工业废水驱动海洋微藻在混合营养生长条件下的脂质诱导：特定碳源与非无菌废水环境的对比评估

《Journal of Microbiological Methods》：Industrial effluent driven lipid induction in marine microalgae under mixotrophic growth: Comparative evaluation of defined carbon sources and non-sterile effluent environments

　　

摘要
由于海洋微藻具有生长速度快、脂质含量高以及同化各种碳化合物的能力，将其作为通过生物质生产可再生能源的可行平台具有可持续性。使用未灭菌的工业废水作为碳源以增强微藻生物质和脂质生产的可能性知之甚少，尤其是与纯碳源和灭菌废水相比。本研究评估了两种海洋微藻菌株（小球藻 BDUG 91771 和单细胞绿藻属 BDUG 100241）的兼性营养生长性能和脂质生产率，使用了定义的碳源（葡萄糖、蔗糖、乙酸钠、甘油、乙醇、碳酸氢钠）以及用海水稀释的废水衍生排放液（骨胶废水和糖蜜废水）。在测试的碳源中，葡萄糖在小球藻中产生了最高的生物质（1.73 g L?1），而甘油在单细胞绿藻属中支持了最大生物质（6.1 g L?1）。然而，定义的碳源对脂质积累的影响很小，与控制组相似。未灭菌的 10% 骨胶和糖蜜废水显著提高了脂质产量，在小球藻中达到 0.570 g L?1 天?1，而控制组为 0.346 g L?1 天?1。同样，在单细胞绿藻属中分别为 1.769 g L?1 天?1 和 1.159 g L?1 天?1，相比控制组产量有所增加。这些脂质增强效果显著超过了纯碳源和灭菌（高压灭菌）废水所观察到的效果，表明本土微生物产酶群落和热敏感复杂碳水化合物底物对脂质积累至关重要。未灭菌废水的优越性能可能归因于细菌酶将复杂有机聚合物降解为生物可利用的简单糖类和挥发性脂肪酸（乙酸、丁酸），结合微生物介导的营养转化创造了诱导脂质的条件。这些处理还维持了稳健的生物质生产，实现了生长和脂质诱导的同时进行。这种新型集成方法支持有效的废水修复和经济可行的微藻生物燃料生产，突显了海洋微藻作为下一代可再生能源系统候选者的前景。

引言
微藻被广泛认为是生物燃料生产和高价值生物化学品的可持续原料，它们可以将无机碳转化为生物质并积累脂质（Gopalakrishnan 等人，2025）。作为未来可再生能源解决方案的一个有希望的选项（Khan 等人，2018），与大型藻类相比，微藻的快速生长速率和环境适应性使其成为解决生态和能源挑战的高效候选者（Sudhakar 等人，2019）。过去二十年的大量研究集中在提高微藻生物质以生成生物燃料（Garrido-Cardenas 等人，2018）。培养策略，如营养物质可用性、光照强度和温度，旨在最大化生物质产量和脂质积累，以实现可持续的碳捕获和能源努力（Zhu 等人，2022；Ooi 等人，2023）。最近对小球藻属 PG96 的析因设计研究表明，温度和光照强度强烈影响脂肪酸谱，而 NaHCO3、NaNO3、NH4Cl 及其相互作用影响与生物柴油相关的性质（Parichereh 等人，2026）。为了进一步提高这些生产率，兼性营养培养已成为一种优越的策略。通过使微藻能够同时进行光自养和异养，利用无机碳和有机碳，这种双重摄取模式显著加速了生物质增殖和脂质合成（Burkholder 等人，2008；Wan 等人，2011；Veerasamy 等人，2024）。利用兼性营养结合优化的环境参数可显著提高微藻生物燃料生产的总体效率（Pang 等人，2019）。
废水也可以同时用于微藻生长、藻类修复和脂质生产（Yirgu 等人，2023）。藻类修复是利用微藻从废水中去除或利用营养物质和其他污染物并产生生物质的过程（Emparan 等人，2020）。这种集成方法增强了生物燃料生产的可持续性，同时也有助于环境修复工作（Dayana Priyadharshini 等人，2021）。废水中的营养物质，如氮和磷，必须在排放到自然水环境之前去除（Dominic 和 Baidurah，2025）。这些营养物质可以在光合作用期间被微藻同化，转化为生物质。废水已被用于培养微藻，主要目的是去除营养物质（Hammouda 等人，1995；Lim 等人，2010）。最近关于在餐厅废水中生长的小球藻的研究报道，在去除化学需氧量 (COD)、生物需氧量 (BOD)、脂肪油灰 (FOG) 和营养物质的同时，产生了适合生物能源应用的生物质（Ahmad 等人，2025）。为了满足现代社会巨大的能源需求，通过光合作用生产生物能源需要大量水来培养微藻等光合生物（Peng 等人，2020）。幸运的是，微藻可以在多种水源中茁壮成长，包括废水、海水和淡水（Sheehan 等人，1998）。这种多功能性有助于生物燃料和其他有价值产品的可持续生产，同时协助废水处理，使微藻成为生物能源生产的有希望的候选者（Chai 等人，2021）。
该领域的当前现状揭示了两种研究途径之间的区别。定义的有机碳源提供了受控条件，以识别底物对微藻代谢的特异性效应，而复杂的废水更贴近工业条件，但含有混合碳水化合物、蛋白质、矿物质、有机酸和本土微生物。大多数研究分别评估这些方法，并且很少关注未灭菌的工业废水能否通过微藻与常住微生物群落之间的相互作用来优于纯化的碳底物。
这种区别很重要，因为灭菌会改变或破坏热敏感有机成分，并去除可能将复杂聚合物水解为微藻可接触化合物的微生物。
虽然优化目标生长条件仍然是提高生物燃料脂质含量的一条主要途径（Zhu 等人，2022），但对微藻在化学上不同的碳环境下的具体代谢反应需要更深入评估（Siddiki 等人，2022）。本研究调查了两种稳健的海洋菌株（小球藻和单细胞绿藻属）的兼性营养生长和脂质生产率，有意利用海洋分离株以最小化大规模培养相关的淡水足迹（Shahid 等人，2019）。为了清楚地阐述驱动脂质诱导的机制，我们设计了一种比较方法（Mansouri 等人，2022）。选择了一系列多样的定义碳源（涵盖从简单糖类到挥发性脂肪酸），以基于它们进入中央细胞代谢的不同入口点建立基线反应。为了缩小理想化实验室培养基与实际生物炼制应用之间的差距，我们将这些定义底物与两种截然不同的工业废水进行了基准比较（Purba 等人，2026）：骨胶废水（特征性地富含钙和矿物质）和甘蔗糖蜜废水（富含残余糖）。本研究的创新贡献包括：
•定义碳底物与化学复杂的工业废水之间脂质诱导的直接比较评估。
•战略性地利用未灭菌的骨胶和糖蜜废水，利用本土微生物协同代谢以增强脂质生成。
•证明在没有传统废水灭菌方案相关能耗成本的情况下，脂质产量有显著改善。

