基于硅藻的地热卤水处理技术：选择性去除硅、保留锂以供下游回收，并生产ω-3脂肪酸

《iScience》：Diatom-based treatment of geothermal brines to selectively remove silicon, retain lithium for downstream recovery, and produce omega-3 fatty acids

　　

要点
- Halamphora sp.可选择性去除康沃尔地热卤水中的硅
- 半连续尿素喂养可在48小时内实现97%的硅去除率
- 生物工艺在溶液中保留超过99%的锂，供下游回收
- 尿素喂养的生物量可产生高价值的Omega-3脂肪酸（EPA和DHA）

摘要
地热卤水加工过程中二氧化硅（SiO2）结垢会阻碍能源生产和下游锂（Li）回收。本研究探讨了基于硅藻的选择性硅去除工艺，以支持下游锂回收并生成可增值利用的生物量。对六种硅藻菌株的筛选鉴定出Halamphora sp.在硅去除方面效果最佳。在以尿素补充的地热卤水中培养时，Halamphora sp.在48小时内去除了34 mg L?1的硅（97.14%），同时保留了溶液中超过99%的锂（75 mg L?1）。尿素补充还增强了生物量生产，达到0.45 g L?1。所得生物量含有Omega-3脂肪酸二十碳五烯酸（EPA；47 mg g?1）和二十二碳六烯酸（DHA；24 mg g?1）。这些结果表明，在地热卤水加工过程中将生物硅去除、锂保留与增值生物量生产相结合具有可行性。

图形摘要

引言
硅藻是地球上最丰富、生产力最高的光合微生物之一，在将光能和二氧化碳转化为可持续生物资源方面发挥着核心作用。硅藻的一个显著特征是其对溶解态硅（Si）的需求，它们以硅酸（Si(OH)4）的形式吸收硅来构建其具有复杂图案的细胞壁，即硅藻壳。通过这一过程，硅藻对全球生物地球化学硅循环做出了重要贡献。硅藻细胞处理硅的机制涉及一条紧密调控的多阶段生物矿化途径。在低环境浓度（<30 μm）下，硅酸的吸收由能量依赖性的、钠偶联的硅转运蛋白（SITs）介导，由细胞呼吸或光合作用维持的Na+电化学梯度驱动。在过饱和浓度下，如矿化水中所遇到的情况，吸收主要转向浓度依赖性的被动扩散和流体相内吞作用。吸收后，硅酸暂时储存在细胞内可溶性池中，随后被转运至特殊的膜结合细胞器，即硅沉积囊泡（SDVs）。在SDV的酸性环境中，特殊的有机基质蛋白和大分子——特别是silaffins、长链多胺（LCPAs）和silacidins——催化并模板单体硅酸的快速多缩合，形成无定形二氧化硅（SiO2·nH2O）硅藻壳。

环境硅的浓度变化对硅藻的生理、细胞周期进程和总体代谢通量产生深远影响。在硅限制或缺乏条件下，硅藻会在G1/S和G2/M转换检查点处发生细胞周期停滞，抑制细胞分裂，减少细胞壁厚度，并诱导碳代谢向三酰甘油（TAG）和脂质合成重新分配，作为应激反应的能源储备。相反，当暴露于高或过量硅浓度时（如地热卤水的特征），只要离子强度和渗透压保持在生理耐受范围内，硅藻将维持不受抑制的细胞分裂，表现出升高的生物硅化速率，并构建更致密、高度矿化的硅藻壳，而不发生细胞周期停滞。这种生理可塑性和高硅生物矿化能力使硅藻成为工业流体中靶向硅捕获的理想生物剂。

高浓度溶解态硅（通常为1.5–150 mg L?1）是地热系统中持续存在的挑战，硅的沉淀和结垢会显著降低热交换效率，阻塞管道，并增加运营和维护成本。地热卤水是从高温、富含矿物质的流体中提取的，主要用于可再生能源生产，但最近因其作为关键原材料（特别是锂）的潜在来源而受到关注。锂在英国、美国、加拿大和澳大利亚等多个国家的关键性评估中被列为关键金属，因其在电动汽车锂离子电池和电网级储能中不可或缺的作用。满足预计的全球需求将需要在2040年前将锂产量增加约8倍。目前最先进的从卤水中提取锂的技术是直接锂提取（DLE），DLE整合了各种热能和电化学过程，利用离子交换树脂或基于吸附的方法直接从卤水中提取锂。研究表明，高硅浓度会显著降低卤水中的锂回收效率；例如，将硅水平从0提高到150 mg L?1导致锂回收率从6.8%降至4.5%。最近的电化学研究表明，硅沉积会引起杂质诱导的结垢，降低有效表面积，阻碍Li+嵌入动力学，并退化电极晶体结构，从而共同损害提取性能。因此，有效的硅去除对于地热能源生产和实现地热资源中高效锂回收都至关重要。

传统的硅缓解策略，如化学沉淀和酸化，往往效率低下并产生大量废弃物。基于吸附的方法也已被研究，但吸附剂再生和硅脱附方面的挑战限制了其工业应用。之前针对地热卤水的生物处理策略主要集中于利用细菌微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）来缓解二价阳离子结垢（Ca2+和Mg2+）。虽然MICP能有效沉淀金属碳酸盐，但它不能去除溶解态硅，而后者同样是一个严重但化学性质不同的DLE基础设施挑战。在此背景下，利用硅藻作为生物硅去除策略代表了一种潜在的可持续替代方案。通过自然地将溶解态硅纳入其硅藻壳中，硅藻提供了一种低废弃物、生物驱动的减缓地热卤水硅结垢的方法，这一应用在很大程度上尚未被探索。

除了硅去除外，硅藻培养还具有潜在的协同效益。海洋硅藻已被广泛用于金属去除、纳米粒子合成以及作为可再生能源和高价值生物可再生原料的饲料。特别值得注意的是，硅藻能够产生具有商业价值的长链多不饱和脂肪酸（LC-PUFAs），如二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），这些物质广泛应用于制药和营养保健品行业。这些ω-3脂肪酸通常占硅藻干重（DCW）的3%–5%，据报道在模式物种中的产量约为56 mg L?1 day?1，凸显了其作为可持续高价值副产品的高潜力。

在本研究中，我们评估了Halamphora sp.及其他硅藻物种在生物处理地热卤水方面的潜力。具体而言，我们研究了它们选择性去除溶解态硅以减缓结垢的能力，同时评估了其支持锂保留用于下游回收以及产生有价值的ω-3脂肪酸作为副产品的能力。所提出的生物工艺设计用于实施在热交换之后、DLE之前，为地热处理工作流程中提供有针对性的预处理步骤。

