摘要专业翻译
培养策略影响小球藻（Chlorella sp.）生物质的产量与组成。半尿素培养在降低氮投入的同时提高了生物质产量。尿素来源的生物质增强了土壤短期脲酶活性。尿素来源的生物质提高了土壤铵态氮和有效磷含量。合并宏基因组学（pooled metageno
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培养策略影响小球藻（Chlorella sp.）生物质的产量与组成。半尿素培养在降低氮投入的同时提高了生物质产量。尿素来源的生物质增强了土壤短期脲酶活性。尿素来源的生物质提高了土壤铵态氮和有效磷含量。合并宏基因组学（pooled metagenomics）分析提示了氮代谢标志物的变化。本研究将小球藻（Chlorella sp.）生物质视为一种土壤改良剂，因为评估重点在于施用后土壤理化性质、酶活性和微生物功能谱的短期变化，而非植物生长或养分吸收响应。研究人员建立了从培养到土壤的整合研究框架，比较了在硝酸盐基BG11培养基、全尿素培养基、半尿素培养基和循环使用废培养基（recycled spent medium）条件下生产的小球藻（Chlorella sp.）生物质在等干重施入土壤后的短期效应。研究结果表明，半尿素处理（BN）获得了最高的生物质产量（干重6.67 mg/mL），同时降低了培养过程中的氮投入。经过14天实验室土壤培养后，接受全尿素（NS）和半尿素（BN）处理生物质的土壤表现出更高的脲酶活性（0.17–0.18 U/g）和铵态氮浓度，其中BN处理还显示出最高的有效磷含量（39.53 mg/kg）。合并宏基因组学分析显示了微生物群落组成和氮代谢相关功能标志物的描述性数值差异。这些发现仅限于短期实验室土壤培养，不应被解释为长期肥料效力、植物生长促进或田间规模农业性能的证据。需要进一步的长期培养研究、田间试验和植物响应评估，以确定这些短期土壤响应能否转化为可持续的农业效益。
论文解读
一、研究背景与意义
现代集约化农业高度依赖合成化学肥料的持续施用以满足全球粮食需求。然而，长期过量使用合成肥料引发了一系列环境危机，包括严重的土壤退化、养分淋溶和大量温室气体排放。因此，迫切需要开发环境友好的有机改良剂，以改善土壤质量并促进养分循环，同时减少对合成肥料的依赖。
近年来，微藻作为农业系统中具有前景的生物质资源和可持续养分管理工具而受到关注。绿色微藻如小球藻（Chlorella sp.）在光合自养培养过程中可固定大气中的二氧化碳，施入土壤后其生物质可通过矿化作用释放养分，并提供支持土壤结构的有机化合物。然而，微藻基农业改良剂的大规模应用仍面临经济性和工艺方面的制约。在培养因素中，氮源是影响微藻生物质产量和生化组成的重要投入。传统培养培养基如标准BG11以硝酸钠为主要氮源，但硝酸盐同化需要细胞内的硝酸盐转运和还原为铵的过程，这一过程消耗代谢能量和还原力。尿素因其可水解为铵并被微藻细胞同化，被认为是具有前景的替代氮源，可降低与硝酸盐还原相关的能量负担。
尽管已有研究独立探索了尿素作为微藻培养替代氮源、通过废培养基循环实现养分回收以及微藻生物质的农业应用，但将不同培养策略与所得生物质后续土壤改良性能进行系统并排比较的研究仍然有限。具体而言，以下知识空白仍然存在：第一，关于降低尿素投入对小球藻（Chlorella sp.）生物质生产力、生化组成及后续短期土壤改良效果的具体影响尚不明确；第二，培养依赖性差异对土壤理化性质、养分循环酶活性、微生物群落结构和氮代谢功能谱的影响尚不清楚；第三，虽然循环废培养基已被提出作为减少资源消耗和培养成本的策略，但关于循环培养基生产的生物质土壤改良性能的实证数据仍然缺乏。
二、研究内容与主要结论
为填补上述空白，研究人员建立了从培养到土壤的整合研究框架，比较了在硝酸盐基BG11（BG）、全尿素（NS）、半尿素（BN）和循环废培养基（HB）条件下生产的小球藻（Chlorella sp.）生物质在等干重施入土壤后的短期效应。研究假设培养处理中氮形式和投入水平的不同会改变小球藻（Chlorella sp.）的生长性能和生物质生化特征，进而影响土壤养分有效性、氮循环酶活性、微生物群落结构和氮代谢功能标志物。
研究结果表明，培养策略确实影响了小球藻（Chlorella sp.）生物质的产量和生化组成。半尿素处理（BN）获得了最高的生物质产量，同时降低了培养过程中的氮投入。经过14天实验室土壤培养，接受全尿素（NS）和半尿素（BN）处理生物质的土壤表现出更高的脲酶活性和铵态氮浓度，其中BN处理还显示出最高的有效磷含量。合并宏基因组学分析显示了微生物群落组成和氮代谢相关功能标志物的描述性数值差异。这些发现表明，培养策略可以通过改变生物质特性来影响其短期土壤改良性能，为优化微藻培养条件以提升农业应用价值提供了依据。
三、主要技术方法
