昆虫粪砂提取物与草蛋白加工废液作为微藻培养替代培养基：对生长、光合性能、生化组成及温室气体排放的影响

《Cleaner and Circular Bioeconomy》：Insect frass and grass protein effluents as alternatives to conventional growth media in microalgae cultivation: impacts on growth, photosynthetic performance, biochemistry and greenhouse gas emissions

　　

本研究评估了昆虫粪砂提取物（insect frass extract, IFE）和草蛋白加工废液（grass protein effluent, GPE）替代常规培养基用于微藻培养的可行性，并采用筛选型生命周期评价（life cycle assessment, LCA）比较了基于IFE的培养基与Conway培养基的温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。研究人员选用两种淡水微藻（Chlorella vulgaris、Chlorella sorokiniana）和两种海水微藻（Tetraselmis suecica、Phaeodactylum tricornutum），测定其生长、光合性能、脂质含量及脂肪酸（fatty acid, FA）组成。结果表明，在补充铁（Fe）后，IFE能够支持所有测试微藻物种生长，且不改变其生长速率、光合性能或总脂质含量；然而，对高浓度IFE的耐受性具有物种依赖性并受光强影响。相反，GPE对微藻生长具有抑制作用。与常规Conway培养基相比，基于IFE的培养基的GHG排放更高，但敏感性分析显示该结果对关键参数不敏感。

**论文解读：昆虫粪砂提取物作为微藻培养替代培养基的综合评估**

**一、研究背景与问题**

欧盟和挪威将食品与饲料的循环生产视为实现可持续目标的关键路径。挪威动物生产高度依赖饲料进口，尤其是水产养殖业几乎完全依赖进口原料，2020年鱼饲料中仅8%的原料产自挪威，新型原料（昆虫粉、单细胞蛋白、微藻等）占比仅0.4%且无本地生产。挪威大部分地区不适于耕作，但草原面积广阔，草蛋白的氨基酸谱与大豆蛋白相近，然而高纤维含量使其难以被单胃动物消化。通过将草分浆并提取蛋白质，可产生富含营养的草加工废液（GPE，即“褐色汁液”）。同时，昆虫生产产生的粪砂（frass）是蜕皮、粪便和剩余饲料的混合物，富含大量和微量营养素，目前主要作为肥料出售。此前仅有极少量研究探索GPE或昆虫粪砂提取物（IFE）作为微藻培养基，且未涉及海水微藻、脂质组成或温室气体（GHG）排放。微藻是未来水产饲料的重要蛋白和脂质来源，但生产成本高。因此，利用富含铵态氮（NH₄-N）的工业侧流替代商业培养基，既能降低微藻生产成本，又能提高循环性。本研究旨在系统评估IFE和GPE对淡水及海水微藻的适用性，并通过筛选型生命周期评价（LCA）比较其与常规培养基的环境影响。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员选用两种淡水绿藻（Chlorella vulgaris、Chlorella sorokiniana）和两种海水微藻（Tetraselmis suecica、Phaeodactylum tricornutum），开展小规模筛选和中试规模培养，测定生长速率、光合性能、脂质含量、脂肪酸谱，并结合筛选型LCA评估GHG排放。核心结论包括：添加铁（Fe）后，IFE可支持所有测试物种生长，且生长速率、光合性能和总脂质含量与对照培养基相当；GPE则对微藻生长具有抑制作用；高浓度NH₄-N会降低生长速率，但提高光强可缓解毒性；培养于IFE会改变某些脂肪酸的比例，例如P. tricornutum的二十碳五烯酸（EPA）含量显著升高；基于IFE的培养基GHG排放高于常规Conway培养基，但敏感性分析显示影响有限。

**三、关键技术方法**

昆虫粪砂由挪威Invertapro AS提供（来自黄粉虫Tenebrio molitor生产），草样于2022年8月17日采自挪威Tr?ndelag的M?resmyra（63.941540, 11.413233），包含梯牧草、黑麦草、红三叶草和草地羊茅。IFE通过水提、高压灭菌（120°C，20 min）和离心制备；GPE由草经双螺旋压榨获得绿汁，再加热（60°C）沉淀蛋白后取上清。化学组成采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定。小规模生长实验在24孔板中进行，以体内叶绿素a荧光（IVF）作为相对生长指标；中试培养采用1 L气泡柱光生物反应器。光合性能通过PAM荧光仪测定F_v/F_m、最大相对电子传递速率（rETR_max）、最大光能利用系数（α）和光饱和指数（E_k）。总脂提取采用Bligh-Dyer法，脂肪酸甲酯经气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析。GHG计算采用基于Ecoinvent v3.8数据库的筛选LCA，并分别用质量分配和经济分配处理昆虫粪砂与虫粉的共产品分配。

