从嗜碱微藻的三方共生态系统中获得的见解：一项在模拟户外池塘条件下的案例研究

《Algal Research》：Insights from a tripartite co-culture of alkaliphilic microalgae: A case study under simulated outdoor pond conditions

本研究评估了耐碱蓝细菌Cyanobacterium sp. PNNL-SSL1、绿藻Chlorella sorokiniana SLA04和硅藻Nitzschia inconspicua GAI339共培养策略对生物质产量的影响。结果表明，共培养系统在光照和温度模拟条件下，生物量日产量与单种培养相当（约10 g/m2·d），且稳定性更高。夜间呼吸损失达25%，提示需优化培养条件以减少呼吸损耗。该研究首次系统表征了耐碱多藻种共培养的生长特性与产率，为大气CO?捕获提供了新思路。

　　

Song Gao|Sridhar Viamajala|Agnieszka Pinowska|Michael Huesemann

美国华盛顿州塞奎姆市西塞奎姆湾路1529号，太平洋西北国家实验室海洋与海岸研究实验室，邮编98382

摘要

由具有互补特性的物种组成的浮游植物群落能够促进自然水体中的生物量增长。同样，在利用微藻进行废水处理时，多种物种的混合使用可以提高生物量产量和培养稳定性。本研究评估了共培养策略的可行性，以提升生物量生产力，从而应用于直接捕获空气中的二氧化碳（CO₂）。在一系列温度和光照强度条件下，对三种快速生长的嗜碱微藻菌株的光合作用和呼吸速率进行了研究：蓝细菌Cyanobacterium sp. PNNL-SSL1、绿藻Chlorella sorokiniana SLA04以及硅藻Nitzschia inconspicua GAI339。随后，在模拟户外池塘条件的气候模拟光生物反应器中进行了共培养实验。结果表明，混合培养的生物量生产力与单一培养相当，约为10克/平方米/天（10?g?m^{?2?1），但在日间生长稳定性方面表现更好。夜间呼吸作用消耗了白天产生的大量生物量，这表明有必要减轻黑暗条件下的呼吸损失。尽管混合培养中各物种的相对丰度会随时间变化，但没有一个物种显示出濒临灭绝的迹象。这是首次对特定嗜碱微藻混合培养的生长和生产力进行特征描述的研究，并展示了菌株兼容性的积极结果。需要在更广泛的培养条件下进一步研究，以优化混合培养设计，提高生产力并实现长期培养稳定性。}

引言

微藻是一类通过利用太阳能和无机碳产生生物量的光合微生物。来自微藻的生物量和生物产品具有在能源、农业、健康和化工行业中的广泛应用潜力[1],[2],[3]。然而，大规模微藻培养面临的主要挑战是碳的供应问题。由于二氧化碳（CO₂）向培养基中的传递速率较低，大气中的CO₂浓度不足以实现高生物量生产力，而CO₂的运输成本也显著增加了生产成本[4]。因此，微藻培养通常需要靠近CO₂来源，例如燃煤电厂。

为了利用大气中的CO₂来生产藻类生物量，研究人员探索了在碱性介质中培养嗜碱菌株的方法。通过维持较高的pH值（例如pH > 10），可以显著提高CO₂的传递速率。例如，Cyanobacterium sp. PNNL-SSL1在开放式跑道池塘中无需添加浓缩CO₂即可达到15.2克/平方米/天的生产力[5]；绿藻Chlorella sorokiniana SLA04仅使用大气中的CO₂即可实现超过16克/平方米/天的生产力[6]；硅藻Nitzschia inconspicua GAI337在模拟户外池塘条件下的光生物反应器中表现出高达约42克/平方米/天的生物量生产力[7]。尽管取得了这些成功案例，但进一步提高生物量生产力对于降低生产成本仍然至关重要[8]。