研究人员采用了从培养到土壤的整合实验框架。微藻培养实验在250 mL锥形瓶中进行，工作体积150 mL，每个培养处理设三个独立生物学重复，在25±1 °C、3000 lux光照强度、12小时光照/12小时黑暗循环条件下培养7天。土壤培养实验使用400 g土壤/盆，每盆接种含500 mg干生物质的藻液（相当于1.25 mg干生物质/g土壤），设水对照（CK），每个处理三个独立重复盆，在实验室条件下培养14天。土壤样本采集自中国福建省厦门市，风干后过2 mm筛。宏基因组测序采用每个处理三个重复盆的DNA等量混合构建一个复合测序样本，在Illumina高通量测序平台上完成。生物信息学分析使用Fastp进行质控、MEGAHIT进行序列组装、Prodigal进行开放阅读框预测、CD-HIT构建非冗余基因目录、SOAPaligner进行基因丰度比对、Diamond进行NR和KEGG数据库功能注释。
四、研究结果
4.1 不同培养处理下小球藻（Chlorella sp.）的生长和生化特征
生物质产量和生长曲线。 四个培养处理间的生长动力学和生物质产量差异显著。半尿素处理（BN）获得了最高的OD680（1.35±0.05）和生物质浓度（干重6.67 mg/mL），其次是全尿素（NS）和硝酸盐基（BG）处理，而循环废培养基处理（HB）在第2天后未能维持生长。全尿素（NS）处理的生物质产量与BG相当，表明尿素培养基在本研究条件下可以支持小球藻（Chlorella sp.）的生长。BN处理的生物质积累显著高于NS处理（p=0.0024），表明较高的尿素投入并未带来更高的生物质产量。
生化组成：蛋白质、可溶性糖和总氮（TN）。 NS和BN培养物的蛋白质和TN浓度高于BG和HB。NS和BN组的蛋白质浓度分别达到0.083和0.089 g/L，显著高于BG组（0.063 g/L，p<0.05）。干重归一化蛋白质含量在处理间差异显著（p=0.0086），HB和NS处理相对较高（分别为18.42±1.68和17.86±1.79 mg g-1 DW），而BG和BN较低（分别为13.72±1.60和13.43±1.38 mg g-1 DW）。干重归一化TN含量在处理间无显著差异（p=0.0786），范围为2.11至3.29 mg g-1 DW。
4.2 不同培养处理来源的小球藻（Chlorella sp.）生物质施用后的短期土壤响应
对土壤pH和电导率的影响。 与对照组（CK）相比，BG处理来源的生物质显著提高了土壤pH（从5.4升至5.7，p=0.0205），而NS和BN处理使土壤pH保持在接近CK的水平（5.4–5.5）。所有微藻处理均提高了土壤电导率（EC），其中BN处理最高（237.67 μS/cm）。
对土壤养分组分和有机碳动态的影响。 BN处理的有效磷浓度最高（39.53 mg/kg），显著超过BG（p=0.0156）。有效钾在各处理间无显著差异。NS和BN处理的铵态氮浓度最高，显著高于CK和HB（p<0.0367）。NS、BN和BG处理的总碳（TC）和总有机碳（TOC）均显著高于CK和HB（p<0.05）。
土壤酶活性响应。 BG、NS和BN处理的过氧化氢酶活性显著高于CK和HB（p=0.0012）。接受NS和BN处理生物质的土壤脲酶活性更高（0.17–0.18 U/g），显著高于BG、HB和CK（p<0.05）。NS处理的蛋白酶活性最高（1.99 U/g），显著高于HB。
4.3 微藻施用后土壤微生物群落结构和氮代谢功能标志物的描述性图谱
土壤微生物OTU分布和属水平组成。 所有处理共有3928个共享OTU。BG处理的OTU数量最高，HB最低。属水平上，核心属（如Sphingomonas、Bradyrhizobium）在各处理间相对丰度接近。BG处理中Massilia和Flavisolibacter的比例较高，而NS和BN处理中Nocardioides、Gaiella和Pseudolabrys的相对丰度数值较高。
氮代谢功能标志物。 与硝酸盐还原和/或亚硝酸盐氧化相关的KO组（K00370、K00371、K00374）以及NirK（K00368）是各土壤样本中主要的氮代谢功能标志物。NS和BN处理中NarGHI、NxrAB和NirK的丰度数值高于BG处理。这些差异为描述性数值差异，不应被解释为统计显著的基因富集或上调。
五、讨论与结论
讨论部分指出，培养处理间生物质生化特征的差异与土壤响应差异相关，但干重归一化TN含量无显著差异，表明NS和BN处理中较高的土壤铵态氮和脲酶活性不能仅由单位干生物质总氮含量解释。生物质有机氮组成、底物可降解性和后续氮转化过程的差异可能参与其中，但本研究未完全表征这些因素。合并宏基因组设计不允许因果解释或统计支持的功能推断。
研究结论为：培养条件影响了小球藻（Chlorella sp.）生物质的生化特征及其短期土壤响应。半尿素处理在降低培养氮投入的同时获得了最高的生物质产量。经过14天实验室土壤培养，接受NS和BN处理生物质的土壤表现出更高的脲酶活性和铵态氮浓度，BN处理还显示出最高的有效磷含量。合并宏基因组分析显示了微生物群落组成和氮代谢相关功能标志物的描述性数值差异。这些发现仅限于短期实验室土壤培养，不应被解释为长期肥料效力、植物生长促进或田间规模农业性能的证据。需要进一步的长期培养研究、田间试验和植物响应评估，以确定这些短期土壤响应能否转化为可持续的农业效益。
