捕食作用对膜基生物膜光生物反应器（MB-PBR）性能与微生物生态的影响

《Algal Research》：Effect of predation on the performance and microbial ecology of a membrane-based biofilm photobioreactor

　　

捕食作用会降低膜基生物膜光生物反应器（MB-PBR）中生物膜的光自养生产力，但关于真核捕食者对生物膜光养系统的影响却知之甚少。本研究评估了原生动物捕食对MB-PBR中生物膜积累、微生物群落结构、硝酸盐吸收和藻蓝蛋白（phycocyanin）产生的影响。研究人员采用混合原核群落（包括蓝藻）作为接种物，在“抑制”捕食（添加真核抑制剂环己酰亚胺）和“捕食”条件下运行连续流MB-PBR和间歇悬浮生长系统。在稳态条件下，与抑制捕食条件相比，捕食条件下的生物膜面积减少了21%，且总硝酸盐吸收量降低。然而，捕食作用并未改变生物膜内的色素比例。藻蓝蛋白的绝对产量在捕食条件下较低，但按挥发性固体（VS）归一化后，两种条件之间的藻蓝蛋白与VS比值无显著差异。微生物群落分析显示，捕食条件下真核生物多样性更高，混养鞭毛虫（mixotrophic flagellates）取代变形虫（amoebae）成为优势捕食者。捕食作用还增加了生物膜中异养细菌的相对丰度，并改变了群落组成。这些发现表明，捕食作用对MB-PBR性能产生负面影响，主要通过减少生物量积累和改变微生物群落结构来实现，而非直接改变细胞内的色素含量。该研究为生物膜光生物反应器中捕食者-猎物动态提供了见解，并强调了在光养生物膜系统中管理原生动物捕食以优化生物量产量和有价值副产物生产的重要性。

论文解读

一、研究背景与意义

基于光合微生物（包括微藻和蓝藻）的生物技术过程近年来受到越来越多的关注，这主要归因于其固存大气CO₂、从废水中去除营养物质以及生产生物燃料、人类膳食补充剂、化妆品和药品等有价值产品的能力。与开放系统相比，封闭式光生物反应器能够更好地控制培养条件，通常可获得更高的光合生物质生长速率。膜基生物膜光生物反应器（MB-PBR）作为一种封闭式光生物反应器，具有收获和脱水过程能耗低、可在低水力停留时间下维持生物量等优势。然而，真核捕食的影响在该类系统中仍知之甚少。已有研究表明，原生动物会降低悬浮生长系统中的光养生产力，但其对生物膜光合系统的影响尚未被探索。大规模生物膜光生物反应器通常含有原生动物，且已有研究显示捕食对硝化和异养生物膜的生物量积累产生负面影响并导致生物膜脱落。因此，原生动物对光养生物的捕食很可能减少光养生物量的积累并诱导生物膜脱落。此外，蓝藻可合成具有化感作用的生物活性次级代谢物以抵御牧食者。鉴于生产有价值副产物往往是封闭系统的目标，本研究选择藻蓝蛋白（phycocyanin）作为代表性产品，探究原生动物捕食对光养生物膜的影响。藻蓝蛋白是一种来源于微藻和蓝藻的蓝色色素，在食品、保健品和化妆品领域具有广泛应用前景。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用两种实验室规模实验系统：连续流MB-PBR和间歇悬浮生长系统。每种反应器均在两种条件下运行：“抑制”捕食条件（添加真核抑制剂环己酰亚胺以抑制原生动物）和“捕食”条件（不加抑制剂）。接种物通过连续稀释制备：光养接种物经环己酰亚胺处理以抑制真核微藻生长，富集原核光养生物（包括蓝藻）；原生动物接种物则在无光照条件下富集，抑制光合微生物生长。MB-PBR系统包括进料罐、内部再循环混合系统、光源、CO₂透性膜组件（用于生物膜生长）和气体供应系统（5% CO₂，95% N₂）。微生物群落结构通过16S/18S rRNA基因扩增子高通量测序分析，使用DADA2和QIIME 2流程进行生物信息学处理。原生动物抑制效果通过数字液滴PCR（ddPCR）确认。藻蓝蛋白含量通过分光光度法测定，生物膜厚度和面积通过光学相干断层扫描（OCT）成像并结合MATLAB图像分析获得。硝酸盐浓度采用比色法测定。

三、研究结果

3.1 MB-PBR的运行

两种条件均在约45±3天和38±5天达到稳态。在稳态条件下，抑制捕食和捕食条件的平均出水硝酸盐浓度分别为19.7±0.5和23.1±1.1 mgN/L，表明捕食条件下硝酸盐去除效率较低。捕食条件下的出水固体浓度（OD_750nm）为0.0047±0.0015，显著高于抑制捕食条件的0.0019±0.0007，表明捕食条件下有更多的悬浮生物量和生物膜脱落。

3.2 生物膜积累

通过OCT成像分析，捕食条件下的生物膜面积比抑制捕食条件减少了21%。这一结果表明原生动物捕食显著降低了MB-PBR中的生物膜积累，与先前在非光养生物膜系统中观察到的捕食负面影响一致。

3.3 藻蓝蛋白产量

捕食条件下藻蓝蛋白的绝对产量较低，但按挥发性固体（VS）归一化后，两种条件之间的藻蓝蛋白与VS比值无显著差异。这表明捕食作用降低了总生物量，从而降低了藻蓝蛋白的绝对产量，但并未改变细胞内的色素含量或色素比例。捕食并未改变生物膜内的色素比例这一发现尤为重要，说明捕食对藻蓝蛋白生产的影响主要是通过减少生物量而非改变细胞代谢途径实现的。

3.4 微生物群落分析

捕食条件下真核生物多样性更高，混养鞭毛虫（mixotrophic flagellates）取代变形虫（amoebae）成为优势捕食者。捕食作用还增加了生物膜中异养细菌的相对丰度，并改变了群落组成。这一发现揭示了MB-PBR中捕食者-猎物相互作用的复杂性：混养鞭毛虫的竞争优势可能与其既能进行光合作用又能捕食细菌和微藻的能力有关，而变形虫则被竞争性排除。

四、结论与讨论

本研究表明，捕食作用对MB-PBR性能产生负面影响，主要通过减少生物量积累和改变微生物群落结构来实现，而非直接改变细胞内的色素含量。捕食条件下硝酸盐去除效率降低，这与生物量减少直接相关。混养鞭毛虫成为优势捕食者这一发现，为理解生物膜光生物反应器中捕食者群落的生态演替提供了新的见解。该研究强调了在光养生物膜系统中管理原生动物捕食以优化生物量产量和有价值副产物生产的重要性，为大规模MB-PBR的设计和运行提供了理论指导。研究结论指出，捕食作用是影响MB-PBR性能的关键生态因素，在系统设计和运行管理中应予以充分考虑，可通过适当的捕食控制策略来维持生物膜稳定性和提高目标产物产量。