利用植物激素吲哚-3-乙酸和氮还原技术对微藻Chlorella fusca LEB 111进行两阶段培养，以评估其作为航空燃料的应用潜力

《Biomass and Bioenergy》：Two-stage cultivation of the microalga Chlorella fusca LEB 111 using the phytohormone indole-3-acetic acid and nitrogen reduction for assessment of aviation fuel applications

微藻双阶段培养中植物生长素IAA与氮素减少协同提升裂变念珠藻生物量及脂质含量研究，优化条件实现脂质含量37.3%和生物量生产力42.0 mg/(L·d)。油品特征显示高饱和脂肪酸（50.2%）及生物航煤应用潜力。

　　

Gabriela Barcellos Curi Leal|Keyla Nunes dos Santos|Amarjit Singh Sarpal|Jorge Alberto Vieira Costa

巴西里奥格兰德联邦大学化学与食品工程学院，生物化学工程实验室，邮政信箱474，邮编96201-900，里奥格兰德，RS州

摘要

微藻可以产生中性脂质和极性脂质，这些脂质在生物燃料生产中具有很高的价值。然而，采用两阶段培养策略有助于克服这一挑战。本研究评估了在两阶段培养过程中添加植物激素吲哚-3-乙酸（IAA）和减少氮含量对微藻Chlorella fusca LEB 111的影响，重点关注增加生物量和脂质含量。在第一阶段，分别在0天、5天和10天时添加IAA，浓度为0.01 mg L^?1和0.1 mg L^?1。随后，在第二阶段降低氮含量（50%、75%和87.5%）。培养结束后，从微藻生物质中提取油脂，并通过FTIR、NMR、TGA和脂肪酸谱进行分析。结果发现，在第0天添加0.01 mg L^?1 IAA并在第87.5%氮含量条件下培养时，脂质含量和最终生物量产量最高（分别为37.3%和42.0 mg L^?1 d^?1），同时脂质生产成本降低了67%。TGA分析显示质量损失为61%，表明其中含有大量大分子。FTIR在3000–3100 cm^?1处的峰值证实了存在碳氢化合物，而¹H NMR在4.10–4.31 ppm处的信号表明存在三酰甘油。脂肪酸谱中饱和脂肪酸占比为50.2%，进一步证明了该生物质用于生产生物喷气燃料的潜力。综上所述，添加IAA并降低氮含量的培养方法具有广泛应用前景，符合航空生物燃料行业的发展趋势，有助于扩大可持续原料供应并减少温室气体排放。

引言

人口增长、交通出行增加以及环境和经济挑战推动了替代燃料（如生物燃料）的发展。这些可再生燃料被视为减少对化石燃料依赖并减轻其负面影响的解决方案。为克服与原材料相关的限制及其对粮食安全的影响，人们开发了来自木质纤维素和微藻的第二代和第三代生物燃料[1]。

微藻具有生长速度快、占用农业土地少且脂质含量高的优势，被广泛认为是生产生物柴油和生物喷气燃料的理想原料。然而，高昂的培养成本限制了微藻生物质的大规模生产[2]。此外，用于促进微藻脂质合成的培养条件可能会影响生物量生成，从而增加生产成本[2,3]。

针对这些挑战，两阶段培养系统是一种提高微藻脂质产量的有效策略。在第一阶段，微藻在优化条件下生长；通过添加植物生长促进剂（如植物激素）来刺激生物质合成[4]。在第二阶段，通过施加压力（如降低培养介质中的氮含量）来促进脂质合成，这会改变微藻的新陈代谢，促使碳水化合物和脂质等储备物质的积累[5,6]。

植物激素可以改变植物细胞的特性，影响基因表达，从而调控这些生物体的生长和代谢[7]。氮作为微藻生长所需的重要大量营养素，对蛋白质和核酸的合成至关重要。限制氮的供应可以促进脂质积累，但也会抑制微藻生长[8]。

研究表明，在微藻培养中添加植物激素可影响细胞生长和生物分子合成。Silveira等人[9]在Spirulina sp. LEB 18培养中添加0.01 mg L^?1吲哚-3-乙酸（IAA），使生物量浓度提高了50%，脂质含量提高了58%。减少氮含量也是一种常用的策略。Nayak等人[10]对Chlorella sp. HS2进行了两阶段培养：第一阶段在适宜氮含量条件下培养5天，第二阶段限制氮含量4天。结果显示，这种两阶段培养方法的脂质含量（35%）高于对照实验（23%）。Singh等人[11]研究了添加赤霉素（GA₃）对Dunaliella salina生物量和脂质产量的影响：第一阶段在充足氮含量条件下添加10 μM GA₃，第二阶段在氮缺乏条件下添加15 μM GA₃，最终生物量浓度提高到0.51 g L^?1（对照组为0.31 g L^?1

尽管先前的研究表明IAA和减少氮含量分别能促进微藻生长和脂质积累，但这两者在两阶段培养中的协同作用仍存在知识空白，相关研究较少。特别是在Chlorella属淡水微藻的培养中，这种组合策略的应用较为罕见，因此本研究具有创新性。本研究旨在评估在两阶段培养过程中添加IAA和减少氮含量对Chlorella fusca LEB 111的影响，重点关注增加生物量和脂质含量。同时，还对提取的油脂进行了详细分析，以评估其在航空燃料生产中的潜在应用价值，该领域目前缺乏实验数据和系统分析。

微藻与培养条件

使用BG-11培养基培养C. fusca LEB 111微藻[12]。该微藻属于里奥格兰德联邦大学（FURG）生物化学工程实验室（LEB）的菌株库，从Presidente Médici热电厂的废水处理池中分离获得（南纬24°36′ 13″，西经52°32′ 43″），这种环境使其具有较强的适应性，适合在不同条件下培养。

动力学参数评估

2展示了添加0.01 mg L^?1 IAA的C. fusca LEB 111微藻两阶段培养结果。分析结果显示，氮含量的降低并未影响微藻生长，其数值与对照组无显著差异（p > 0.05）。在添加0.01 mg L^?1 IAA和87.5%氮含量的条件下，培养效果最佳（X_final和P_final值与对照组相当）。

结论

在两阶段培养过程中，第一阶段添加IAA，第二阶段减少氮含量，成功促进了脂质合成，且未对生物量产生负面影响。最佳条件下（IAA浓度0.01 mg L^?1，氮含量降低87.5%），脂质产量为37.3%，生物量为1.28 g L^?1。

作者贡献声明

Gabriela Barcellos Curi Leal：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析。Keyla Nunes dos Santos：方法设计、实验设计、数据管理。Amarjit Singh Sarpal：初稿撰写、方法设计、实验设计、数据管理。Jorge Alberto Vieira Costa：审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、软件使用、资源协调、项目管理。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，作者使用了ChatGPT工具来提升文章的可读性和英语质量。使用后，作者对内容进行了必要的修订，并对出版物的内容负全责。

致谢

本研究部分由巴西高等教育人员协调委员会（CAPES，财务代码001）和国家科学技术发展委员会（CNPq）资助。同时，作者感谢MCTI（科学技术创新部）提供的财务支持。