普通小球藻（Chlorella vulgaris）生长与生化成分的相关性分析，用于绿豆生物肥料的制备

《Bioresource Technology Reports》：Correlative analysis of Chlorella vulgaris growth and biochemical composition for biofertilizer application in mung bean

微藻生物肥料对绿豆生长的影响及优化研究，通过鸡粪（10% v/v）、pH 3.0±0.5和160 μmol/m2/s光照条件实现1.42 g/L生物量及32.4%脂质含量。田间试验表明0.10 g/mL剂量显著提升发芽率及 shoot、root 长度16-20%，过量抑制垂直生长。研究系统评估营养源、浓度、pH及光照对微藻生产的影响，并验证其作为生物肥料的剂量效应机制。

　　

Xin Yi Choong | Man Kee Lam | Yee Ho Chai | Revathi Raviadaran | Inn Shi Tan | Jibrail Kansedo | Henry Chee Yew Foo | Adrian Chun Minh Loy

马来西亚霹雳州Seri Iskandar市PETRONAS理工大学化学工程系，邮编32610

摘要

微藻衍生的生物肥料为化学肥料提供了一种可持续的替代方案。本研究优化了普通小球藻（Chlorella vulgaris）的生物量生产，并评估了其作为绿豆（Vigna radiata）生物肥料的效果。通过参数分析研究了营养源、浓度、pH值和光照强度对生物量产生的影响。结果表明，鸡粪是更优的营养来源，其生物量产量比羊粪高出181%。最佳培养条件为鸡粪占比10%（v/v），pH值为3.0±0.5，光照强度为160 μmol m^?2 s^?1，此时生物量产量达到最大值1.42 g/L，脂质含量为32.4%。在生物肥料应用实验中，发现Chlorella vulgaris的施用量对植物具有明显的剂量依赖性：较高施用量（0.60 g/mL）可显著增加叶面积（48.5%），但同时导致植株垂直生长受阻，这可能表明在高剂量下存在营养失衡或抑制作用；相反，较低施用量（0.10 g/mL）则显著促进了种子发芽和植株营养生长，表现为茎和根的长度分别比对照组增加了约16–20%。这些结果表明，来自农业废弃物的微藻生物质在适当施用剂量下可作为有效的生物肥料，促进植物生长而不会产生不良影响。

