《Algal Research》：Maximizing lipid productivity in
Spirulina platensis: Culture medium nitrogen interactions revealed by response surface methodology
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螺旋藻生物柴油生产中，五种培养基（Zarrouk、BG-11、BBM、Bristol、f/2）与氮胁迫梯度（N/Nbase=2至10）对生长动力学、脂含量及脂肪酸组成的影响被系统研究。响应面法显示Zarrouk在氮限制下生物量最高（2.29 g·L-1），而f/2在氮充足时脂质含量达37%且富含PUFAs（如C18:2、C18:3）。研究提出优化氮磷比与培养基组合可平衡生物量与脂质产量，并初步评估经济可行性，为规模化生产提供指导。
Malihe Barahoei | Reza Kasiri | Seyed Ehsan Feghhipour | Mohammad Sadegh Hatamipour
伊朗霍尔木兹甘大学化学与石油工程学院，班达尔阿巴斯
摘要
随着对可持续能源解决方案需求的增加，基于微藻的生物燃料再次受到关注，这得益于微藻快速的生长能力和脂质积累能力。本研究探讨了五种常用培养基（Zarrouk、BG-11、BBM、Bristol和f/2）以及不同氮压力水平对Spirulina platensis生长动力学、脂质含量和脂肪酸组成的影响。通过响应面方法（RSM）优化的实验设计显示，在氮限制条件下（N/Nbase = 2），Zarrouk培养基产生了最高的生物量浓度（2.29 g.L?1）；而在最高氮浓度条件下（N/Nbase = 10），f/2培养基获得了最高的脂质含量（37%）。此外，f/2培养基促进了多不饱和脂肪酸（PUFAs）的积累，尤其是C18:2和C18:3，从而提高了生物燃料的燃烧质量。相比之下，像Zarrouk这样的氮限制培养基则促进了饱和脂肪酸（SFA）的积累，使其具有更好的氧化稳定性。该研究确定了平衡生物量生产和脂质积累的最佳N/P比例，为特定生物燃料应用提供了定制的脂质组成。这些发现强调了营养物化学计量比和培养基选择在提高S. platensis脂质产量以生产生物柴油方面的重要性。本研究的独特之处在于它同时比较了五种广泛使用的Spirulina培养基在不同氮压力梯度下的表现，量化了培养基组成和N/P化学计量比如何共同决定脂质产量和脂肪酸组成，并将优化结果与初步的技术经济评估相结合。
引言
由于化石燃料的有限性和燃烧过程中产生的环境影响（尤其是温室气体排放），在当代社会利用化石燃料面临重大挑战。随着全球人口的快速增长，对可持续和可再生能源的需求变得更加迫切。因此，开发替代能源对于解决这些问题至关重要[1]。微藻作为一种有前景的第四代生物燃料原料，因其快速生长率、高光合作用效率以及能够积累大量适合生物燃料生产的脂质生化物质而受到重视[2]、[3]。与陆地作物不同，微藻能够高效利用营养物质和光能，为生物燃料合成提供了一个可持续的平台，同时不会与粮食生产竞争[4]。微藻中的脂质主要由饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸组成，对生物柴油生产特别有价值[5]、[6]。
尽管微藻生物燃料具有潜力，但其生产仍面临经济和技术障碍，主要原因是高昂的培养成本和脂质积累过程优化不足。为了克服这些限制，研究工作越来越集中在优化培养条件——特别是营养管理上，以提高生物量产量和脂质含量[7]、[8]、[9]。影响S. platensis生长和脂质积累的关键因素之一是氮的可用性。氮在微藻代谢中起着关键作用，它是氨基酸、核酸、叶绿素和脂质的基本组成部分[7]。通过限制或适当补充氮来调节氮的可用性，可以显著影响生长速率以及微藻的生化组成，包括脂质组成[10]。研究表明，氮过剩和氮限制都会显著改变细胞组成，通常会导致脂质积累增加。然而，Spirulina对氮压力的响应是复杂的，并且会因环境因素（包括培养基和氮浓度）而异[11]。