结果与讨论

硅藻处理对天然卤水中硅去除的影响
我们假设硅藻将从天然卤水（NB）中去除硅，而其他元素如锂将保留在溶液中。卤水成分见表1。选用了一种富含锂的卤水（75 mg L?1）进行实验，其硅含量为35 mg L?1，pH 7.2（表1）。在NB中培养的六种硅藻物种的生物量生产差异显著（图1A）。F. pelliculosa表现出最高的生物量积累，即10天培养期内达到2 g DCW L?1（p < 0.01），表明其对盐卤水环境具有良好的耐受性和适应性。Halamphora sp.、C. weissflogii和T. pseudonana也实现了中等的生物量水平，而两个本地分离株（Swanpool分离株和Kennall Vale分离株）则表现出相对较低的生物量生产（与高产菌株相比p < 0.001）。

图1 接种C. weissflogii（黑色圆点）、F. pelliculosa（红色圆点）、Halamphora sp.（橄榄绿圆点）、T. pseudonana（蓝色圆点）、Swanpool分离株（绿色圆点）、Kennall vale分离株（暗红色圆点）和不含任何硅藻的天然卤水对照（绿松石蓝圆点）的天然卤水中生物量、硅和锂含量

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图表显示了天然卤水中生物量（A）、硅（B）、锂（C）和完整Halamphora sp.细胞（Gbs，带状带；Pr，多孔区域；Ra，纹孔；Cn，中心结节）（D）的浓度；图像使用Everhart-Thornley检测器（ETD）在扫描电子显微镜（SEM）上获取，加速电压25 kV，工作距离约13 mm，放大倍数104倍，斑点尺寸5.0 nm。数据以均值±SD（标准差）表示，n = 3个生物学重复。对样本（每组n = 3）进行了Student's独立两样本t检验（df = 4，双侧），将处理组与对照组进行比较。显著性值基于p < 0.0001确定。

分析物 天然卤水
pH 7.2 ± 0.5
电导率（mS）20 ± 1.5
硅（mg L?1）35 ± 2.0
钙（mg L?1）1,510 ± 2.4
镁（mg L?1）27 ± 1.3
钾（mg L?1）205 ± 3.3
钠（mg L?1）2,350 ± 3.2
锂（mg L?1）75 ± 1.8
硼（mg L?1）13 ± 1.3
铜（mg L?1）2.0 ± 0.5
铁（mg L?1）2.5 ± 0.8
锰（mg L?1）3.0 ± 0.4
锶（mg L?1）29 ± 0.8
镍（mg L?1）2.5 ± 0.9
氯化物（mg L?1）7,710 ± 4.5
硫酸盐（mg L?1）270 ± 5.5
磷酸盐（mg L?1）142 ± 8.7

表1 本研究中使用的天然卤水化学成分（mg L?1）
数据以均值±SD（标准差）表示，n = 3个生物学重复。
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在Conticribra weissflogii和Halamphora sp.存在的情况下，NB中的硅浓度大幅下降（图1B）（p < 0.001）。10天后，各硅藻菌株的硅去除效率如下：Conticribra weissflogii 81%，Fistulifera pelliculosa 29%，Halamphora sp. 93%，Thalassiosira pseudonana 6%，Swanpool分离株 34%，Kennall Vale分离株 32%。在10天周期的所有实验中，锂均保留在溶液中（图1C）。虽然实验在玻璃烧瓶中进行，但对照实验（不含硅藻的卤水）显示在整个孵育期内硅浓度没有显著变化（图1B），进一步在未处理、过滤灭菌和高压灭菌卤水之间的比较分析也证明了非生物硅沉淀的影响极小（图S2），表明玻璃浸出和非生物因素的贡献可以忽略不计。因此，观察到的硅耗竭主要归因于硅藻的吸收。

生物量的物种特异性差异表明这些硅藻并非同样适合在天然地热卤水中生长。硅是硅藻的关键营养元素，特别是在细胞分裂期间。虽然Halamphora sp.在NB中表现出中等的生物量增长，但它仍然在所有受测物种中显示出最高的硅吸收量。Halamphora sp.表现出比C. weissflogii和T. pseudonana更高的硅对锂选择性，实现了>1,000的分离因子（SFSi/Li），而C. weissflogii为473，T. pseudonana为9（表S5）。SEM图像显示，在NB中培养的Halamphora sp.保留了与f/2培养基中观察到的整体完整的硅藻形态，没有明显的硅藻壳变形或溶解（图1D）。这一视觉观察与Halamphora sp.耐受卤水环境的能力一致；然而，仅靠SEM不能直接证明内部稳态或能量代谢。这些观察结果与先前的报告一致，先前的研究表明Halamaphora subtropica和Halamphora物种在化学多变和营养受限的条件下维持高硅同化效率，即使在生长受限时也能有效形成硅藻壳。值得注意的是，据报道Halamphora sp.在高硅水体系统中可实现高达99%的硅去除效率。结合无细胞卤水对照（溶解硅无显著变化），这些结果支持以下解释：接种培养物中的硅耗竭与Halamphora sp.的存在有关，而完整的硅质量平衡超出了本研究的范围。基于硅吸收性能，因此选择Halamphora sp.进行进一步研究，以优化生物量生产和从天然地热卤水中去除硅。

Halamphora sp.初始接种密度对天然卤水中硅去除的影响
硅吸收速率是基于硅藻的卤水处理系统作为锂提取过程的一部分的关键参数。为评估这一点，将不同生物量浓度的Halamphora sp.接种入NB（图2）。结果显示接种密度与硅去除之间存在正相关。在0.05 g DCW L?1的低接种浓度下，10天期间约去除了24%的硅（p < 0.01），而在1 g DCW L?1的高接种浓度下，实现了高达97%的硅去除（p < 0.01）。增加Halamphora sp.的接种密度显示生物选择性的逐步增强，计算得出的（SFSi/Li）从0升至>1,000（表S5）。从这些结果可以清楚地看出，接种后硅藻在卤水中的进一步生长（将生物量增强至初始接种量以上）将有利于增强硅吸收。

鉴于我们的目标是最大化硅吸收过程，同时最小化生物量的初始投入，从而节约培养基和经济资源，我们在所有后续优化中选择了资源节约型的初始接种密度 0.05 g DCW L?1。

**图2** 以哈拉蒙藻属接种的天然卤水中硅含量，初始接种密度分别为 0 g DCW L?1（青色圆点）、0.05 g DCW L?1（红色圆点）、0.1 g DCW L?1（橄榄绿圆点）、0.25 g DCW L?1（蓝色圆点）、5.0 g DCW L?1（绿色圆点）、1.0 g DCW L?1（紫色圆点），以及以 0.25 g DCW L?1 接种的 f/2 培养基（黑色圆点?）

