不同光质下铜绿微囊藻产生物燃料的碳水化合物和脂质产量研究：探寻最佳光质提升原料产量

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Carbohydrate and lipid yield in Microcystis aeruginosa for biofuel production under different light qualities

为解决生物燃料原料问题，浙江农林大学研究人员探究不同光质对铜绿微囊藻（M. aeruginosa）影响，发现红光最佳，利于生产。

　　在当今时代，随着工业化进程的加速和人口的不断增长，人们的生活方式也发生了巨大改变，这一系列变化带来的是全球能源消耗的飞速上升。化石燃料作为目前主要的能源来源，正以惊人的速度被消耗着。据预测，按照当前的消耗速度，化石燃料将在未来 150 年内枯竭。不仅如此，化石燃料的大量使用还引发了温室气体排放、全球变暖等一系列严重的环境问题。为了应对这些威胁社会发展的挑战，生物燃料作为一种可再生且环保的能源，受到了全球科研人员的广泛关注。

生物燃料根据原料不同可分为三代。第一代生物燃料以粮食为原料，这不仅引发了与粮食生产的竞争，还需要大量的耕地、肥料和水资源；第二代生物燃料使用不可食用的木质纤维素材料，如稻草、作物废料等，但生产过程存在预处理不便、能耗高、产量低等缺陷；第三代生物燃料则以藻类生物质为原料，藻类生长速度快、二氧化碳同化效率高，且无需耕地，被视为极具潜力的可再生能源。

在众多藻类中，原核蓝藻在光合作用和生物质生产方面表现出色，部分蓝藻还能固定大气中的氮，降低培养成本，其简单的遗传背景也便于进行基因操作。铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）作为蓝藻中的典型物种，生长迅速，能积累大量生物质和脂质，其生产的生物柴油符合美国 ASTMD6751 标准，在生物燃料生产领域极具潜力。

然而，要实现铜绿微囊藻高效生产生物燃料，还面临着诸多挑战。光照作为藻类生长的关键因素，不同光质对藻类的生长、生物质积累和脂质形成有着重要影响，但目前对于铜绿微囊藻在不同光质下的生长规律及代谢机制，人们了解得还不够深入。为了填补这一知识空白，浙江农林大学的研究人员开展了一项具有重要意义的研究，相关成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，他们将处于对数中期的铜绿微囊藻（FACHB - 912）细胞接种到新鲜培养基中，分别在红（630 - 640nm）、蓝（456 - 466nm）、紫（424 - 432nm）、白（400 - 700nm）四种光质下进行培养。在培养过程中，利用血细胞计数板记录细胞数量，计算细胞密度以监测藻类生长情况；通过离心、冻干等操作测定细胞的干生物量，从而得出生物质含量。对于叶绿素含量的测定，研究人员将干燥的藻类细胞用 96% 乙醇提取叶绿素后，通过测定特定波长下的吸光度来计算。此外，还运用了叶绿素荧光分析、氧气电极法分别测定叶绿素荧光参数 ETo/RC 和氧气（O2?）释放速率，以此评估光合作用能力。在测定脂质和碳水化合物含量时，分别采用了特定的提取和检测方法。同时，研究人员还进行了转录组分析和实时荧光定量 PCR（qRT - PCR）分析，以探究相关基因的表达情况。

研究结果如下：

1. 不同光质下的生物质产量：与白光相比，紫光在 5 天内显著促进了铜绿微囊藻细胞的生长，蓝光则抑制了细胞生长，红光对细胞生长的促进作用较弱，但能使生物质含量达到最高水平。在培养 5 天后，红光下的生物质含量相比白光、紫光和蓝光分别增加了 41.1%、15.0% 和 99.2%。
2. 不同光质下的光合能力：红光能提高铜绿微囊藻的叶绿素含量，从培养第 1 天起，其叶绿素含量就高于白光处理组，而蓝光处理组的叶绿素含量则下降。同时，红光和紫光提高了 ETo/RC 和O2?释放速率，表明这两种光质有利于光合电子的产生和传递，促进了光合作用；蓝光则降低了这些指标，导致光合能力下降。
3. 不同光质下的碳水化合物积累：红光显著促进了铜绿微囊藻中可溶性、不溶性和总碳水化合物的积累。培养 5 天后，红光下的可溶性碳水化合物含量相比白光、紫光和蓝光分别增加了 60.4%、20.3% 和 93.0%，其可溶性碳水化合物生产率也显著提高。
4. 不同光质下的脂质积累：蓝光对铜绿微囊藻脂质含量的增加促进作用最大，但由于其导致细胞密度和生物质含量较低，限制了脂质产量。红光在培养第 5 天使脂质含量达到最高水平，且从第 3 天起脂质浓度最高，脂质生产率相比白光、紫光和蓝光分别增加了 2.6 倍、74.0% 和 1.7 倍。
5. 红光下光合作用相关基因表达：与白光相比，红光上调了铜绿微囊藻中与叶绿素生物合成、光合电子传递和二氧化碳（CO2?）固定相关的基因表达，如 gltX、hemB 等与叶绿素合成相关的基因，以及 psba、psbn 等与光合作用相关的基因，这些基因的上调有助于提高光合能力。
6. 红光下初级代谢相关基因表达：红光下调了糖酵解和三羧酸循环（TCA）中多个基因的表达，减少了糖类的降解，同时上调了与多糖、淀粉和脂肪酸生物合成相关的基因表达，如 gmd、glgB、accD 等，促进了碳水化合物和脂质的积累。

研究结论和讨论部分指出，与白光相比，红光通过提高叶绿素含量和促进相关基因表达，增强了铜绿微囊藻的光合能力。在红、蓝、紫三种光质中，红光对生物质积累、碳水化合物和脂质产量的促进作用最为显著，这主要归因于其高光合能力、初级代谢产物合成相关基因的上调以及糖降解相关基因的下调。因此，红光应是铜绿微囊藻积累碳水化合物和脂质的最佳光质，这一发现为生物燃料生产提供了更优的培养条件，有利于提高生物燃料的原料产量，在生物燃料领域具有重要的应用价值，为未来生物能源的发展提供了新的思路和理论依据。