利用纳米气泡（Nanobubble）技术提高镰形纤维藻（Chlorella sorokiniana）的生长效率

《Plant Nano Biology》：Utilizing nanobubble technology to improve Chlorella sorokiniana growth efficiency

　　

微藻作为全球主要的水产养殖产品之一，正因其应用的可塑性而日益受到关注。与许多水产养殖产业一样，微藻生产追求更高的产量，但常面临各种挑战。由于CO₂向培养基中注入效率低下导致的二氧化碳不足，是微藻生产中常见的瓶颈之一。本研究探究了在户外光生物反应器中CO₂纳米气泡注入对镰形纤维藻（Chlorella sorokiniana）生长的影响。鉴于纳米气泡的独特性质，使用纳米气泡发生器注入CO₂成功提高了碳酸盐水平（在第二次处理中高达113%， compared to CO₂ applied through an air stone）。CO₂注入效率的提高促进了镰形纤维藻的生长，使其藻密度比传统的充气石（air stone）CO₂注入方法高出18%。此外，CO₂纳米气泡组的藻密度比仅提供曝气处理组高出65%。该研究强调了CO₂纳米气泡技术在工业应用中的潜力，为增强微藻生产提供了一种成本效益高且高效的方法。

## 论文解读

### 一、研究背景与问题提出

微藻产业在全球范围内具有重要经济价值。据统计，2019年全球藻类产量接近3600万吨，占世界水产养殖湿重的30%，产品价值超过140亿美元，且这一数字仍在逐年攀升。微藻作为自然界食物网中的基础生物，也是人类食品、膳食补充剂、化妆品、水处理、生物燃料以及碳捕获等多种应用的基本原料。然而，微藻生产中的若干瓶颈限制了其产量潜力，包括污染、光照不足以及二氧化碳供应不足等问题。

在传统的微藻培养过程中，CO₂通常通过曝气、鼓泡或使用充气石进行注入。但由于CO₂在水中的溶解度较低，这些方法的气体扩散率低下，导致大部分CO₂迅速从培养基中逸散，系统中仅有少量CO₂能被微藻有效利用。纳米气泡技术为解决这一难题提供了新思路。纳米气泡（直径小于1000纳米，通常小于200纳米）具有高比表面积、低浮力、负表面电荷等独特性质，能够提高气体向水中的溶解效率，并在水处理、水产养殖增氧等领域已有应用。然而，关于CO₂纳米气泡能否在户外反应器生产环境中刺激藻类生长，相关研究仍较为有限。基于此，研究人员假设纳米气泡技术可增强微藻生长，并以镰形纤维藻为模型，在平板式光生物反应器中评估CO₂纳米气泡对其生长率的影响。该研究成果发表于《Plant Nano Biology》期刊。

### 二、关键技术方法

本研究在香港元朗的户外环境中开展，使用12台平板式光生物反应器（P150）培养镰形纤维藻（UTEX 2714）。实验设置四个处理组，每组三个重复：①空气曝气组、②空气纳米气泡组、③充气石CO₂注入组、④CO₂纳米气泡组。纳米气泡由aQua+110 M型纳米气泡发生器产生，平均粒径范围为128–313纳米；充气石产生的气泡平均直径为0.239厘米。在48小时和96小时时进行两次30分钟的处理。研究人员测定了光密度（OD₆₈₀，与干重建立线性回归关系）、pH值、碳酸盐离子浓度（CO₂电极法）、溶解氧、温度、光照强度以及多种水质参数（碱度、总氨氮、硬度、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐）。统计分析采用双因素方差分析（two-way ANOVA）结合Tukey多重比较检验。

### 三、研究结果

**3.1 微藻密度与光密度的关系**

研究人员建立了光密度（OD₆₈₀）与干重之间的线性回归模型，相关系数R2 = 0.979，表明OD₆₈₀可有效表征微藻生物量。

**3.2 光密度动态变化**

实验初始时各组光密度无显著差异（P-value > 0.9983）。第一次处理6小时后，空气纳米气泡组光密度显著低于空气组（P-value = 0.0331），但这种差异仅出现在该时间点，之后两组趋于一致。第一次处理24小时后（72小时），CO₂纳米气泡组光密度显著高于空气组和空气纳米气泡组（P-values分别为0.0003和<0.0001），CO₂充气石组也显著高于空气纳米气泡组（P-value = 0.0035）。从此时起直至实验结束，CO₂纳米气泡组的光密度持续高于空气组和空气纳米气泡组（P-values < 0.0003），并在第一次处理后两天及第二次处理后30小时显著高于CO₂充气石组。