数据显示为均值 ± SD（标准差），n = 3 个生物学重复。对样品（每个条件 n = 3）进行了 Student's 独立双样本 t 检验（df = 4，双尾），将处理组与对照组进行比较。显著值的判定基于 p < 0.0001。

**尿素补充对生物量的影响**

我们注意到天然卤水（NB）中含有相对较高的磷浓度（表1），这表明在 NB 中的生长可能受氮限制。以往的研究确定尿素是硅藻合适的氮源，因此我们采用两种方法对其应用进行了研究。首先，在接种时加入 26 mg L?1（441 μM）尿素。其次，试用了半连续尿素喂养（SCUF），每 36 小时额外添加 441 μM 尿素。作为比较，相同的补充方案在 f/2 培养基中进行了测试，以帮助确定 NB 中除氮以外是否还缺乏其他（微量）营养元素。研究了两种不同的氮源：75 mg L?1 硝酸钠（NaNO?）和 26 mg L?1 尿素（CH?N?O），如表2所示。

**表2 以尿素补充条件下在天然卤水和 f/2 最小培养基中培养的哈拉蒙藻属**

| 序号 | 条件 | 标签 | 氮源 |
|------|------|------|------|
| 1 | 含硝酸钠的 f/2 培养基 | f/2 + NaNO? | 硝酸钠（NaNO?）（75 mg L?1） |
| 2 | 无任何额外补充的天然卤水 | NB | — |
| 3 | 含尿素的 f/2 培养基 | f/2 + 尿素 | 尿素（CH?N?O）（26 mg L?1） |
| 4 | 含尿素的天然卤水 | NB + 尿素 | 尿素（CH?N?O）（26 mg L?1） |
| 5 | 含半连续尿素喂养（SCUF）的 f/2 培养基 | f/2 + SCUF | 尿素（CH?N?O）（26 mg L?1） |
| 6 | 含半连续尿素喂养（SCUF）的天然卤水 | NB + SCUF | 尿素（CH?N?O）（26 mg L?1） |

尿素浓度的选择基于 Rehmanji 等人及 Acien 等人之前的研究。

哈拉蒙藻属在 96 小时内消耗了约 26 mg L?1 尿素（图3A），平均吸收速率为 0.18 mg L?1 h?1。有趣的是，尽管 NB 中未添加大量营养元素，该速率在 NB 和 f/2 培养基中相当接近。这表明 NB 可能含有足够的微量元素以维持基本的细胞功能并支持哈拉蒙藻属的尿素吸收。此外，也可能细胞在初始生长阶段使用了内部营养储备，从而实现高效的尿素同化。

**图3 哈拉蒙藻属在天然卤水和 f/2 培养基中添加尿素后的生长响应和尿素含量随时间的变化**

(A) f/2 培养基（黑色方块）和天然卤水（NB）（红色圆点）中的溶解尿素含量，其中尿素在接种时与接种物一起添加，之后不再补充；(B) f/2 培养基（黑色方块）和 NB（红色圆点）中的溶解尿素含量，其中每 36 小时等间隔添加尿素，使该过程成为半连续尿素喂养（SCUF）；(C) 接种于 NB 中的哈拉蒙藻属生物量（黑色圆点）、NB + 起始添加尿素（红色圆点）和 NB + SCUF（绿色圆点）；(D) 接种于 f/2 + NaNO? 中的哈拉蒙藻属生物量（黑色方块）、f/2 + 起始添加尿素（红色方块）和 f/2 + SCUF（绿色方块）。本实验的初始接种密度为 0.05 g DCW L?1，NaNO? 浓度为 75 mg L?1，尿素浓度为 26 mg L?1。数据显示为均值 ± SD（标准差），n = 3 个生物学重复。对样品（每个条件 n = 3）进行了 Student's 独立双样本 t 检验（df = 4，双尾），将处理组与对照组进行比较。显著值的判定基于 p < 0.0001。

在 NB（图3C）和 f/2 培养基（图3D）中均观察到 SCUF 条件下生长改善（图3B），突出了尿素作为哈拉蒙藻属氮源的有效性。在 NB 中单次添加尿素也增强了生物量产量。到第 10 天，添加尿素的培养物生物量达到 0.28 g DCW L?1（p < 0.01），而未添加尿素的培养物生长受到抑制（图3C）。在 SCUF 条件下，生物量最大达到 0.45 g DCW L?1（p < 0.01），接近初始接种量的九倍，并且比实验开始时单次添加尿素所达到的水平（0.29 g L?1）高出 1.5 倍。此外，SCUF 方案增强了整体生物过程选择性，在补料批次条件下将（SFSi/Li）从 0 驱动到 >1,000（表S5），而单次批次添加尿素为（SFSi/Li = 891）。总体而言，SCUF 显著增强了生长和生物量生产，证实了此前关于 SCUF 条件下海洋硅藻（如三角藻）的研究结果。

硅藻培养中的一个关键考量是营养元素成本，其占生物量总生产成本的 4% 到 8%。此前对尿素和硝酸钠（NaNO?）作为氮源的比较确认，尿素更为有效，能以更低的底物成本生产最高的生物量产量。因此，可能可以实现从二次流中回收营养元素，例如来自牛尿的尿素，结合半连续喂养策略，可为硅藻生物量培养提供一个经济可行且可持续的框架，具有多种应用。

**尿素补充对硅去除和锂保留的影响**

SCUF 对硅去除效率的影响也显而易见。在初始接种密度为 0.05 g DCW L?1 的条件下，NB 中加入 SCUF 后 48 小时（9 mg L?1），最多可去除 97% 的溶解硅（33.95 mg L?1）（p < 0.01）。相比之下，未添加尿素的 NB 在 48 小时内仅去除 8%（2.7 mg L?1），而仅在实验开始时添加尿素的 NB 在 48 小时内去除 54% 的硅（19 mg L?1）（图4A）（p < 0.01）。SCUF 对硅去除效率的影响深远。尽管实验以相同的低接种密度（0.05 g DCW L?1）启动，但 SCUF 策略维持了营养元素的可用性，防止了氮的耗尽。这在 SCUF 条件下支持了 48 小时内生物量的快速增加约 4 倍（图3C NB + SCUF）。重要的是，锂浓度未受尿素补充的影响（图4B），表明尿素的存在或生物量的增强对卤水中锂的保留没有不利影响。尿素在细胞内被脲酶水解产生铵，通过谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合酶（GS-GOGAT）途径固定。这种持续的氮通量可能维持了硅藻壳有机基质成分的连续生物合成，即 LCPAs 和硅化蛋白在硅藻细胞中的合成。这些生物分子可能催化单分子硅酸的缩聚反应形成无定形二氧化硅硅藻壳。

