膜辅助连续培养实现了稳定且高产的微藻单细胞蛋白生产

《Bioresource Technology》：Membrane-assisted continuous cultivation enables stable and high-productivity microalgal single-cell protein production

　　**摘要要点**- 连续运行持续维持了蛋白含量，不同于氮耗竭的批次培养- 膜辅助的SRT/HRT解耦实现了可控的单细胞蛋白（SCP）生产- 降低SRT提高了蛋白质产量，而未损害蛋白含量- 降低HRT增加了氮负荷和蛋白含量，但未提高产量- 长期稳健性应指导菌株选择，而不仅仅是蛋白含量**引言**饮食蛋白质需求随着人口增长、城市化和收入增加而上升，特别是在发展中经济体，加剧了全球粮食系统的压力（Tjahyo等，2024）。传统蛋白质供应链严重依赖肥沃土地和淡水，并对生物多样性丧失和温室气体排放做出贡献（Merlo等，2024）。这些局限性加速了对具有更低资源需求和环境影响的替代蛋白质的兴趣。单细胞蛋白（SCP），定义为干重蛋白含量超过30%的微生物生物量，可以利用不同的原料（包括废物衍生的营养物质）在紧凑的培养系统中生产（Parakh和Tong，2025）。微藻是极具吸引力的SCP平台，因为它们可以积累高蛋白含量（通常为干重的40–70%），同时使用光和CO?作为能量和碳输入（Manzo等，2025）。它们还可以从废物流中回收无机氮并将其转化为富含蛋白质的生物量，从而实现营养物值化、碳捕获和SCP生产的同步进行（Parakh和Tong，2025）。食品废物消化液是一个特别有前景的营养来源，因为它富含氨氮，通常含量超过1500 mg/L，能够满足微藻蛋白合成所需的氮（Bai等，2025）。然而，可扩展实施需要微藻SCP培养策略，既能提供高蛋白产量，又能保持一致的SCP级蛋白含量。大多数废物进料微藻SCP研究依赖于批次培养，因为其操作简便（Handayani等，2026；Manzo等，2026；Silkina等，2025）。然而，批次操作受限于适应相关滞后期、非生产性停机时间、营养耗竭、自荫蔽加剧以及生长阶段依赖的代谢转变（Borella等，2021；Sandrucci等，2026）。这些动态条件降低了时间平均生物量产量，并可能使生化组成不稳定，难以持续满足SCP蛋白含量标准（Barbera等，2022）。膜辅助连续培养提供了一条克服这些限制的道路，通过维持持续的营养供应和稳定的运行条件，从而支持稳态生物量生产，并呈现更一致的生化组成（Ortiz Tena等，2024）。在这样的系统中，固体停留时间（SRT）调节生物量的停留时间和稳态生物量浓度，而水力停留时间（HRT）控制营养负荷（Feng等，2024；Khan等，2024）。SRT与HRT的解耦提供了一种机制策略，可以独立控制生物量保留、光可用性、氮负荷和蛋白积累。较长的SRT可能增加生物量浓度但加剧自荫蔽，而较短的SRT可能改善光透射直到流失成为限制因素。同样，较短的HRT可能增强氮同化和蛋白积累，但也可增加NH??-N暴露并抑制生长。尽管具有这些潜力，连续微藻研究主要集中在生物量生长和营养去除上，对废物进料SCP系统中蛋白含量、蛋白产量和组成稳定性的系统评估仍然有限（Arango等，2025；Xie等，2026）。本研究假设，膜辅助连续培养可以通过维持氮可用性并独立调节生物量保留和营养负荷，从而克服批次微藻SCP生产中产量与组成之间的权衡。为验证这一假设，分别利用斜生栅藻（*Scenedesmus obliquus*）、埃默氏绿球藻（*Graesiella emersonii*）和钝顶螺旋藻（*Chlorella sorokiniana*）三种微藻，以食品废物消化液衍生的培养基进行培养，该培养基旨在支持生长的同时减轻铵抑制和营养失衡。在3 L气泡柱光生物反应器（PBR）中比较了批次和连续培养，以量化生物量生产、氮去除、蛋白积累和时间组成稳定性。随后利用浸入式膜模块优化连续运行，将SRT与HRT解耦。本研究通过将独立控制的SRT/HRT条件与SCP关键结果（包括蛋白含量和蛋白产量，而不仅仅是生物量生长或营养去除）联系起来，推动了废物进料微藻SCP生产的发展。**部分摘要****微藻与消化液**钝顶螺旋藻（*Chlorella sorokiniana*）UTEX 1230和斜生栅藻（*Scenedesmus obliquus*）UTEX 393从美国德克萨斯大学奥斯汀分校藻类培养物收藏中心获得，埃默氏绿球藻（*Graesiella emersonii*）ATCC 13482从美国典型培养物收藏中心获得。种子培养物在无菌Bold基础培养基（BBM）（为双盲评审省略参考文献）中于室温（22 ± 1 °C）下维持。晚指数期生物量在4 °C下以14,000 × g离心10分钟进行收获（Eppendorf...）**初步实验**食品废物消化液中的高NH??-N浓度（见补充材料）通常对许多微藻种类具有抑制作用，因此在使用前需要进行稀释（Handayani等，2026）。在仅2%消化液中（含约38 mg/L NH??-N），三种微藻均表现出有限的生长，第8天时仅达到0.1–0.3 g/L（图2a–c）。这些值与先前使用水稀释消化液的研究中报告的较低生物量浓度（0.2–0.5 g/L）一致（Barzee...）**结论**本研究表明，批次微藻从食品废物消化液生产SCP的主要限制并非生物量生长不良，而是外部氮耗竭后无法维持富含蛋白质的生物量。通过持续补充氮，并利用膜辅助控制SRT和HRT将生物量保留与营养负荷解耦，连续培养将SCP生产转变为稳定、可控的过程。这种持续运行将生物量维持在SCP蛋白...**CRediT作者贡献声明****Sheetal Kishor Parakh：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。**Baiyu Liao：** 调查，数据管理。**Yen Wah Tong：** 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，资金获取，概念化。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响到本论文所报告的工作。**致谢**本研究项目（"来自CO?的碳负合成生物学用于生物材料生产（CNSB）"）是CREATE脱碳主题计划的一部分，由新加坡总理办公室国家研究基金会在其研究与技术创新卓越校园（CREATE）计划下提供资助。