曝气调控微藻-酵母联合体利用富VFA消化液作为低成本碳源时的脂肪酸谱

《Journal of Water Process Engineering》：Aeration modulates fatty acid profile in microalgae-yeast consortium when using VFA-rich digestate as low-cost carbon source

　　

摘要专业翻译 厌氧发酵（AF）是将有机废弃物转化为中间产物（尤其是挥发性脂肪酸（VFAs））的平台工艺。富含VFAs的液相 effluent 中仍含有残余溶解性有机物、铵和磷酸盐，需进一步处理，并为下游资源回收和增值提供了机会。这些液流代表了有价值的富含VFAs的原料，可在循环生物经济框架内用于生产高价值生物产品。VFAs作为平台分子，将厌氧废弃物转化与沼气升级、生物塑料前体和微生物油脂（MOs）等下游路线联系起来。在本研究中，研究人员探究了曝气对微藻-酵母联合体（由 Chlorella vulgaris 和 Yarrowia lipolytica 组成）在半连续光生物反应器（PBRs）中利用真实富VFAs消化液进行微生物油脂生产的影响。研究人员考察了三种曝气周期：无外部曝气（B1）、每天曝气6小时（B2）和每天曝气12小时（B3）。无曝气培养（B1）实现了最高的脂质含量，占干重的42.5% w/w，而12小时曝气（B3）促进了生物量增长和蛋白质生产，蛋白质含量达40.4% w/w。曝气周期调控了脂质与蛋白质生物合成之间的平衡，并显著影响了脂肪酸（FAs）谱，尤其是C18:1异构体的分布。总体而言，废弃物来源的VFAs表现出88.1%的转化率，转化为富含脂质和蛋白质的生物量。该研究证明了曝气策略可作为调控微藻-酵母联合体生物量组成以定向生产脂质或蛋白质的有力工具，为废弃物资源化利用和循环生物经济提供了灵活的技术路径。

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一、研究背景与意义

厌氧发酵（AF）是将有机废弃物转化为中间产物（尤其是挥发性脂肪酸（VFAs））的平台性工艺。富含VFAs的液相 effluent 中仍含有残余溶解性有机物、铵和磷酸盐，需进一步处理，为下游资源回收和增值提供了机会。VFAs作为平台分子，可将厌氧废弃物转化与沼气升级、生物塑料前体和微生物油脂（MOs）等下游路线联系起来，契合欧盟推动能源转型、减少化石燃料依赖和提升能源效率的战略目标。

微生物油脂（MOs），又称单细胞油脂，是由产油微生物（如真菌、酵母、微藻和细菌）合成的脂质，这些微生物可积累超过25% w/w 的脂质。其中，产油酵母因其稳健性和高细胞密度能力而备受关注，脂质含量可达干生物量的60–70% w/w。然而，MOs生产的经济可行性高度依赖于碳源成本和发酵工艺优化。技术经济评估显示，MOs生产成本约为US$3.4–5.5 kg^?1，其中原料成本可能占总生产成本的50–80%。

利用产油酵母生产MOs的一个关键问题是发酵过程中伴随产生CO₂，部分碳源以CO₂形式损失而非转化为脂质，CO₂排放量可达碳底物的35–50% w/w。为解决此问题，将脂质生产与微藻培养相结合，利用微藻捕获和利用排放的CO₂，已被提出作为增强生物量和脂质产量的策略。微藻-酵母共培养系统通过互补的代谢互作，改善气体交换（如O₂/CO₂平衡）、碳利用和pH调节，从而促进更高的脂质积累。