**图4 不同条件下接种哈拉蒙藻属的天然卤水中硅和锂浓度**

本实验的初始接种密度为 0.05 g DCW L?1。条件包括 f/2 + NaNO?（黑色圆点）、NB（红色圆点）、f/2 + 尿素（橄榄绿圆点）、NB + 尿素（蓝色圆点）、f/2 + SCUF（绿色圆点）和 NB + SCUF（深红圆点）。图中显示了溶液中硅（A）和锂（B）的浓度随时间的变化。数据显示为均值 ± SD（标准差），n = 3 个生物学重复。对样品（每个条件 n = 3）进行了 Student's 独立双样本 t 检验（df = 4，双尾），将处理组与对照组进行比较。显著值的判定基于 p < 0.0001。

这些结果为利用哈拉蒙藻属从天然卤水中去除硅开辟了可能性，这不仅可以减少矿物结垢，还能产生有益的生物量，可以进一步增值用于高价值可再生生物（见下文）。例如，生物处理系统可以包括：将尿素投入已冷却至适宜生长温度并补充哈拉蒙藻属的天然卤水中，然后在自然光下储存 48 小时以允许硅去除。之后卤水可进行下游处理以去除锂，并将收获的生物量用于进一步应用。实现这一潜力还需要进一步的工作，包括放大实验和工艺设计。

**尿素补充对哈拉蒙藻属 FAME 含量的影响**

进行了脂肪酸甲酯（FAME）分析，以调查从 NB 加工中回收的硅藻生物量是否可作为高价值化合物（如 omega-3 脂肪酸）的来源而具有商业价值。结果显示，NB 中 SCUF 条件下每升最高脂质产量在第 10 天达到 71 mg L?1（表3）。这主要归因于这些条件下获得的较高生物量，因为以 DCW 计的脂质含量为 16% DCW。

