集成生物精炼策略用于裂壶藻（Schizochytrium aggregatum）生物质中脂质、蛋白质与碳水化合物的顺序提取及残余生物质同步脂肪酸分析与重金属吸附

《Environmental Technology & Innovation》：Integrated Biorefinery Approach for Sequential Extraction of Lipids, Proteins, and Carbohydrates with Concurrent Fatty Acid Profiling and Heavy Metal Adsorption from Residual Biomass

　　

本研究提出一种实验室规模的集成生物质增值策略，用于从裂壶藻（Schizochytrium aggregatum）生物质中顺序回收高值生物分子，随后将残余生物质用于重金属修复。该策略旨在顺序回收脂质、蛋白质与碳水化合物，同时探索残余生物质在生物吸附中的应用潜力。脂质提取采用超声探头辅助提取（Ultrasonic Probe Sonicated Extraction，UPSE）获得最高产率48±1.1%，优于其他评估方法。脂肪酸分析显示二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic Acid，DHA）与棕榈酸为主要组分，凸显该生物质在营养品与药物应用中的潜力。蛋白质与碳水化合物的顺序提取进一步实现了生物质的全面增值。近组分分析与CHNS分析证实了各组分中生物分子的高效回收。残余生物质对铬与镉离子表现出有效吸附，表面与结构表征予以支持。不同于传统仅聚焦生物分子回收的生物精炼策略，这种集成减废生物精炼途径提升了生物质利用效率，推动了循环生物经济原则，契合可持续废弃物增值与水体修复策略，并与联合国可持续发展目标特别是SDG 12（负责任消费与生产）和SDG 6（清洁饮水与卫生设施）相符，为工业与环境应用提供了实验室框架。

研究背景方面，全球对可持续能源、食品及高值生物产品的需求增长推动了从化石经济向基于可再生生物质的生物经济转型。海洋生物质尤其是微藻与破囊壶菌（Thraustochytrids）因不占用耕地淡水、生长速率高且富含脂质与多糖受到关注。破囊壶菌作为异养海洋原生生物，可积累类胡萝卜素与ω-3脂肪酸，并分泌多种水解酶，具备工业应用优势。既有研究多聚焦单一高值代谢物最大化，对同一生物质顺序回收多组分并进一步增值残余生物质的综合策略有限。裂壶藻（Schizochytrium aggregatum）因高脂质生产力、快速生长及蛋白碳水积累能力被选为对象。研究人员开展实验室规模集成生物精炼研究，通过顺序提取脂质、蛋白质、碳水化合物并将残余生物质用于重金属吸附，证实该途径提升资源利用率、减废并支持循环生物经济，成果发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法上，研究人员从Bioresource Collection and Research Center（BCRC）获取裂壶藻（Schizochytrium aggregatum）菌株，于GYEP培养基（葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨）中以海水与去离子水混合体系在25℃、150 rpm培养168 h获生物质。脂质提取比较水浴超声、UPSE、微波辅助与珠磨四种方法并以Bligh & Dyer相分离，脂肪酸经甲酯化后由气相色谱-氢火焰检测器（GC-FID）分析；蛋白用Tris-HCl缓冲液提取后Lowry法定量；碳水化合物经酚硫酸法测定；残余生物质进行Cr与Cd吸附实验并结合表面结构表征；近组分与CHNS用于物料衡算。

研究结果部分，2.4节脂质提取优化显示UPSE在60%振幅15 min下获48±1.1%最高产率，能值归一化后单位能耗产率优于水浴超声与微波。2.6与2.7节顺序提取中，策略I（脂质-蛋白质-碳水化合物）总回收最均衡，脂质先提减少氧化与溶剂共提假象。2.9节脂肪酸分析表明DHA与棕榈酸为优势组分，DHA占比支撑营养品导向。2.10节近组分与CHNS确认各分数回收效率。残余生物质吸附章节中，Cr(VI)与Cd(II)去除率受表面官能团与孔隙结构支撑，FTIR与SEM表征显示羧基、羟基与含氮基团参与络合。

讨论与结论翻译：研究人员指出，传统破囊壶菌生物精炼常限于单产物最大化，本集成顺序提取耦合残余吸附框架在实验室尺度实现脂质（48±1.1%）、蛋白、碳水同步回收并将残渣转化为Cr/Cd吸附剂，整体生物质利用率显著提升。该减废模式呼应SDG 12与SDG 6，为蓝色生物经济提供可放大模板。结论确认裂壶藻（Schizochytrium aggregatum）作为微生物平台在循环生物精炼中兼具高值分子供应与环境修复功能，顺序提取序列以脂质先行最优，UPSE为推荐脂质释放手段，残余生物质无需复杂活化即可达有效重金属捕集，具备向中试过渡的工艺兼容性。