**四、研究结果**

**3.1 IFE和GPE含有微藻生长所需的全部化学元素**
化学分析表明，IFE和GPE均含有标准微藻培养基中的所有必需营养元素和痕量金属，但浓度和比例不同。两者总氮均远高于无机氮（NO₃^-和NH₄⁺）之和，其中NH₄-N为主要无机氮形态。两种提取液均呈深棕色，吸收光谱显示其富含有色溶解性有机物（cDOM），在紫外和蓝光区有强吸收。

**3.2 IFE能支持小规模微藻生长，但添加铁是避免缺绿的必要条件**
在24孔板筛选中，不额外添加Fe时，Chlorella物种出现黄化（缺绿），T. suecica仅发生2–3次细胞分裂；添加Fe后，所有物种在IFE中的生长与对照培养基相当。GPE对三种微藻普遍抑制或仅有微弱、不稳定的生长，即使添加Fe也仅对C. sorokiniana和T. suecica有部分改善。因此后续实验集中研究IFE。

**3.3 不同IFE/NH₄-N浓度和光强对微藻生长速率的影响**
在添加Fe的条件下，不同物种在三个NH₄-N浓度（10、25、50 mg N/L）和两种光强（60、350 μmol photons m^-2 s^-1）下培养。总体趋势为：指数期细胞分裂速率随NH₄-N浓度升高而降低，随光强升高而增加。高浓度NH₄-N在低光下完全阻止P. tricornutum分裂，但对C. vulgaris和T. suecica无此极端效应。高光强可部分缓解高NH₄-N的抑制作用。HEPES缓冲对多数条件无显著影响，仅对P. tricornutum在高NH₄-N和高光下有助缩短滞后期。

**3.4 中试规模培养**
在1 L气泡柱反应器中，C. vulgaris和P. tricornutum在添加Fe的IFE中生长良好，其生长曲线和光合效率（F_v/F_m）与Conway对照相似。C. vulgaris在不加Fe的IFE中表现出严重缺绿和F_v/F_m持续下降，无法获得足够生物量进行脂质分析。所有IFE培养物均呈现浑浊外观，显微镜确认存在大量细菌。

**3.5 IFE对光合性能的影响**
在添加Fe的IFE中培养的P. tricornutum和C. vulgaris，其PSII效率（F_v/F_m）、α、rETR_max和E_k与对照无显著差异；而不加Fe的C. vulgaris的rETR_max显著降低，表明缺Fe导致光合电子传递链受损。

**3.6 IFE对脂质含量和脂肪酸组成的影响**
总脂含量（%干重）在IFE与对照之间无显著差异。但脂肪酸谱发生改变：P. tricornutum在IFE+Fe中EPA（C20:5n3）相对含量较对照升高近40%，同时C16:0和C16:1降低；C. vulgaris以α-亚麻酸（ALA, C18:3n3）为主，但IFE培养使ALA含量降低。

**3.7 两种培养基GHG排放比较**
针对1000 m³培养基的筛选LCA显示，由KNO₃和Na₃PO₄组成的Conway营养盐的全球变暖潜势低于基于IFE的培养基（无论采用质量分配还是经济分配）。敏感性分析表明，即使昆虫生产电力消耗从基线增加约9倍，总GHG排放仅增加10.6%，不影响主要结论。

**五、讨论总结**

研究表明IFE优于GPE，可能原因是GPE中的酚类化合物等抑制物或营养形态不可利用；但也无法排除稀释度差异的影响。昆虫粪砂批次间的微量营养素波动显著，需要监测并调整Fe等关键元素。高NH₄-N抑制生长与物种耐受性相关，高光强可能通过提供更多能量和碳骨架促进NH₄-N同化（GS-GOGAT循环）而缓解毒性。IFE中含有大量溶解性有机碳（DOC），刺激细菌繁殖，可能影响生物量质量和规模化稳定性，但混合培养也可能通过细菌矿化有机氮持续供应NH₄-N。从GHG角度看，IFE并未带来减排优势，但考虑到磷资源供应风险和价格波动，IFE在循环经济背景下仍具有战略价值。

**六、研究结论翻译**

来自昆虫生产的副产物粪砂，以其提取物IFE的形式，被证明是一种对淡水和海水微藻物种均表现良好的培养基；但可添加到培养基中的IFE浓度取决于物种的耐受水平和光照条件。确保基于IFE的培养介质中含有足够的Fe，是为微藻提供最佳生长条件的关键。相比之下，草加工副产物GPE对微藻生长具有抑制作用。尽管IFE作为微藻培养基性能优异，但大规模培养可能面临以下挑战：由高浊度和着色导致的培养液光穿透受限、较高IFE浓度对微藻生长的抑制作用，以及可利用有机碳源促进细菌大量生长。筛选型LCA分析表明，使用IFE替代标准培养基不会导致显著更高的排放。在未来循环经济背景下，以及当养分获取受限或成本增加时，利用IFE进行循环微藻生物质生产可能是有益的。