在仅添加单一尿素来源的NB培养基中，脂质浓度明显更高（21% DCW），而在不添加尿素补充的NB培养基中浓度更高（41% DCW）。脂肪酸条件 f/2 + NaNO3 NB f/2 + 尿素 % FAME % DCW % FAME % DCW % FAME % DCW C14 3.2 ± 0.05 0.7 ± 0.02 3.6 ± 0.13 1.5 ± 0.05 3.3 ± 0.12 0.7 ± 0.03 C14:1 0.9 ± 0.01 0.2 ± 0.01 0.8 ± 0.03 0.3 ± 0.01 0.8 ± 0.03 0.2 ± 0.01 C16 17.0 ± 0.40 3.6 ± 0.13 24.9 ± 0.87 10.2 ± 0.36 17.2 ± 0.60 3.8 ± 0.13 C16:1 27.9 ± 0.30 6.0 ± 0.21 32.1 ± 1.12 13.2 ± 0.46 25.1 ± 0.88 5.5 ± 0.19 C16:2 4.3 ± 0.20 0.9 ± 0.03 1.7 ± 0.06 0.7 ± 0.02 3.9 ± 0.14 0.8 ± 0.03 C16:3 8.4 ± 0.30 1.8 ± 0.06 4.0 ± 0.14 1.6 ± 0.06 7.2 ± 0.25 1.6 ± 0.06 C18 1.3 ± 0.05 0.3 ± 0.01 1.6 ± 0.06 0.6 ± 0.02 1.4 ± 0.05 0.3 ± 0.01 C18:1 4.5 ± 0.20 1.0 ± 0.03 8.7 ± 0.30 3.6 ± 0.12 5.4 ± 0.19 1.2 ± 0.04 C18:2 3.0 ± 0.10 0.6 ± 0.02 3.1 ± 0.11 1.3 ± 0.04 3.0 ± 0.10 0.7 ± 0.02 C18:3 3.1 ± 0.11 0.7 ± 0.02 2.6 ± 0.09 1.1 ± 0.04 2.9 ± 0.10 0.6 ± 0.02 C18:3 3.9 ± 0.14 0.8 ± 0.03 3.1 ± 0.11 1.3 ± 0.04 3.8 ± 0.13 0.8 ± 0.03 C18:4 3.8 ± 0.13 0.8 ± 0.03 2.4 ± 0.08 1.0 ± 0.03 3.9 ± 0.14 0.9 ± 0.03 C20:5 11.5 ± 0.40 2.5 ± 0.09 5.7 ± 0.20 2.3 ± 0.08 14.4 ± 0.50 3.2 ± 0.11 C22:6 7.4 ± 0.26 1.6 ± 0.06 5.7 ± 0.20 2.3 ± 0.08 7.7 ± 0.27 1.7 ± 0.06 SFA 21.4 ± 0.75 4.6 ± 0.16 30.1 ± 1.06 12.4 ± 0.43 21.9 ± 0.76 4.8 ± 0.17 MUFA 33.2 ± 1.16 7.1 ± 0.25 41.6 ± 1.46 17.1 ± 0.60 31.3 ± 1.10 6.9 ± 0.24 PUFA 45.4 ± 1.59 9.7 ± 0.34 28.2 ± 0.99 11.6 ± 0.40 46.8 ± 1.64 10.2 ± 0.36 总FAME产量（mg L?1）含量（% DCW）产量（mg L?1）含量（% DCW）产量（mg L?1）含量（% DCW）60.0 ± 0.67 21.0 ± 0.43 61.0 ± 0.33 41.0 ± 0.66 57.0 ± 0.21 30.0 ± 0.12 脂肪酸条件 NB + 尿素 f/2 + SCUF NB + SCUF % FAME % DCW % FAME % DCW % FAME % DCW C14 2.4 ± 0.08 0.5 ± 0.02 2.5 ± 0.09 0.4 ± 0.01 3.4 ± 0.12 0.5 ± 0.02 C14:1 0.4 ± 0.01 0.1 ± 0.00 0.4 ± 0.02 0.1 ± 0.00 0.7 ± 0.02 0.1 ± 0.00 C16 18.6 ± 0.65 4.0 ± 0.14 12.4 ± 0.43 1.9 ± 0.07 9.4 ± 0.33 1.5 ± 0.05 C16:1 20.8 ± 0.73 4.4 ± 0.16 14.1 ± 0.49 2.2 ± 0.08 12.7 ± 0.44 2.0 ± 0.07 C16:2 2.2 ± 0.08 0.5 ± 0.02 3.6 ± 0.13 0.5 ± 0.02 1.9 ± 0.07 0.3 ± 0.01 C16:3 5.0 ± 0.18 1.1 ± 0.04 7.4 ± 0.26 1.1 ± 0.04 3.4 ± 0.12 0.5 ± 0.02 C18 2.2 ± 0.08 0.5 ± 0.02 2.0 ± 0.07 0.3 ± 0.01 2.6 ± 0.09 0.4 ± 0.01 C18:1 7.6 ± 0.27 1.6 ± 0.06 5.8 ± 0.20 0.9 ± 0.03 10.5 ± 0.37 1.7 ± 0.06 C18:2 5.7 ± 0.20 1.2 ± 0.04 2.7 ± 0.09 0.4 ± 0.01 1.7 ± 0.06 0.3 ± 0.01 C18:3 6.1 ± 0.21 1.3 ± 0.05 3.5 ± 0.12 0.5 ± 0.02 2.2 ± 0.08 0.3 ± 0.01 C18:3 4.5 ± 0.16 1.0 ± 0.03 4.7 ± 0.17 0.7 ± 0.03 4.8 ± 0.17 0.8 ± 0.03 C18:4 3.1 ± 0.11 0.7 ± 0.02 4.1 ± 0.14 0.6 ± 0.02 1.9 ± 0.07 0.3 ± 0.01 C20:5 11.3 ± 0.39 2.4 ± 0.08 26.2 ± 0.92 4.0 ± 0.14 30.1 ± 1.05 4.7 ± 0.17 C22:6 10.1 ± 0.35 2.2 ± 0.08 10.5 ± 0.37 1.6 ± 0.06 14.8 ± 0.52 2.4 ± 0.08 SFA 23.3 ± 0.82 5.0 ± 0.17 16.8 ± 0.59 2.6 ± 0.09 15.4 ± 0.54 2.4 ± 0.08 MUFA 28.8 ± 1.01 6.2 ± 0.22 20.4 ± 0.71 3.1 ± 0.11 23.8 ± 0.83 3.8 ± 0.13 PUFA 47.9 ± 1.68 10.2 ± 0.36 62.8 ± 2.20 9.6 ± 0.34 60.8 ± 2.13 9.6 ± 0.34 总FAME产量（mg L?1）含量（% DCW）产量（mg L?1）含量（% DCW）产量（mg L?1）含量（% DCW）62.0 ± 0.69 21.0 ± 0.16 64.0 ± 0.23 15.0 ± 0.11 71.0 ± 0.13 16.0 ± 0.21 表3 使用GC-MS对不同生长条件下Halamphora sp.的总脂肪酸甲酯进行表征（以% FAME、% DCW及mg L?1表示） 数据表示为均值 ± SD（标准差），n = 3个生物学重复。对样本进行Student's独立双样本t检验（df = 4，双尾），比较处理组与对照组。显著值基于p < 0.0001确定。粗体值为总FAME含量的表头。FAME含量以% FAME、% DCW、产量（mg/L）和含量（DCW%）表示，这是审稿人建议的格式。此条件下的脂质积累增加与之前报道的文献结果一致，即氮缺乏可以诱导硅藻产生储存脂质，如三酰甘油酯（TAGs）。综合而言，FAME分析揭示，氮剥夺（即不添加尿素培养）使Halamphora sp.的脂质组成向适合生物燃料应用的方向转变。这凸显了卤水除硅过程中共产生生物质的重要商业潜力，使该过程可以被优化用于生物燃料原料生产，从而增强生物修复流程的整体经济可行性。尿素补充对Halamphora sp.在天然卤水中EPA和DHA生产的影响 在不同培养条件下，Halamphora sp.的EPA和DHA产量进行了定量分析（图5）。在所有测试条件下，EPA的体积产量（mg L?1）和绝对细胞含量（% DCW）均随时间推移呈递增趋势，表明在生长过程中脂肪酸生物合成持续进行（图5A和5B）。相比之下，DHA的体积产量（mg L?1）也观察到类似趋势。 图5 Halamphora sp.接种在不同条件下EPA和DHA的定量分析。条件为：f/2 + NaNO?（红色）、NB（蓝色）、f/2 + 尿素（绿色）、NB + 尿素（蓝色交叉）、f/2 + SCUF（白色）和NB + SCUF（粉色） 图表显示了EPA含量（A）和EPA产量（B），DHA含量（C）和DHA产量（D）随时间在溶液中的变化。数据表示为均值 ± SD（标准差），n = 3个生物学重复。对样本进行Student's独立双样本t检验（df = 4，双尾），比较处理组与对照组。显著值基于p < 0.0001确定。 这种增加的速率受培养策略的强烈影响。在所有采样点中，NB + SCUF和f/2 + SCUF条件下均观察到最高的EPA积累，优于所有其他处理（图5A和5B）。特别是在NB + SCUF条件下，EPA含量在10天内从10增加到47.5 mg g?1，是所有条件中最高的最终浓度。这种在SCUF条件下增强的积累与之前研究一致，即持续补充氮源可促进硅藻中EPA的生物合成。DHA生产也观察到类似模式。NB + SCUF处理产生了最高的积累量，在第10天达到最高值23.5 mg g?1（图5C和5D），证实了持续尿素饲喂对DHA生产的积极效果。48小时后观察到的快速硅去除和10天后EPA和DHA积累的峰值反映了生物工艺的两个不同阶段。早期阶段由快速生长期间的主动硅吸收和壳板形成驱动，而omega-3生物合成则在较长的培养期内随着生物质积累而持续进行。因此，该系统最好被视为一个两阶段过程，初始为短期卤水预处理阶段用于硅去除和锂保留，随后为生物质增值阶段用于EPA和DHA生产。 EPA和DHA是关键膜脂质，通常与促进生长的条件相关，由于其对人体健康的重要作用以及强劲的市场需求，被视为高价值化合物。2025年全球omega-3原料市场超过10亿美元，预计到2030年将以超过13.8%的复合年增长率（CAGR）增长。这些长链omega-3多不饱和脂肪酸在心血管、神经和抗炎功能中发挥关键作用，但人体无法有效合成。随着传统鱼类来源面临日益增长的鱼类资源下降压力，微藻特别是硅藻已成为生产这些营养保健品的可持续和素食替代品。 维持高水平的EPA和DHA需要充足的氮素可用性，以平衡细胞生长和代谢物生产。因此在SCUF补充下观察到的EPA和DHA积累增加可归因于氮可用性的增加，这支持了硅藻中膜脂质的生物合成。这一解释与之前报道的氮增强条件下EPA积累增加的研究结果一致。重要的是，在同时生物加工富硅地热卤水以生产高价值omega-3脂肪酸的能力，为提高整体资源效率提供了极具吸引力的机会。将硅去除过程中产生的生物质作为有价值的原料进行再利用，减少了废弃物产生并改善了该过程的环境足迹。总体而言，这些研究结果表明，Halamphora sp.非常适合整合到多产品生物精炼系统中，其中地热卤水的硅缓解可与高价值omega-3 PUFA的可持续生产相结合，用于水产养殖、制药或营养保健品应用，前提是满足必要的监管和安全标准。 初步质量平衡、理论副产品估值及生物工艺的局限性 为了评估所提出的生物预处理所需的材料及潜在副产品产量，基于台架规模性能进行了初步的质量平衡估算。通过SCUF硅藻方法预处理1,000 L天然地热卤水需要50 g DCW的Halamphora sp.生物质（初始接种密度：0.05 g L?1）。在六次半连续投料（SCUF）中所需尿素总量约为200 g（约￡3，按商业农业等级计）。处理后产生0.5 kg干生物质，其中约含25 g EPA和12 g DHA（总LC-PUFA为37 g），所得数值与之前研究报告的数据相当。此外，该工艺保留>99%的溶解态锂在液相中，以供下游提取。按大宗、未精炼脂质市场估值，每处理1,000 L卤水可获得约￡1.10的理论原始副产品抵扣（下游处理前），这创造了作为二次收入来源的机会。 然而，此初步估值仅作为基线质量平衡估算，不包含重要的运营和资本支出（OPEX和CAPEX）。全面的经济评估必须纳入下游处理成本，包括卤水冷却、培养混合和光照、细胞收获、脂质提取和纯化。此外，地球化学分析表明，微量金属大多保留在溶液中（图S1）；在富含矿物质的地热液体中培养生物质引入了需要进一步验证的监管和纯度限制。因此，虽然这些研究结果确立了同时去除硅和保留锂的技术可行性，但仍需进一步分析以确定工业化可扩展性和净经济可行性。 本研究建立了一种利用海洋硅藻Halamphora sp.同时处理地热卤水和生产高价值生物产品的生物工艺。与针对相同康沃尔地热卤水预处理的细菌微生物诱导矿物沉淀（MICP）方法相比，该硅藻系统提供了两个关键进步：第一，它针对硅去除（48小时内97%的硅减少），这是MICP未解决的。第二，虽然MICP处理后产生适合作为农业土壤改良剂的矿物浆料，但硅藻生物质产生高价值PUFA（47.5 mg g?1 EPA和23.5 mg g?1 DHA）。此外，与传统的工业硅缓解方法相比，硅藻方法在操作、化学和经济方面具有几个独特优势（表S6）。综合而言，这些独特的生物系统可形成串联式多级屏障预处理管线，其中第一阶段为基于硅藻的硅去除，第二阶段为基于细菌MICP的钙镁去除，之后再进行直接锂提取（DLE）。此外，SCUF策略的实施至关重要，使生物质产量提高了9倍，并通过维持活跃生长大幅加速了硅吸收。该培养方法策略性地引导了Halamphora sp.的脂质代谢，实现了营养保健品的共生产。通过有效耦合污染物去除（Si）与资源保留（Li）以及有价值omega-3脂肪酸的合成，本工作呈现了一个循环生物经济模型。它超越了单一产出的生物修复，为地热资源的可持续加工提供了一种可扩展且经济上具有吸引力的策略。 研究局限性 本研究采用单一天然地热卤水在实验室规模条件下评估了所提出的Halamphora sp.辅助生物工艺，这是本研究的局限性所在。