引言

在未来几十年里，实现农业可持续性对于维护全球粮食安全至关重要。随着食物需求的增加、集约化农业实践带来的环境问题以及气候变化的不确定性，迫切需要开发和实施可持续的方法来保障和提高农业生产力（Alvarez等人，2021年）。虽然化学肥料在提高作物产量方面发挥了重要作用，但其过度和长期使用导致了严重的环境问题，如养分利用效率低、土壤有机质流失和酸化（Cui等人，2022年）。为了解决这些问题，含有有益微生物的生物肥料作为一种可持续且环保的替代品受到了越来越多的关注（Kumar等人，2022年）。 传统生物肥料主要由促进植物生长的根际细菌（PGPR）或真菌（如Rhizobium和Azotobacter）组成，其主要通过固氮、磷溶解或微量营养素释放等生物过程来提高土壤中的养分可用性（Aloo等人，2022年）。相比之下，基于微藻的生物肥料由单细胞光合微生物构成，它们直接提供氮（N；约6–8%）和磷（P；约1–3%），这些养分通过矿化过程逐渐释放到土壤中（Zhang等人，2024年）。此外，微藻还能产生具有生物活性的化合物（次级代谢物），抑制植物病原体（如细菌和真菌），从而促进植物整体健康和生长（Dineshkumar等人，2019年）。通过光合作用，微藻吸收大气中的二氧化碳，并将其转化为植物可利用的氮、磷和钾等养分（Ammar等人，2022年）。通过改善土壤健康和肥力，基于微藻的生物肥料成为传统化学肥料的一种可持续且环保的替代品（Khan等人，2018年；Osorio-Reyes等人，2023年）。 然而，尽管在优化微藻培养策略方面取得了进展，但实现高生物量浓度仍然是一个关键挑战，这往往导致生产力不足和整体产量低下。此外，关于基于微藻的生物肥料应用的研究相对较少，特别是在系统评估施用量、植物反应机制以及在实际农艺条件下的表现方面。为了评估基于微藻的生物肥料的农艺潜力，选择了绿豆（Vigna radiata L.）作为模型作物，因为它生长周期短，对环境条件反应敏感。绿豆是一种在亚洲广泛种植的主要豆类作物，具有巨大的经济价值，全球市场价值超过44.9亿美元（Research and Markets，2024年）。它富含植物蛋白（21%–33%）和必需的微量营养素（Huppertz等人，2023年；Hou等人，2019年）。随着全球对可持续蛋白质来源需求的增长，改进绿豆的栽培策略以提高其生产力已成为农业优先事项。 本研究的新颖之处在于它采取了全面的方法来克服以往研究的局限性。尽管有许多研究探讨了提高微藻生长以用于生物肥料应用的策略，但大多数研究仅关注了有限的几个变量（通常少于三个），从而限制了对多种环境因素之间相互作用的理解，例如营养浓度（Fabregas等人，1984年）、pH值（Difusa等人，2015年）和光照强度（Metsoviti等人，2019年）。此外，与传统生物肥料相比，微藻作为生物肥料的应用仍缺乏系统性的研究，尤其是在评估施用量-反应关系和田间条件下的最佳施用频率方面（Cao等人，2023年；Ronga等人，2019年）。通过采用替代的栽培策略（包括半连续操作和在培养过程中使用生物刺激剂），可以进一步提高微藻的生产力（Kapoore等人，2021年）。 为了解决这些不足，本研究通过考察四种关键因素（营养类型、营养浓度、pH值和光照强度）来研究Chlorella vulgaris的生长情况，以确定能够最大化生物量产量和生化质量的变量组合。这种方法提供了对多种变量之间相互作用及其对微藻生产力影响的更全面理解。随后，将收获的微藻生物质应用于绿豆作为测试作物，以评估基于微藻的生物肥料的农艺效果。通过评估种子发芽、早期营养生长和植株整体发育情况来确定该生物肥料的有效性。这些研究结果可为微藻在农业中的实际应用提供宝贵见解，特别是有助于推广减少对化学肥料依赖的可持续农业实践。

纯微藻菌株及培养条件

本研究使用了来自马来西亚科学大学的Lee Keat Teong教授提供的Chlorella vulgaris野生型菌株。微藻在Bold's Basal Medium（BBM）中培养和维护，该培养基包含大量营养素（10 mL/L培养基中含有25 g/L NaNO?、2.5 g/L CaCl?·2H?O、7.5 g/L MgSO?·7H?O、7.5 g/L K?HPO?和2.5 g/L NaCl），以及微量营养素（1 mL/L培养基中含有50 g/L EDTA（无水）和31 g/L...

营养类型的影响

在马来西亚，由于集约化农业活动，鸡粪、羊粪和腐殖质是广泛使用的有机肥料。这些材料易于获取且因其独特的NPK营养成分而常被应用，能够满足不同植物的生长需求。因此，Chlorella vulgaris生长研究的初始阶段旨在确定最适合微藻培养的营养来源。

结论

本研究优化了Chlorella vulgaris的培养方法，并评估了其作为生物肥料的效果。参数分析表明，当鸡粪占比10%（v/v），pH值为3.0±0.5，光照强度为160 μmol m^?2 s^?1时，可获得最大生物量产量1.42 g/L和脂质含量32.4%，FT-IR分析进一步证实了这一结果。在生物肥料应用中，观察到施用量的影响：较高施用量（0.40–0.60 g/mL）...

作者贡献声明

Xin Yi Choong：撰写初稿、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构建。 Man Kee Lam：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请。 Yee Ho Chai：撰写、审稿与编辑。 Revathi Raviadaran：撰写、审稿与编辑、项目监督。 Inn Shi Tan：撰写、审稿与编辑。 Jibrail Kansedo：撰写、审稿与编辑。 Henry Chee Yew Foo：撰写、审稿与编辑。 Adrian Chun Minh Loy：撰写、审稿与...

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢马来西亚高等教育部（MOHE）通过HICoE Grant（项目编号015MA0-177）和PETRONAS理工大学基金会（项目编号015PBC-058）提供的资金支持。