结合多种微藻物种具有实现更好生物量生长的优势。在废水处理中，微藻混合培养比单一培养显示出更高的稳定性和生产力[9],[10],[11]。具有互补特性的物种组合有助于更有效地利用资源并增强对压力因素的抵抗力[12],[13]。在浮游植物群落中，物种多样性会积极影响生物量生长速率，不同的物种丰富度会在不同温度条件下带来更高的生长速率[14]。具有不同光吸收光谱的物种共培养可以促进更有效的光利用，从而提高整体生物量生长[15],[16]。上述菌株SSL1、SLA04和GAI337分别属于不同的类群：SSL1是蓝细菌，SLA04是绿藻，GAI339是硅藻。蓝细菌和硅藻拥有独特的辅助光合色素，如藻蓝蛋白和岩藻黄质，这些色素参与光能的吸收[17],[18],[19]。因此，这些菌株具有不同的光吸收特性（见图S1）。通过共培养，一种菌株未利用的光可以被另一种菌株利用，从而提高整体光利用效率和生物量产量。

除了光合作用外，黑暗周期中的呼吸作用也会显著影响微藻的生物量生产力。在跑道池塘中，Nannochloropsis oculata在夜间的呼吸作用约占白天生长速率的25%[20]。在户外培养中，超过30%的白天生物量可能因夜间呼吸作用而损失[21]。在混合培养中，物种组成会随着生长条件的变化而动态变化[22]。鉴于呼吸作用和光合作用速率之间的正相关关系，白天快速生长的菌株比例增加可能会导致夜间呼吸损失增加[23],[24]。因此，选择合适的菌株对于避免过度呼吸并确保混合培养中的高生物量生产力至关重要。

本研究的目的是评估嗜碱蓝细菌、绿藻和硅藻菌株的混合培养是否能在直接捕获空气中的CO₂应用中提高生物量生产力。首先，在不同光照强度和温度条件下测量了各个菌株的光合作用和呼吸速率。在确认不同菌株在光照和温度最佳条件下的互补性后，这些菌株在模拟真实户外池塘条件的气候模拟光生物反应器中以单培养、双培养和三培养模式进行培养。在培养期间，测量了每个光照和黑暗周期的生物量浓度和呼吸损失。据作者所知，尚未有关于碱性条件下呼吸损失量化的研究。最终，通过多天的生物量生产力来比较不同物种组合对生长的影响。同时监测了混合培养中各个菌株的种群变化，以显示物种组成的动态变化。

菌株介绍

本研究中培养了三种不同的嗜碱微藻菌株：蓝细菌Cyanobacterium sp. PNNL-SSL1、绿藻Chlorella sorokiniana SLA04和硅藻Nitzschia inconspicua GAI339。Cyanobacterium sp. SSL1和C. sorokiniana SLA04是从华盛顿州 Soap Lake 分离得到的[5],[6]；N. inconspicua GAI339则来源于夏季户外培养的分离株，其母株GAI337最初是从某个岛屿分离得到的

光合作用速率与光照和温度的关系

对于这三种菌株而言，光合作用速率与光照强度的关系曲线呈现出一致的模式——随着光照强度的增加而增加，直到达到饱和点（见图2）。在评估的五个温度水平下，大多数菌株的饱和点大约出现在1000微摩尔/平方米/秒（1000?μmol?m^{?2?1）。在35°C的高温条件下，N. inconspicua GAI339的培养出现了光抑制现象（见图2d），而Cyanobacterium sp. SSL1和C. sorokiniana SLA04的培养则没有}

结论

浮游植物群落中的物种多样性对水生生态系统的生产力有积极影响。不同微藻物种的组合可以提高生物量生产力并保持培养稳定性。本研究评估了通过共培养两种或三种具有利用大气中CO₂生产生物量能力的嗜碱菌株来提高生物量生产的潜力。这些菌株在光吸收等特性上具有互补性

CRediT作者贡献声明

Song Gao：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。Sridhar Viamajala：撰写与编辑、资金筹集。Agnieszka Pinowska：撰写与编辑、方法论设计。Michael Huesemann：撰写与编辑、指导工作、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由美国能源部生物能源技术办公室（U.S. Department of Energy – Bioenergy Technologies Office）资助，项目编号为DE-EE0009676。美国政府或其任何机构及其员工不对所披露的信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或实用性作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任或责任；同时不保证其使用不会侵犯任何私有权利。