然而，大多数微藻-酵母共培养研究集中于糖类底物或合成培养基，使用VFAs-rich effluent进行MOs生产的研究此前鲜有探索。此外，曝气是微藻-酵母联合体利用VFAs时的关键操作因素，但其作用在大规模条件下仍不明确。Y. lipolytica 为严格好氧菌，需要氧气进行生长和脂肪酸代谢，而过高的溶解氧（DO）可能对 C. vulgaris 造成氧化胁迫并损害其光合性能。因此，曝气必须在酵母的需氧量与光合伙伴对高DO水平的敏感性之间取得平衡。本研究正是在此背景下，系统探究曝气对微藻-酵母联合体在半连续光生物反应器（PBRs）中利用真实VFAs-rich digestate生产MOs的影响。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员在1 L工作体积的圆柱形硼硅酸盐玻璃光生物反应器中，以真实灭菌消化液为底物（pH调至7.0），接种由 Chlorella vulgaris 和 Yarrowia lipolytica 组成的微生物联合体，在25 ± 2 °C、250 rpm搅拌、12 h光照/12 h黑暗光周期（光强120 μmol m^?2 s^?1）条件下，以7天水力停留时间（HRT）进行半连续运行28天（四个HRT），直至达到稳态。研究设置了三种曝气周期：无外部曝气（B1）、每天曝气6小时（B2，1 h开/3 h关）和每天曝气12小时（B3，2 h开/2 h关），空气流量为0.8 L min^?1，每种条件设置三个平行反应器。主要技术方法包括：挥发性脂肪酸（VFAs）浓度采用高效液相色谱（HPLC）测定；生物量浓度以挥发性悬浮固体（VSS）重量法测定；总碳水化合物含量采用苯酚-硫酸法；总蛋白质含量基于总凯氏氮（TKN）法测定并采用6.25氮-蛋白换算系数；总脂质含量通过挥发性固体（VS）减去蛋白质和碳水化合物含量间接估算；脂肪酸（FAs）组成采用气相色谱（GC）测定，经两阶段转甲基化处理后进行脂肪酸甲酯（FAMEs）分析；氨基酸（AAs）组成采用阳离子交换色谱结合茚三酮柱后衍生化测定。

三、研究结果

3.1 曝气对微生物生长和VFAs消耗的影响

研究发现，曝气周期显著影响联合体的生物量积累和VFAs消耗效率。12小时曝气（B3）条件下，生物量浓度和生物量产率最高，表明充足的氧气供应促进了 Y. lipolytica 的好氧代谢和生长。无曝气（B1）条件下生物量浓度最低，但仍能维持稳定的VFAs消耗，说明微藻的光合产氧可在一定程度上满足酵母的需氧需求。所有反应器均实现了较高的VFAs去除效率，废弃物来源的VFAs表现出88.1%的转化率，转化为富含脂质和蛋白质的生物量。

3.2 曝气对生物量大分子组成的影响

曝气周期显著调控了脂质与蛋白质生物合成之间的平衡。无曝气培养（B1）实现了最高的脂质含量，占干重的42.5% w/w，这归因于较低的溶解氧水平可能诱导了脂质积累的代谢响应。相反，12小时曝气（B3）促进了生物量增长和蛋白质生产，蛋白质含量达40.4% w/w，表明充足的氧气有利于蛋白质合成途径。6小时曝气（B2）则呈现中间状态。这一结果表明，通过调节曝气周期，可以定向调控联合体生物量的脂质-蛋白质组成比例，以适应不同的下游应用需求。

3.3 曝气对脂肪酸谱的影响

曝气显著影响了脂肪酸（FAs）谱，尤其是C18:1异构体的分布。不同曝气条件下，脂肪酸组成呈现明显差异，表明曝气不仅影响总脂质含量，还调控脂质的分子组成。这一发现对于定向生产特定脂肪酸谱的微生物油脂具有重要意义，因为不同脂肪酸组成适用于不同的工业应用场景（如生物燃料、营养品或化妆品原料）。

3.4 曝气对蛋白质和氨基酸谱的影响

12小时曝气（B3）条件下蛋白质含量最高（40.4% w/w），且氨基酸（AAs）谱分析显示不同曝气条件下氨基酸组成存在差异。蛋白质和氨基酸谱的调控为联合体生物量作为饲料或食品蛋白替代来源提供了可能。

四、讨论与结论

讨论部分指出，曝气策略可作为调控微藻-酵母联合体生物量组成以定向生产脂质或蛋白质的有力工具。无曝气条件有利于脂质积累，而充分曝气则促进蛋白质生产。这种灵活性使该技术能够根据市场需求调整产品方向，适应不同的增值路线。研究还强调，使用真实VFAs-rich digestate作为低成本碳源，结合曝气调控策略，为废弃物资源化利用和循环生物经济提供了可行的技术路径。

研究结论部分指出：曝气周期在微藻-酵母联合体利用VFAs-rich digestate生产MOs的过程中发挥了关键调控作用。无曝气培养（B1）实现了最高的脂质含量（42.5% w/w），而12小时曝气（B3）促进了生物量增长和蛋白质生产（40.4% w/w）。曝气同时调控了脂肪酸谱，尤其是C18:1异构体的分布。废弃物来源的VFAs表现出88.1%的转化率，转化为富含脂质和蛋白质的生物量。该研究证明了曝气策略可作为调控微藻-酵母联合体生物量组成以定向生产脂质或蛋白质的有力工具，为废弃物资源化利用和循环生物经济提供了灵活的技术路径。