光温调控下Galdieria yellowstonensis的高可塑性：生物技术应用潜力与机制解析

《Algal Research》：Exposure to different light and temperature regimes reveals high plasticity in Galdieria cultures

本研究针对高温环境下微藻培养易受温度波动影响的关键问题，系统探究了嗜热嗜酸红藻Galdieria yellowstonensis CCMEE 5587.1在混合营养模式下对光强（0–400 μmol·m?2·s?1）、恒温（30–50°C）及昼夜温差（30–45°C、35–50°C）的生理响应。结果表明，该藻在200 μmol·m?2·s?1光强和35–45°C恒温条件下可获得1.72 g·L?1·d?1的峰值生物量生产力，且能耐受短期50°C高温冲击。其藻蓝蛋白产量达80 mg·L?1·d?1，大分子组成稳定性突出，为高温地区微藻产业化提供了抗逆性种质资源。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，微藻因其能够生产食品、饲料、高价值化合物（如色素蛋白）乃至潜在生物燃料而备受关注。然而，大规模培养面临严峻挑战：在光照强烈的地区，封闭式光生物反应器内温度可能飙升至50°C以上，远超多数微藻20–30°C的最适生长范围，导致生产力下降甚至培养失败。此外，光照强度、温度与光周期之间的相互作用，特别是昼夜温度变化和光暗循环对微藻生长的影响，仍有许多未知。

为解决上述问题，研究人员聚焦于一类特殊的嗜热嗜酸红藻——Galdieria属。这类微生物能在超过50°C的高温、pH 0.5–4的强酸性环境以及高渗透压下生长，并能够利用超过50种碳源，展现出非凡的代谢灵活性。其中，Galdieria yellowstonensis CCMEE 5587.1（分离自美国黄石国家公园Nymph Creek，该溪流温度在37–52°C之间波动）因其产高价值蓝色色素蛋白——藻蓝蛋白（Phycocyanin）的能力而具有重要的生物技术应用前景。藻蓝蛋白不仅具有显著的抗氧化特性，已被美国FDA批准作为食用色素，其所在藻体还能积累高质量蛋白质和高支链α-葡聚糖。

本研究旨在系统探索不同光照和温度 regime 对G. yellowstonensis CCMEE 5587.1混合营养生长、大分子组成和色素生产的影响，特别是藻蓝蛋白的产量，以期评估其在高温环境下规模化应用的潜力。相关研究成果发表在《Algal Research》上。

为开展研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：使用气泡柱光生物反应器进行批次培养，系统控制温度（恒温与波动温度）和光照（强度与光周期）；通过重力法测定生物量（干重），利用YSI生化分析仪和比色法分别监测葡萄糖和铵盐消耗；采用改良的Bligh-Dyer法提取总脂，气相色谱分析脂肪酸甲酯；通过元素分析（氮含量×6.25）估算蛋白质，酚硫酸法测定碳水化合物，马弗炉灰化法测灰分；综合运用冻融循环、涡旋、超声破碎法提取色素，紫外-可见分光光度法测定藻蓝蛋白、叶绿素a和总类胡萝卜素含量。所有实验均设三次重复，并使用方差分析和Tukey检验进行统计学差异分析。

3.1. 恒定温度对Galdieria yellowstonensis生长、大分子组成和色素生产的影响

通过在不同恒定温度（30, 35, 40, 42, 45, 50°C）下培养，发现G. yellowstonensis在35–45°C范围内生长最佳，最大生物量浓度（X_max）达7.76–8.19 g·L^-1，最大比生长速率（μ_max）为0.640–0.712 d^-1。30°C时生长显著降低（X_max= 1.45 g·L^-1），50°C时几乎不生长。大分子分析显示，蛋白质含量在35–45°C最高（64.09–67.41%），50°C时碳水化合物含量相对升高，可能为胁迫响应。脂质含量在各温度下稳定（6.68–7.11%）。脂肪酸组成随温度变化，低温（30°C）促进多不饱和脂肪酸（如C18:3n3）积累，高温则增加饱和脂肪酸（如C16:0）比例，以适应膜流动性需求。色素方面，叶绿素a、类胡萝卜素和藻蓝蛋白含量在40–42°C最高，50°C时急剧下降。藻蓝蛋白生产率在40–45°C最高。这表明该藻株具有明确的温度适应范围，其代谢物积累受温度显著调控。

3.2. 光强对生长、大分子组成和色素生产的影响

在42°C下测试不同光强（0, 50, 100, 200, 300, 400 μmol·m^-2·s^-1）的影响。结果显示，在200 μmol·m^-2·s^-1时获得最大生物量浓度（10.65 g·L^-1）和生物量生产率（1.72 g·L^-1·d^-1）。光强提升至400 μmol·m^-2·s^-1并未导致光抑制，但藻蓝蛋白含量在200 μmol·m^-2·s^-1后下降。异养（0光强）和低光强下蛋白质和色素含量较低。脂质含量在400 μmol·m^-2·s^-1时略有增加（8.68%），可能为光胁迫响应。脂肪酸谱显示，高光强下C18:3n3减少而C18:2增加。藻蓝蛋白生产率在200 μmol·m^-2·s^-1达到峰值（80 mg·L^-1·d^-1），显著高于常见螺旋藻报道值，凸显其混合营养下的高产优势。

3.3. 温度波动和光周期的影响

模拟自然昼夜温度波动（30–45–30°C 和 35–50–35°C）并结合光周期（24:0 h 和 12:12 h）进行研究。在35–50–35°C循环下，即使出现3小时50°C高温峰值，藻株仍能维持较高生长（X_max≈ 5.60–6.03 g·L^-1, μ_max≈ 0.742–0.780 d^-1），显著优于30–45–30°C循环。光周期（12小时黑暗）对生长和大分子组成无显著影响，表明其在混合营养下能利用葡萄糖补偿光能不足。与恒定温度相比，温度波动条件下脂质含量略有增加，蛋白质含量稍低，藻蓝蛋白含量低于恒定42°C培养，但类胡萝卜素含量在高温波动下升高，可能起光保护作用。这证明了G. yellowstonensis对剧烈温度波动和光周期变化具有强大的适应力。

综上所述，本研究系统揭示了Galdieria yellowstonensis CCMEE 5587.1对环境因子（光、温）的高度可塑性。其最佳生长温度窗口为35–45°C，光饱和点约在200 μmol·m^-2·s^-1，并能耐受短期极端高温（50°C）和剧烈的昼夜温度波动。藻蓝蛋白生产力在优化条件下媲美甚至超越传统生产菌株。这些发现不仅深化了对极端微生物环境适应机制的理解，更重要的是为在热带、亚热带等高温地区利用露天或简易控温系统进行Galdieria的规模化培养提供了坚实的理论依据和种质资源，显著降低了温控能耗，提升了微藻生物技术在高热环境下的经济可行性与应用潜力。