氮与温度协同调控下海洋微藻Isochrysis maritima与Chaetoceros constrictus生长及生化组分的优化研究

《Egyptian Journal of Aquatic Research》：Optimizing growth and biochemical composition in Isochrysis maritima and Chaetoceros constrictus: Manipulation of nitrogen and temperature

为优化微藻培养性能，提升水产养殖饲料营养价值，研究人员通过调控氮浓度(42、80、297 mg/L)和温度(15-32°C)，研究了其对Isochrysis maritima和Chaetoceros constrictus生长及生化组成的影响。结果显示，在氮浓度80 mg/L、温度25°C条件下，两种微藻的细胞密度、蛋白质、脂质及脂肪酸(包括PUFA)产量均达到峰值。该研究为水产饲料微藻的精准培养和品质提升提供了关键参数和理论支持。

　　

在蓝色经济的浪潮下，水产养殖为全球食品供应提供了重要支撑，而微藻则是支撑水产养殖，特别是鱼虾贝类育苗环节的“水下粮仓”。来自金藻纲的Isochrysis和硅藻纲的Chaetoceros等微藻，因其富含蛋白质、脂质和必需脂肪酸，常被用作水生动物幼体的开口饵料，甚至作为轮虫、卤虫等次级饵料生物的营养强化剂。然而，要将这些营养“金矿”从实验室的烧瓶成功转移到大规模生产池，却面临着一系列“水土不服”的挑战。其中，如何稳定、高效地控制微藻的生长速度，并定向调控其营养成分（例如提高有益健康的多元不饱和脂肪酸PUFA含量），是产业界和科学家共同关注的核心难题。环境因子，尤其是氮营养和温度，被认为是操纵微藻生命活动的两把关键“钥匙”，但这两把钥匙如何协同作用，对特定物种如Isochrysis maritima和Chaetoceros constrictus的生长与生化组成产生何种精细影响，此前尚缺乏系统研究。为了解决这一知识缺口，优化培养策略以生产出满足水产养殖需求的高品质微藻生物质，一项发表在《Egyptian Journal of Aquatic Research》上的研究对此展开了深入探索。

为开展研究，作者运用了几个关键技术方法：1) 受控培养与生长监测：在温度可控的生长箱中，设置不同氮浓度(42, 80, 297 mg/L NaNO₃)和温度梯度(15, 20, 25, 28, 32°C)，对两种海洋微藻进行为期18天的培养，并使用血球计数板定期监测细胞密度，计算特定生长率。2) 生化组分分析：收获稳定期的微藻生物质，通过冻干获得藻粉。采用Bradford法测定蛋白质含量，改良的氯仿-甲醇提取结合重量分析法测定总脂含量。3) 脂肪酸谱分析：通过原位酯交换结合气相色谱-火焰离子化检测(GC-FID) 技术，分析并定量微藻中的各种脂肪酸，包括饱和脂肪酸(SAFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)和包括α-亚麻酸(ALA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)在内的多不饱和脂肪酸(PUFA)。4) 元素组成分析：使用元素分析仪测定细胞碳(C)、氮(N)含量，并使用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES) 测定磷(P)含量。5) 统计分析：采用双因素方差分析(Two-way ANOVA) 及事后检验，评估氮和温度及其交互作用对各项指标的影响显著性。

生长性能

I. maritima和 C. constrictus的生长均显著受氮浓度和温度的共同影响。培养18天后，两种微藻均在25°C下达到最大细胞密度：I. maritima在氮浓度42和80 mg/L下为9.80 x 10⁶cells/mL，；C. constrictus在80 mg/L (25°C) 和297 mg/L (28°C) 下分别为9.96 x 10⁶cells/mL，。特定生长率在C. constrictus中受二者交互作用显著影响，两种藻均在80 mg/L氮和25°C时达到峰值（I. maritima: 1.37/天，C. constrictus: 1.44/天），。

细胞碳(C)、氮(N)、磷(P)含量

氮和温度的交互作用显著影响两种微藻的细胞C、N、P含量。对于I. maritima，细胞C、N、P的最高值分别出现在25°C下（C: 42 mg/L和297 mg/L氮时最高；N: 297 mg/L氮时，11.63 ± 0.26 pg/cell；P: 42 mg/L氮时，2.81 ± 0.12 pg/cell）。C. constrictus表现出相似趋势，细胞C、N、P含量也在25°C和特定氮浓度下达到最高。

蛋白质和脂质含量

蛋白质含量受氮和温度的主效应显著影响，但二者交互作用不显著。I. maritima和 C. constrictus的最高蛋白质含量均出现在20°C、80 mg/L氮条件下（分别为30.01 ± 3.65% 和 32.28 ± 6.25%）。脂质含量同样主要受氮和温度的主效应影响，交互作用不显著。I. maritima的最高脂质含量出现在297 mg/L氮、20°C条件下（25.34 ± 2.71%），而C. constrictus则在297 mg/L氮、25°C时脂质含量较高（24.16 ± 1.72%）。

脂肪酸含量

脂肪酸组成对培养条件更为敏感。在I. maritima中，氮和温度的交互作用显著影响了棕榈酸(C16:0)、油酸(C18:1n9c)、α-亚麻酸(ALA)和DHA的含量。其中，棕榈酸在80 mg/L氮、28°C时最高（19.95 ± 0.39%），油酸在297 mg/L氮、25°C时最高（28.37 ± 0.33%），ALA和DHA均在80 mg/L氮、20-28°C范围内达到较高值。在C. constrictus中，交互作用显著影响了棕榈酸和二十碳五烯酸(EPA)的含量。棕榈酸在80 mg/L氮、28°C时最高（15.54 ± 0.40%），而EPA在80 mg/L氮、28°C时达到峰值（14.43 ± 0.51%），成为该藻种最主要的PUFA。

研究结论与意义

本研究系统阐明了氮浓度和温度对两种重要水产饵料微藻Isochrysis maritima和Chaetoceros constrictus生长及生化组成的独立与协同调控作用。核心结论指出，氮浓度80 mg/L和温度25°C是同时优化两种微藻细胞密度、蛋白质、脂质及有益脂肪酸（如PUFA）产量的最佳组合条件。这证实了通过精细调控环境参数，可以实现微藻生物质“量”与“质”的双重提升。

其重要意义在于：首先，该研究为水产养殖业提供了可操作、高效的微藻精准培养方案，直接服务于高品质生物饵料的生产，有助于提升育苗成活率和幼苗健康。其次，研究揭示了微藻在氮充足时优先合成蛋白质（生长导向），而在特定温度下可能促进脂质和特定脂肪酸积累（储能/价值产物导向）的代谢权衡规律，这为通过“两步法”培养（先优化生长后诱导高值产物）提供了理论依据。最后，研究中关于EPA、DHA等长链PUFA的优化条件，不仅提升了微藻作为水产饲料的营养价值，也拓展了其在人类营养（功能性食品、保健品）和生物技术领域的应用潜力。总之，这项由Hidayu Suhaimi、Amirah Yuslan、Hee-Jin Kim、Einar Ring?和Nadiah W. Rasdi完成的研究，为实现微藻资源的高效、可持续利用，支撑蓝色经济和全球粮食安全，提供了关键的科学参数和实践指南。