多通道兼养培养揭示玛氏骨条藻冬季生态适应性及工业化利用潜力

       2024年《Physiologia Plantarum》杂志刊登了最 新的藻类研究成果：瑞典哥德堡大学的研究团队利用多通道藻类培养与在线监测系统、藻类叶绿素荧光仪、藻类光合放氧测量仪等仪器，成功揭示了海洋常见硅藻玛氏骨条藻Skeletonema marinoi（下文简写为S. marinoi）在北欧冬季条件下的生态适应性和工业潜力。研究发现：在冬季条件下玛氏骨条藻能够通过混合营养方式利用甘油等有机碳源显著提高其生物量产量，从而展现了其在恶劣环境中的生长潜力。这项研究不仅为揭示微藻在极端气候条件下的生物适应性提供了新的视角，而且对于微藻在生物技术和环境修复领域（废水处理、生物固碳等）的应用具有重要的指导意义。

这项研究的实验过程可总结为以下三个阶段：

阶段 1初步筛选培养

       首先，研究人员选取了具有高生产力潜力的S. marinoi本地菌株Sm142作为培养和研究对象。在预培养之后，使用了多通道藻类培养与在线监测系统模拟了冬季环境条件（40μmol photons m⁻² s⁻¹、5°C），对不同有机碳源（甘油、葡萄糖和醋酸）添加条件下的S. marinoi进行持续培养，并通过测量光密度、叶绿素荧光和生物质浓度来追踪微藻的生长。

 图1 不同有机碳源添加条件下（Photo：光养；Mixo (gly)：添加10 mM甘油的混合营养；Mixo (glu)：添加10 mM葡萄糖的混合营养；Mixo (ace)：添加2.07 mM醋酸的混合营养）A：S. marinoi的叶绿素a荧光增长曲线B：生物量产量（显示甘油显著提高了S. marinoi的生物量）C：使用多通道藻类培养与在线监测系统培养最 后一天的照片（显示了混合营养的藻液颜色比光养的对照组更深，意味着更高的生物量或色素含量）D：显微成像（显示甘油可能促进了细胞聚集）

阶段2 生理检测

       培养过程中，研究人员使用藻类叶绿素荧光仪测量了诸如Fv/Fm（最 大光量子产量）、NPQ（非光化学淬灭）和ETR（电子传递速率）等叶绿素荧光参数；使用藻类光合测量仪测定了光合速率和呼吸速率，从而综合评估了不同碳源添加对Sm142的生理学影响。

       叶绿素荧光参数方面：尽管不同有机碳源添加下进行混合营养的S. marinoi的Fv/Fm和ETR保持一致，表明光系统II的效率没有受到显著影响，但与醋酸条件和光养对照条件相比，NPQ在第10天时在甘油和葡萄糖条件下显著降低。这表明在利用甘油和葡萄糖作为碳源时，S. marinoi可能通过减少能量耗散来调节光合作用和暗呼吸过程中的能量分配。

       藻类光合参数方面：结果显示甘油添加条件下的净光合速率和光养对照条件相当，但暗呼吸速率显著升高。表明在利用甘油时，S. marinoi细胞的呼吸活动增强，这与观察到的生物量增加相一致。

结合两方面的数据：S. marinoi在异养条件下，尤其是在有甘油作为碳源时，其光合生理反应和代谢活性发生了变化，这些变化有助于提高其在冬季条件下的生长和生物量生产。

图2 S. marinoi在不同有机碳源添加条件下的光合作用参数A最 大量子产量（Fv/Fm）；B电子传递速率（ETR）；C非光化学淬灭（NPQ）。其中NPQ显示出显著差异，表明不同有机碳源下玛氏骨条藻能量耗散程度不同

 图3 甘油添加对S. marinoi净光合速率和呼吸速率的影响。表明S. marinoi在利用甘油时，既维持了光合作用活性，又增强了呼吸活性

阶段 3 培养条件优化

在第三阶段，研究团队进一步在光生物反应器中模拟瑞典西海岸的冬季条件，以优化大规模培养的条件。他们比较了仅用空气、添加甘油和空气、用富含CO2的空气以及添加甘油和富含CO2的空气四种不同条件对Sm142生长的影响。实验结果表明，添加甘油和CO2富集空气的组合条件能显著提高Sm142的生物量生产力，与仅用空气的培养条件相比，生物量产量实现了倍增，这为工业规模的微藻培养提供了优化的培养条件。

图4 S. marinoi在自制光生物反应器模拟瑞典冬季条件下的异养生长效果。A实验所用的光生物反应器系统的外观。B用空气、添加甘油和空气、用富含CO2的空气以及添加甘油和富含CO2的空气等四种不同条件下S. marinoi的生长曲线。C 四种不同培养条件下的生物量生产力。结果显示，无论是仅用富含CO2的空气或是同时添加甘油和富含CO2的空气的培养条件，其生物量生产力均显著高于仅通入空气的光养条件。

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参考文献

Villanova, V. et al. (2024) ‘Unveiling the ecological resilience and industrial potential of Skeletonema marinoi through mixotrophic cultivation in Nordic winter condition’, Physiologia Plantarum, 176(3), p. e14308.