实验结束时（126小时），各组最终光密度分别为：空气组0.336 ± 0.007、空气纳米气泡组0.304 ± 0.012、CO₂充气石组0.467 ± 0.024、CO₂纳米气泡组0.554 ± 0.022。CO₂纳米气泡组比空气组和空气纳米气泡组分别高出65.0%（P-value < 0.0001）和81.9%（P-value < 0.0001），比CO₂充气石组高18.6%（P-value = 0.0023）。

**3.3 水质参数变化**

**碳酸盐离子浓度**：处理前各组无显著差异（均值66.563 ± 3.883 mg/L）。处理后，空气组和空气纳米气泡组碳酸盐浓度下降，而两个CO₂处理组上升。第一次处理后6小时，CO₂纳米气泡组碳酸盐浓度（416.362 ± 3.770 mg/L）显著高于其他各组（P-value > 0.0104）；第二次处理后，CO₂纳米气泡组达到815.536 ± 14.893 mg/L，显著高于CO₂充气石组（381.857 ± 16.294 mg/L）等（P-value > 0.0023）。

**碱度与总硬度**：碱度在各组间始终相似，随时间从68.167 mg/L上升至137.167 mg/L。总硬度在72小时时，CO₂纳米气泡组（92.333 ± 3.538 mg/L）和CO₂充气石组显著高于空气纳米气泡组（P-values分别为0.0404和0.0212）；120小时时两个CO₂处理组仍显著高于两个空气处理组（P-value < 0.0434）。

**氮磷营养盐**：硝酸盐水平整个实验期间保持稳定。亚硝酸盐仅在54小时时空气组与空气纳米气泡组间存在显著差异（P-value = 0.0193）。总氨氮多数时间点相似，但54小时时CO₂组（4.100 ± 0.634 mg/L）低于空气组（12.100 ± 0.330 mg/L）和空气纳米气泡组（11.833 ± 0.072 mg/L），CO₂纳米气泡组最低（2.467 ± 0.314 mg/L）。磷酸盐在120小时时CO₂组（6.133 ± 0.027 mg/L）和CO₂纳米气泡组（6.433 ± 0.098 mg/L）显著高于空气组（5.500 ± 0.047 mg/L）。

**溶解氧、pH与温度**：溶解氧在各组间同步波动，日间变化显著（如72小时时从14.026升至43.833 mg/L）。pH值在CO₂处理后立即下降，第一次处理后CO₂纳米气泡组从8.653降至6.033，第二次处理后从8.850降至5.887，但次日均回升至8左右。温度呈日波动，第二次处理后CO₂纳米气泡组（30.867 ± 0.119°C）显著高于空气组（28.700 ± 0.163°C）和CO₂充气石组（29.133 ± 0.152°C）。

### 四、讨论与结论

研究人员认为，CO₂是微藻白天生长的关键限制因子之一。本研究中，两次30分钟的CO₂纳米气泡注入使总产量比无补充CO₂组提高65%，比传统充气石CO₂注入高18.6%。这一效果与纳米气泡的独特性质密切相关：纳米气泡具有更大的比表面积体积比、更低的上升速度、负表面电荷防止聚并等特性，使其在培养基中停留时间更长，气体传递效率更高。实验显示，CO₂纳米气泡组在处理后碳酸盐水平比充气石组分别高35.6%和113.6%，证实了更高效的气体传递。

研究人员观察到生长促进效应存在延迟，推测这与微藻细胞需要时间同化额外CO₂并积累分裂所需物质有关。两次处理后的碳酸盐水平差异可能与不同光照强度（第一次约1339 μmol/m2/s，第二次约157 μmol/m2/s）和温度条件有关：高光强促进CO₂固定，而较高温度可能降低气体溶解度。

营养盐监测表明，亚硝酸盐、硝酸盐和磷酸盐未成为限制因子。总氨氮在处理后反而恢复的现象，研究人员归因于培养基中尿素的水解作用。此外，纳米气泡处理还产生了轻微的加热效应，可能通过提高代谢率进一步促进生长。

该研究的局限性在于户外环境中光照和温度无法控制，可能干扰CO₂纳米气泡的效果评估。研究人员指出，对于五日培养周期，单次30分钟CO₂纳米气泡注入已足够促进生长，更长周期可能需要多次注入。纳米气泡发生器虽需一定资本投入，但该技术还可用于增氧、消毒等多重用途，具有成本分摊潜力。

**研究结论**：本研究证实了CO₂纳米气泡技术在户外光生物反应器中促进镰形纤维藻生长的有效性。纳米气泡技术使CO₂扩散率比传统充气石提高超过113%，两次处理使藻密度比仅曝气组高65%，比充气石CO₂组高18.6%。这些发现表明，CO₂纳米气泡技术为提高微藻生产提供了有前景的解决方案，对生物燃料、碳捕获和水产养殖等工业应用具有重要意义。