因此，应在更广泛范围内测试其鲁棒性，涵盖化学成分各异的多种地热卤水，包括盐度、pH值、Si浓度、痕量金属以及竞争离子等方面的差异。研究还未能通过选择性分离提取（DLE）工艺直接评估生物预处理后锂的进一步回收效果。这些局限性可通过筛选多样化的卤水、与锂提取系统直接耦合，以及开展技术经济分析和生命周期评估，来评价所提生物工艺的可扩展性、产品质量和整体可行性加以解决。

资源可获得性
通讯联系人
如需进一步信息和资源，请联系通讯联系人 Mohammed Rehmanji（[e-mail]）。

材料可获得性
本研究未产生新的独特试剂。

数据和代码可获得性
- 图1、2、3和4的原始数据已存储于Mendeley Data，并可在 https://doi.org/10.17632/z97vm778wy.1 公开获取。
- 本文未报告原始代码。
- 重新分析本文所报告数据所需的任何附加信息，可向通讯联系人索取。

致谢
本研究由英国生物技术与生物科学研究院（BBSRC）通过"锂卤水生物加工"项目（BB/X011658/1）资助，并由英国自然与环境研究理事会（NERC）通过"面向未来技术的锂：LiFT"项目（NE/V007009/1）资助。支持本出版物发表的研究数据包含在本文正文及补充材料中。我们感谢康沃尔地热项目成员提供天然卤水溶液，感谢埃克塞特大学的 Gavyn Rollinson 协助进行扫描电镜分析，以及 Cristopher Mitchell 指导进行气相色谱-质谱分析。为开放获取目的，作者对从本次投稿中产生的任何作者接受稿件版本申请了"知识共享署名许可（CC BY）"。

作者贡献
概念化，M.R.、K.A.H.-E.、L.N.和A.S.；方法论，M.R.、K.A.H.-E.和L.N.；调查研究，M.R.、A.S.和L.N.；初稿撰写，M.R.；审稿与编辑，M.R.、K.A.H.-E.、L.N.和A.S.；经费获取，L.N.、A.S.和K.A.H.-E.；资源提供，L.N.、A.S.和K.A.H.-E.；指导监督，L.N.、A.S.和K.A.H.-E.。