虽然氮缺乏已被广泛研究用于促进脂质积累，但在不同环境条件下氮压力的影响仍研究不足，尤其是在多种培养基中。尽管与Nannochloropsis等菌株相比，Spirulina的脂质含量较低，但由于其快速生长、低培养成本以及高价值的副产品（如蛋白质和色素）而具有吸引力[12]。然而，目前的理解主要集中在传统培养基上，尤其是专门为生物量生产设计的Zarrouk培养基，而这种培养基不一定针对脂质积累进行了优化。
以往关于微藻脂质的研究通常只关注一两种培养基和相对狭窄的氮供应范围，报告的脂质含量通常在干重的10–35%之间，并且往往只强调生物量产量或脂肪酸质量，而很少将两者结合起来进行综合研究[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。系统地比较几种广泛使用的Spirulina培养基，并结合广泛的氮压力梯度和统一的响应面框架的研究仍然很少。此外，S. platensis已经在大规模上进行营养保健品应用的研究，并被认为是一种有前景的生物燃料原料[18]、[19]；然而，对其脂质产量的研究通常没有考虑培养基配方、N/P化学计量比和盐度如何共同影响生长动力学、脂质产量和脂肪酸组成，或者这些因素如何转化为技术经济性能。为了解决这些空白，本研究（i）在广泛的氮压力梯度下比较了五种标准的S. platensis培养基（Zarrouk、BG-11、BBM、Bristol和f/2），（ii）采用中心复合设计（CCD）和响应面方法（RSM）来量化培养基类型和氮可用性对生物量积累、脂质含量（Y%）和脂肪酸组成的影响和相互作用，（iii）将优化结果与初步的技术经济评估相结合，强调了培养基选择和营养循环对Spirulina基生物柴油经济可行性的影响。通过使用在大量培养中表现出稳健性的S. platensis作为模型菌株，本研究旨在提供实际可行的指导，以调整培养基和氮制度，从而在保持理想生物燃料特性的同时最大化脂质产量。
部分摘录
微生物和培养基
在本研究中，S. platensis来自伊斯法罕大学的藻类库，并用于实验。为了探讨营养物质对脂质积累和微藻生长的影响，使用了五种标准培养基：Bold Basal Medium（BBM）、Zarrouk、BG-11、Bristol和f/2。每种培养基中使用的盐的组成见表1。
选择S. platensis作为模型生物，是因为它是栽培最广泛的微藻物种之一
结果与讨论
本研究旨在探讨氮压力对S. platensis生长和脂质积累的影响。“氮压力”指的是氮浓度偏离每种培养基基础水平的任何情况（N/Nbase ≠ 1）。N/Nbase < 1表示氮限制，而N/Nbase > 1表示氮富集。生理反应取决于这种相对氮供应以及绝对的N/P浓度和盐度。
结论
本研究强调了氮和磷管理在优化S. platensis生物柴油应用中的脂质产量和质量方面的关键作用。在五种测试的培养基中，Zarrouk在氮限制条件下支持最高的生物量产量，而f/2在氮富集条件下产生了最高的脂质含量（37%），并且富含PUFAs。这些对比结果突显了区分相对氮供应（N/Nbase）的重要性
资金来源声明
本研究未获得外部资助。所有工作均使用机构资源完成。
作者贡献声明
Malihe Barahoei：撰写——初稿、项目管理、调查、概念化。Reza Kasiri：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、正式分析。Seyed Ehsan Feghhipour：撰写——初稿、可视化、数据管理。Mohammad Sadegh Hatamipour：撰写——审阅与编辑、验证、监督、正式分析。
伦理声明
本研究不涉及人类或动物的实验，因此不需要伦理批准。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
这项工作由作者自行完成，未获得任何外部资助。
致谢
作者感谢伊斯法罕大学化学工程系和奥本大学生物系统工程系提供的必要资源支持。
