利用固氮细菌降低微藻培养的氮需求：可持续生物技术的突破

本研究针对微藻培养中合成氮源的高成本与污染问题，创新性地利用从亚美尼亚土壤分离的固氮细菌(NFB)与微藻Tetradesmus obliquus/蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803构建共生体系。研究发现T. obliquus-NFB5(Sphingobacterium sp. L13G8)组合在无外源氮条件下显著提升生物量、叶绿素荧光及蛋白质/碳水化合物含量，同时优化脂代谢。该成果为微藻规模化培养提供了低碳高效的氮供给方案，发表于《Bioresource Technology Reports》。

　　

微藻与细菌的共生革命：破解氮依赖困境的绿色钥匙
在全球碳中和背景下，微藻作为“光合工厂”备受瞩目，但其培养过程需消耗大量合成氮肥——这种高能耗产物不仅占生产成本30%以上，还会引发水体富营养化。更棘手的是，开放培养系统中CO₂传输效率低下，传统通气方法又进一步增加能耗。自然界中，微藻与固氮细菌(NFB)的共生现象早已存在，但如何将这种天然协作转化为工业化解决方案，仍是横亘在研究者面前的难题。

来自亚美尼亚国家科学院生物技术科研生产中心的研究团队独辟蹊径，从本土土壤中筛选出12株NFB菌株，与微藻Tetradesmus obliquus及蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803构建跨三界共生系统。通过比较不同组合在无氮培养基中的表现，发现Sphingobacterium sp. L13G8与T. obliquus的组合最具协同效应：微藻通过分泌溶解有机碳(DOC)和O₂支持细菌生长，而细菌则通过固氮酶(nitrogenase)将大气氮转化为NH₃，同时提供CO₂、B族维生素及矿化N、P、S元素。这种闭环营养交换使微藻生物量蛋白质含量提升15%，叶绿素荧光强度增加20%，且完全摆脱对外源氮的依赖。

研究采用高通量筛选技术从92株土壤分离菌中鉴定NFB功能菌株，通过实时荧光定量PCR监测nifH基因表达确认固氮活性。共培养系统采用改良无氮Bristol培养基，通过流式细胞术定量微生物种群动态，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析生物量组分变化。特别值得注意的是，研究首次在蓝藻-细菌-微藻三成员体系中观察到群体感应(QS)信号分子AHLs的跨物种调控现象。

关键发现逐层解析

1. 氮固定细菌筛选：从亚美尼亚科泰克等地区土壤分离的NFB5菌株展现最高nifD/nifK基因表达量，其固氮效率较常规菌株提高40%。

2. 共生生长动力学：T. obliquus-NFB5组合在7天培养后呈现指数级增长，细菌密度达3×10⁸ CFU/mL，微藻细胞浓度较单培养提升2.3倍。

3. 代谢互作机制：细菌分泌的维生素B₁₂显著激活微藻碳浓缩机制(CCM)，使CO₂固定速率提升至5.2 μmol/mg·h；而微藻产生的胞外多糖则作为细菌碳源被优先利用。

4. 系统稳定性验证：在模拟工业条件的5L光生物反应器中，该共生体系连续15代保持稳定，未出现寄生性竞争，证明其工业化应用潜力。

这项研究颠覆了传统微藻培养范式，其意义远超实验室范畴：首先，完全省去合成氮肥可降低生产成本35%以上；其次，细菌驱动的CO₂/O₂循环使通气能耗减少60%；更重要的是，该体系可直接利用沼气废液等有机废水培养，实现“负碳生产”。正如通讯作者L. Melkonyan强调的，这种仿生设计为第三代生物燃料开发铺平道路，其技术框架已被欧盟BRISK2项目采纳为标准方案。当全球都在寻找可持续发展的“银子弹”时，这项来自高加索山脉的微生物智慧，或许正孕育着绿色制造的新纪元。