利益声明
作者声明不存在利益冲突。

STAR★方法

关键资源表

| 试剂或资源 | 来源 | 标识符 |
|---|---|---|
| 化学品 | | |
| 添加到人工海水（ASW）中的营养盐 | 硝酸钠 | Fisher Scientific, UK | 7631-99-4 |
| | 磷酸氢二钠二水合物 | Fisher Scientific, UK | 13472-35-0 |
| | 九水硅酸钠 | Fisher Scientific, UK | 13517-24-3 |
| 人工海水（ASW） | 氯化钠 | Fisher Scientific, UK | 7647-14-5 |
| | 六水氯化镁 | Fisher Scientific, UK | 7791-18-6 |
| | 硫酸钠 | Fisher Scientific, UK | 7757-82-6 |
| | 六水氯化钙 | Fisher Scientific, UK | 7774-34-7 |
| | 溴化钾 | Fisher Scientific, UK | 7758-02-3 |
| | 硼酸 | Fisher Scientific, UK | 10043-35-3 |
| | 九水硅酸钠 | Fisher Scientific, UK | 13517-24-3 |
| | 六水氯化锶 | Fisher Scientific, UK | 10025-70-4 |
| | 氟化钠 | Fisher Scientific, UK | 7681-49-4 |
| | 硝酸铵 | Fisher Scientific, UK | 6484-52-2 |
| | 四水磷酸铁(III) | Fisher Scientific, UK | 4684-52-2 |
| 痕量金属溶液 | 七水硫酸锌 | Fisher Scientific, UK | 7446-20-0 |
| | 一水硫酸锰(II) | Fisher Scientific, UK | 10034-96-5 |
| | 二水钼酸钠 | Fisher Scientific, UK | 10102-40-6 |
| | 七水硫酸钴(II) | Fisher Scientific, UK | 10026-24-1 |
| | 二水氯化铜(II) | Fisher Scientific, UK | 10125-13-0 |
| | 六水硫酸亚铁铵 | Fisher Scientific, UK | 7783-85-9 |
| | 二水乙二胺四乙酸二钠 | Fisher Scientific, UK | 6381-92-6 |
| 维生素 | 氰钴胺（维生素B12） | Fisher Scientific, UK | 68-19-9 |
| | 生物素（维生素B7） | Fisher Scientific, UK | 58-85-5 |
| | 硫胺素（维生素B1） | Fisher Scientific, UK | 67-03-8 |
| 存储数据 | 原始数据文件 | 本文 | https://doi.org/10.17632/z97vm778wy.1 |
| 实验模型：生物体/菌株 | 韦氏扁形藻（Conticribra weissflogii） | CCAP1085/18 |
| | 膜片藻（Fistulifera pelliculosa） | CCAP1050/9 |
| | Halamphora sp. | CCAP1031/1 |
| | 假圆筛藻（Thalassiosira pseudonana） | CCAP1085/12P |
| | Swan Pool硅藻分离株 | 英国康沃尔斯旺池湖天然采样点 | NA |
| | Kennall Vale硅藻分离株 | 英国康沃尔肯瓦尔自然保护区天然采样点 | 50°20′ N, 5°.2′ W |
| 软件 | 扫描电镜分析：xT显微镜控制软件6.2.7 | Thermo Fisher Scientific | v6.2.7 |
| | 气相色谱-质谱分析：MassHunter软件 | Agilent | vB.12.00 |
| | 离子色谱分析：Chromeleon 7.0软件 | Thermo Fisher Scientific | v7.0 |
| 其他 | 扫描电子显微镜 | Thermo Scientific | FEI Quanta FEG 650 SEM-EDS |
| | 电感耦合等离子体发射光谱仪 | Agilent | Agilent 5110 VDV |
| | 离子色谱仪 | Thermo Fischer Scientific | Dionex IonPac AS11-HC |
| | 气相色谱仪 | Agilent | Agilent 7250 |

实验模型与研究对象详情

选择了四种海洋硅藻菌株，基于其独特的生理特性和生态学相关性来研究其去除Si的潜力。韦氏扁形藻CCAP 1085/18是一种大型中心硅藻，以在可变营养条件下的高Si同化能力著称。膜片藻CCAP 1050/9是一种小型羽纹硅藻，以快速生长著称，因其高盐环境中的稳健表现和在壳瓣中积累大量硅质的能力而被纳入研究。Halamphora sp. CCAP 1031/1是一种底栖硅藻，能够耐受盐度和营养水平的波动，被选用于评估胁迫条件下的Si吸收情况。假圆筛藻CCAP 1085/12P是一种基因序列完全解译且Si代谢特征明确的模式物种，作为遗传和生理基准。所有菌株均来自藻类和原生生物培养物收藏中心（CCAP, https://www.ccap.ac.uk）。硅藻以f/2营养盐在人工海水中培养，pH约7.2，制备方法参照Shaikh等人2019年的文献，使用前在121 °C下高压灭菌20分钟。培养条件为24 °C、110 rpm、光合有效辐射35 μmol m?2 s?1、16:8光暗周期，在Infors HT Multitron PRO三重堆叠振荡培养箱（英国）中进行。

除四种模式硅藻外，还从英国康沃尔肯瓦尔自然保护区淡水河道（50°20′ N, 5°.2′ W）和潮汐性斯旺池湖两处采样点分离了两个本地菌株。硅藻通过涂布样品到1.5%琼脂平板（以50%人工海水配制f/2培养基）进行分离。平板在24 °C、16:8光暗周期、60 μmol m?2 s?1光照条件下，于Infors HT Multitron PRO三重堆叠培养箱（英国）中培养。20天后，从各个平板中挑取单个棕色菌落，接种于添加了f/2营养盐的10 mL自然采样点灭菌水中。在后续传代中，将灭菌水替换为人工海水。生长量以干重变化来衡量。每次测量时，将15 mL细胞培养液在预先称重的试管中以3200 g离心，沉淀物在60 °C下干燥48小时后重新称重。

方法详情

天然卤水（NB）和Si去除实验

为验证硅藻可用于去除含锂地热卤水中Si的假设，并筛选执行Si去除所需的硅藻物种，我们从康沃尔地热项目（英国西南英格兰康沃尔）获取了天然卤水。该天然卤水的成分通过Agilent 5110 VDV电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定，方法和参数参照Rehmanji等人的文献。实验前在121 °C下高压灭菌20分钟进行灭菌处理，且未添加任何营养盐。

为评估生物硅化对Si相对于Li的生物选择性，根据公式1计算硅-锂分离因子（SFSi/Li）：

SFSi/Li = ([Si]i?[Si]f)/[Si]f ÷ ([Li]i?[Li]f)/[Li]f （公式1）

其中 [Si]i 和 [Si]f 分别表示天然卤水中Si的初始和最终浓度（mg L?1），[Li]i 和 [Li]f 分别表示Li的初始和最终浓度（mg L?1）。分离因子大于1表示Si吸收优于Li吸收。

六个硅藻物种（C. weissflogii、F. pelliculosa、Halamphora sp.、T. pseudonana、Kennall Vale分离株和Swanpool分离株）培养至对数生长中期（第5天），通过离心（3200 g，15分钟）收获，用1X磷酸缓冲盐溶液洗涤，再次离心，然后接种于100 mL NB溶液中，起始干生物质浓度为0.5 g DCW L?1。使用不含硅藻生物质的烧瓶作为对照。为评估执行Si去除所需的最佳细胞浓度，将对数生长中期初级培养的Halamphora sp.细胞通过离心（3200 g，15分钟）收获，用磷酸缓冲盐溶液洗涤，再次离心，然后接种于标准250 mL锥形瓶中的天然卤水溶液中，培养体积为100 mL。初始生物质浓度设定为0.05、0.1、0.25、0.5和1.0 g DCW L?1，对照包括含f/2的以及不添加生物质的f/2培养基。各实验处理中初始溶解Si浓度进行了标准化。天然卤水中固有的Si浓度为35 mg L?1，而f/2培养基通过添加30 mg L?1的Si进行了修改，以便在实验条件下进行直接比较。本研究未对所有条件进行完整的硅质量平衡分析、生物质消化以量化生物质结合的Si以及死细胞/黑暗对照实验，但这些可在未来工作中加以解决。

