气泡柱生物反应器中耐酸绿藻门微藻的筛选与代谢产物生产潜力评估：面向工业规模应用的系统筛选研究

本研究针对微藻工业化应用中菌株间变异性的挑战，通过气泡柱生物反应器（PBR）半连续培养28株耐酸绿藻门（Chlorophyta）微藻，系统评估其生长动力学、氮吸收及代谢产物积累特性。研究发现菌株呈现两类典型行为：多数菌株遵循生物量/硝酸盐吸收的线性关系，而部分菌株（如Chlorella vulgaris ACUF 058和Chloroidium saccharophilum ACUF 050）表现出异常氮同化模式，分别对碳水化合物和蛋白质生产具有突出潜力。该研究建立了连接实验室筛选与工业可行性的系统方法，为优化微藻生物工艺的规模化应用提供了关键数据支撑。

　　

微藻作为可持续生物过程的明星候选者，凭借其CO₂固定能力和高价值代谢产物生产能力备受关注。然而，菌株间的巨大变异性成为工业化放大的“阿喀琉斯之踵”——全球年产5万吨的微藻产业中，Chlorella和Arthrospira虽占据主导地位，但多数菌株仍受限于高培养成本、光限制和污染风险。更棘手的是，传统批次培养无法模拟工业条件，而现有研究过度集中于少数模式菌株，忽视了极端环境菌株的代谢潜力。如何从海量微生物资源中挖掘兼具高生产力和环境适应性的工业菌株？意大利研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究给出了系统性解决方案。

研究团队采用气泡柱光生物反应器（PBR）半连续培养系统，对28株源自酸性环境（pH<3）的绿藻门菌株进行标准化筛选。关键技术包括：1）基于Algal Collection of Naples（ACUF）保藏的极端耐受菌株库筛选；2）优化光强（80-250 μmol_photon m^-2 s^-1）和CO₂供应（2% v/v）的差异化培养策略；3）通过氧电极法测定最大光合速率；4）建立生长动力学与硝酸盐吸收的数学模型；5）采用冻融-机械破碎联用技术进行代谢产物定量分析。

3.1 微藻培养与监测
研究发现所有菌株在pH 6.7-7.6范围内保持稳定生长，通过2-3天的培养周期实现稳态。值得注意的是，Viridiella fridericiana菌株在培养基更换后24小时内即恢复生长，而其他菌株普遍存在生长滞后期。这种差异揭示了菌株对氮代谢调控的独特适应性。

3.2 动力学分析
通过μ_X-μ_NO3^-相关性分析，菌株被分为两类：约80%菌株符合Y'_X/N=7.21的线性模型（R²=0.78），而6株“异常菌株”呈现显著偏离。其中ACUF 058等3株表现出“高生长-低氮吸收”（HBgr-LNur）特性，蛋白质含量仅20-25%；相反，ACUF 189等3株显示“低生长-高氮吸收”（LBgr-HNur）模式，暗示其可能将氮转向存储而非生长。

3.3 代谢产物生产力
Chlorella vulgaris ACUF 058以37%碳水化合物含量脱颖而出，而Chloroidium saccharophilum ACUF 050凭借0.3 g/L·d的蛋白质生产力成为最佳候选。研究首次报道极端环境菌株Pseudococcomyxa simplex的色素合成规律：所有菌株叶绿素/类胡萝卜素比值稳定在4 g/g，但绝对含量分化为高（1%/0.3%）和低（0.4%/0.1%）两档，这种分化与光照适应性相关。

这项研究构建了从实验室到工业的菌株筛选桥梁，其创新性体现在三方面：首先，突破传统局限于Chlorella等模式菌株的筛选策略，首次系统评估极端环境菌株的工业潜力；其次，建立的半连续培养动力学模型可准确预测工业场景下的生产力；最后，发现的高碳水化合物菌株ACUF 058为生物燃料生产提供了新选择。正如作者强调的，未来研究应结合基因组学手段解析氮代谢调控网络，并开发基于机器学习的高通量筛选平台，进一步推动微藻生物精炼的产业化进程。