部分片段
菌株选择与文化条件
为了检查受控条件下的可扩展生物质和脂质生产，小球藻 BDUG91771 和单细胞绿藻属 BDUG100241 是从泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利巴巴蒂达斯大学国家微藻和蓝细菌库 (NRMC-M) 中分离出来的。选择这些菌株是基于内部筛选数据，显示它们在其他库菌株中具有优越的脂质生产能力以及高存活率 (NRMC-M，未发表数据)。
废水特征
表 2 中所示的选定废水被发现有对微藻生长至关重要的必需宏量元素和微量元素，得到了扫描电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱 (SEM-EDX) 配置的支持。该技术有效地识别废水的元素组成，确认了藻类培养所需营养物质的存在，如氮、磷以及各种微量元素如铁和镁 (Guldhe 等人，2017；
多变量相关性分析
所有实验均使用独立的生物学重复 (n = 3) 进行。主成分分析 (PCA) 被用来评估不同碳源对多元生化谱 (生物质、碳水化合物、蛋白质、色素和脂质) 的影响。对于小球藻，控制组和乙酸钠在自养条件下显示出稳定的光合色素。碳酸氢钠显示出强烈的负 PC1，表明直接无机碳
可持续培养实践
本研究的实验发现直接证明了将微藻培养与工业废物管理相结合的可行性和实用性。值得注意的是，与纯碳源相比，富含营养的未灭菌骨胶和糖蜜废水中观察到的显著脂质增强突显了主要操作优势。因为未灭菌废水在脂质诱导方面优于处理过的废水，大规模培养系统可能消除

结论
本研究评估了海洋微藻（小球藻 BDUG 91771 和单细胞绿藻属 BDUG 100241）在定义碳和废水环境下的兼性营养生长和脂质生产率。虽然纯碳源，如葡萄糖和甘油，支持了稳健的生物质生成 (2.7–6.1 g L?1)，但它们导致的脂质增强很小。值得注意的是，单细胞绿藻属表现出卓越的体积生产率 0.73 g L?1 d?1，显著优于之前报道的

CRediT 作者贡献声明
Vivek Neethirajan：写作 – 原始草稿，方法论，数据整理。Veeramurugan Veerasamy：正式分析。Hariprasath Ramesh：方法论。Dinesh Kumar Lakshmanan：可视化，验证。Prabaharan Dharmar：资金获取，概念化。Sivasudha Thilagar：写作 – 审阅与编辑，监督。

资金来源
本工作由印度生物技术部资助 (BT/PR29901/PBD/26/694/2018，日期 2021.03.10)，项目为“国家微藻和蓝细菌库的建立 – 第二阶段海洋”。作者 Dr. Prabaharan Dharmar 收到了项目资金支持。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的利益关系或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢印度泰米尔纳德邦巴巴蒂达斯大学国家海洋蓝细菌设施、UGC SAP 和 DST-FIST 在提供进行科研活动所需的设施方面给予的支持。

Vivek Neethirajan|Veeramurugan Veerasamy|Hariprasath Ramesh|Dinesh Kumar Lakshmanan|Prabaharan Dharmar|Sivasudha Thilagar
印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利巴巴蒂达斯大学环境生物技术系