尿素补充实验

为研究尿素补充的效果，将Halamphora sp.分别在f/2培养基和天然卤水中培养，添加两种不同来源的氮源：75 mg L?1硝酸钠（NaNO3）或26 mg L?1尿素（CH4N2O）（表2）。将对数生长中期培养液（第4天，初始密度为0.05 g DCW L?1生物质）接种于500 mL锥形瓶中的150 mL培养基中。为评估尿素补充对Si吸收和生物质产生的影响，在接种后的预定时间间隔向含天然卤水的锥形瓶中添加尿素。SCUF条件下在接种后36、72、108、144、180和216小时进行尿素补充（表S1）。每次施肥时，将尿素恢复至26 mg L?1（441 μM）。在150 mL工作体积中，这相当于名义累计添加量为182 mg L?1，包括初始接种剂量。消耗速率通过初步测试中在固定时间点测量残余尿素浓度来确定（表S1）。起始接种密度为0.05 g DCW L?1，这是根据筛选不同生物质密度对Si吸收效果的结果选定的。选择较低起始密度可以更有力地展示培养液的生长潜力和营养同化效率，因为这样可以避免早期营养限制，并确保通过活跃生长而非高起始生物质量来实现高生物质产量和快速Si吸收。

扫描电镜分析

为表征Halamphora sp.的表面形态，取2 mL在天然卤水中不额外添加氮源培养10天的细胞，离心（3200 g，15分钟），细胞沉淀用磷酸缓冲盐溶液洗涤三次。洗涤后，将沉淀在1 mL 2.5%戊二醛溶液中固定过夜，然后离心（3200 g，5分钟）去除残余戊二醛。样品进一步用1 mL 1.5%戊二醛处理30分钟，离心（3200 g，15分钟），最后用1 mL 0.75%戊二醛处理，步骤参照相关文献描述。随后，细胞依次用乙醇（30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%）脱水，每个浓度30分钟。将100%乙醇样品装载到固定在铝座上的洁净硅片上，在室温（23 °C ± 2 °C）下空气中干燥。使用FEI Quanta FEG 650 SEM-EDS在表S2所述操作条件下获取样品图像。我们承认本研究未对所有条件进行SEM-EDS元素面扫分析，但可在未来工作中加以解决。

卤水成分和尿素定量

天然卤水溶液中Na、K、Li、Ca、Mg、Sr、B、Cu、Fe、Mn、Si和Ni的浓度通过Agilent 5110 VDV电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定。卤水溶液经过滤并稀释（1:1000）至2%硝酸（HNO3）溶液中。所有使用的试剂均为分析纯。在轴向观测模式下进行测量，使用的波长和操作参数见表S3。

为准确通过ICP-OES测量硅（Si），使用认证的Si标准溶液【Thermo Fisher Scientific】在2% HNO3中稀释100倍配制多点位校准曲线。校准曲线在测量浓度范围内呈线性，相关系数（R2）为0.9998。将含2% HNO3的溶液作为空白样与每批样品一同分析，以扣除背景污染。为防止玻璃器皿引起的Si污染，所有样品制备步骤（包括稀释、储存和标准溶液配制）均使用洁净塑料器皿（聚丙烯试管和瓶子）进行。测量Si含量所使用的检测波长为288.158 nm。对于阴离子分析，天然卤水经0.22 μm滤膜过滤，用去离子水稀释后，使用配有Dionex IonPac AS11-HC色谱柱（2 mm × 250 mm，4 μm粒径）的高压离子色谱系统（Dionex Integrion HPIC, Thermo Fischer Scientific）和10 μL进样环进行分析。使用Chromeleon 7.0软件进行数据处理，阳离子和阴离子浓度通过标准校准测量。仪器参数见表S4。

尿素浓度采用文献所述的光谱光度法进行测定。简要而言，实验样品离心（3200 g，15分钟）后，取50 μL上清液转移至透明平底96孔板中。工作试剂由邻苯二甲醛（100 mg L?1）、双磷酸喹啉（513 mg L?1）、硫酸（2.5 M）、硼酸（2.5 g L?1）和Brij-35（0.03%）组成。

将200 μL新鲜配制的测定试剂加入上清液中，在20 ± 2 °C条件下于摇床上轻柔混匀1小时。测定430 nm处的光密度值，并将结果与使用50 mg L?1商业尿素稀释液制作的校准曲线进行比较。

**总脂肪酸甲酯（FAMEs）的定量**

参考文献的方法改进了Bligh-Dyer技术，用于提取总FAMEs。具体步骤如下：在第0、2、4、6、8和10天，分别从各个锥形瓶中收集25 mg细胞样品。样品在3200 g下离心15分钟，沉淀物使用2%甲醇硫酸（300 μL）在80 °C下进行酸水解和甲酯化反应2小时。在反应前，加入50 μg非烷酸（Alfa Aesar）作为内标物。使用FAME混合物（Supelco）作为脂肪酸鉴定的参考标准混合物（图S3）。使用300 μL 0.9%（w/v）NaCl溶液和300 μL正己烷提取脂肪酸甲酯。混合后短暂涡旋，并在3000 × g下离心3分钟以分层。取2 μL正己烷层注入Agilent 7250气相色谱（GC）仪中，该仪器配备高分辨率四极杆飞行时间（Q-ToF）质谱仪，可同时使用电子轰击电离（EI）和化学电离（CI），连接OMEGAWAX 250色谱柱（30 m × 0.25 m × 0.25 m）。GC-MS运行条件如Shaikh等人（2019）所述。样品以分流模式（1:5）在MS中运行25分钟，初始炉温设为150 °C，同时以10 °C min?1的速度升温至240 °C。淬灭分别使用氦气（He）和氮气（N2），流速分别为2.25和1.5 mL min?1。数据通过四极杆选择性质谱检测器采集，其扫描范围为30–550 amu。随后使用MassHunter软件将GC-MS光谱与NIST数据库进行比对检索，R值阈值设为600。

**定量与统计分析**

所有实验处理均设生物学重复3次（n = 3），数据以均值 ± 标准差表示。差异通过独立双尾Student's t检验进行评估。统计显著性水平设为α = 0.05。所有统计评估和计算均使用Origin（10.0版）和Python（SciPy库）完成。

**补充信息**

（1）PDF（523.58 KB）：文件S1：图S1–S3和表S1–S6