基于气体平衡分析的微藻培养生长监测与淀粉储存评估工具开发

本研究针对微藻生物燃料生产中碳储存分子（如淀粉和TAGs）实时监测难题，开发了一种基于气体平衡分析的三室化学计量模型。通过间接测量净氧生产率(rO2)，实现了对氮限制条件下Chlamydomonas reinhardtii生长动力学和碳储备积累的在线评估，为微藻培养过程控制提供了创新性监测工具。

　　

微藻作为"绿色细胞工厂"，在生物燃料、食品和医药领域展现出巨大潜力。然而，要实现工业化应用，必须解决一个关键瓶颈：如何实时监测微藻细胞内的能量分子动态变化？传统检测方法如高效液相色谱(HPLC)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)等虽精确但耗时费力，无法满足过程控制需求。特别是在氮限制条件下，微藻会启动"代谢开关"，将光合产物从生长转向储存淀粉和三酰甘油(TAGs)，这一复杂转变亟需新型监测工具。

法国原子能署等机构的研究人员创新性地将气体平衡分析技术引入微藻培养监测，开发出基于氧代谢的三室化学计量模型。该研究以模式生物Chlamydomonas reinhardtii为对象，通过两批渐进式氮限制培养实验，建立了连接净氧生产率(r_O2)与碳储存的动态关联模型，相关成果发表在《Algal Research》上。

研究采用的关键技术包括：1)光生物反应器(PBR)在线气体分析系统，实时监测O₂/CO₂交换；2)三室模型构建（催化生物量/细胞结构组分、淀粉和TAGs）；3)氮限制条件下的代谢通量分析；4)基于r_O2的间接测量方法验证。

【Studied microalgae, culture media and inoculum preparation】
选用Chlamydomonas reinhardtii 137 AH野生型菌株，在氮限制培养基中进行批次培养。该藻株因其显著的淀粉和脂质积累能力被选为研究对象。

【Compartment stoichiometric model】
开发的三室模型将生物量分为结构组分、淀粉和TAGs三个代谢池，通过化学计量关系将r_O2与各组分积累速率关联。模型创新性地采用动力学项描述氮限制引发的代谢转换。

【On-line indirect measurement of r_O2 by gas analysis】
气体分析显示，r_O2在生长期随氮吸收而升高，峰值达1.6 mol O₂·m^-3·h^-1；氮耗尽后r_O2下降，与淀粉积累阶段对应。不同培养批次间的差异反映了培养条件的动态响应。

【Conclusion】
该模型成功预测了总生物量、氮吸收和淀粉积累趋势，验证了气体平衡分析作为实时监测工具的可行性。研究突破在于：1)无需复杂光谱设备，仅通过常规气体分析实现代谢监测；2)克服了传统光驱动模型对色素变化的敏感性；3)为规模化培养的过程控制提供了新思路。

讨论部分指出，虽然模型在实验室规模验证有效，但在更复杂的环境条件下（如混合营养培养或工业级PBR）仍需进一步验证。该方法的价值在于将成熟的发酵工业监测理念创新性地应用于光合微生物系统，为微藻生物技术的过程优化开辟了新途径。特别是对淀粉优先积累型藻株的监测具有独特优势，这对以碳水化合物为目标的生物精炼过程尤为重要。