《Algal Research》：Integrated biorefinery of
Limnospira (Arthrospira) platensis: Recycling cultivation medium and biosorption of endocrine disruptors from water
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微藻循环培养与生物吸附应用研究：利用蓝藻L. platensis在两次培养周期中循环培养基，减少水和营养消耗，同时生物质在第二周期作为吸附剂高效去除水体中的环境雌激素17α-ethinylestradiol（EE2），吸附容量达251.28μg/g，验证了循环生物经济模式在可持续污水处理中的可行性。
作者列表：
Alenne Prince Junqueira de Moraes
Camylle Guimar?es Scheliga
Yollanda Carolina da Silva Ferreira Van?ato
Cláudia Maria Luz Lapa Teixeira
André Luís de Sá Salom?o
实验室信息：
微藻生物技术实验室，化学与生物技术部，国家技术研究所（INT）
地址：Av. Venezuela, 82, 房间716，里约热内卢，RJ，20081-312，巴西
摘要
基于微藻的系统日益被视为生产高价值生物产品的可扩展平台，同时能够解决水污染问题，包括新兴污染物。然而，大规模生产往往受到高运营成本的限制。本研究评估了蓝细菌Limnospira (Arthrospira) platensis在两个连续培养周期中的生物量生产情况，其中第一个周期的培养基被回收用于第二个周期。培养基的回收减少了淡水和营养物质的投入，而不会影响生物量的生产力。两个周期的生物量均含有较高的蛋白质（第一周期为59.8±1.9%；第二周期为52.6±2.0%）和碳水化合物（分别为29.3±1.8%和39.0±2.4%），支持多种增值途径。第一周期的生物量适用于高价值应用，如营养保健品；而第二周期的生物量被评估为一种低成本的生物吸附剂，用于去除17α-ethinylestradiol（EE2），这是一种在水生生态系统中常见的伪持久性内分泌干扰物。在30 μg·L?1的浓度下，使用0.6 g·L?1的生物量，7小时内实现了约70%的EE2去除率。动力学符合伪二级模型（R2 = 0.98），平衡数据符合Freundlich等温线，最大吸附能力为251.28 μg·g?1。这些结果表明，培养基的回收可以同时减少资源消耗，并实现生物量的级联增值，提供了一种符合循环经济原则和可持续三级废水处理的方法。
引言
Limnospira（旧称Arthrospira，通常被称为Spirulina）platensis是一种具有显著商业价值的蓝细菌，因其含有高蛋白质（干重的50–70%）、必需氨基酸、多不饱和脂肪酸（特别是γ-亚麻酸）、维生素（尤其是B12）和矿物质[1]。它是商业上最重要的微藻之一，占全球总生物量的30%以上[2]。L. platensis广泛用于人类营养领域，作为膳食补充剂和健康促进产品的成分[3]，以及天然色素的应用[4]。
多年来，L. platensis的应用已扩展到营养保健品领域之外，包括化妆品[5]、制药[6]、生物肥料[7]和生物修复中的生物吸附剂[8]，显示出其作为多功能、高价值生物技术资源的地位[3]。然而，大规模微藻生物量生产的经济可行性仍然具有挑战性，特别是对于附加值较低的产物，如生物燃料或生物吸附剂。因此，降低生产成本的策略对于提高工艺可行性至关重要。
高效用水对于可持续的微藻培养至关重要，因为每生产一公斤生物量所需的水足迹可能超过1.56立方米[9]，[10]。营养管理是另一个主要成本因素，因为大量营养物质在收获生物量后仍留在培养基中，增加了废水处理系统的负担[11]。在连续培养周期中回收培养基已成为减少淡水消耗和营养输入成本的一种有前景的方法。大规模成本分析表明，营养物质可能占总运营支出（OPEX）的49%，每年约为1700万美元[12]。因此，培养基的回收具有显著潜力，可以在生物精炼框架内减少水足迹并大幅降低总体生产成本。
然而，培养基再利用对生长和生化组成的影响因物种特异性生理、培养条件、生物量收获技术以及代谢副产物的积累而异[13]。因此，必须根据具体情况评估培养基的回收，同时考虑生物量的表现和产品的预期用途，因为培养基中的残留化合物可能影响其质量和特定用途的适用性。
大多数先前的研究都集中在使用新鲜接种物的回收培养基上，而没有评估避免持续重新接种的策略的长期稳定性。这一限制引发了人们对这类系统在连续或半连续培养模式下的可扩展性的担忧[14]。为了解决这一问题，本研究评估了使用含有L. platensis细胞的残留滤液作为后续培养周期的接种物和回收培养基的可行性。这种方法符合循环经济原则，减少了水消耗和废物产生，同时最小化了营养输入。该研究还评估了在这些资源高效培养条件下工业相关生物化合物（如色素、蛋白质、脂质和碳水化合物）的积累情况。
此外，本研究还探讨了在回收培养基中培养的L. platensis生物量作为废水中有害物质（尤其是合成激素17α-ethinylestradiol（EE2）的生物吸附剂的应用。EE2是一种在水生生态系统中频繁检测到的内分泌干扰物，能够抵抗传统的废水处理过程，并对生态和人类健康构成重大风险[15]。即使在微量浓度（μg·L?1）下，EE2也能改变性别分化，延迟性成熟，并抑制水生生物的次级性特征[16]。其化学稳定性和亲脂性使其具有持久性和生物累积性，并有可能通过食物链传递[17]，[18]。这些因素凸显了有效去除策略的必要性。
本研究首次展示了基于微藻的系统作为污染物去除的可持续替代方案的潜力，通过整合培养基回收（无需添加新鲜接种物）和随后使用所得生物量进行吸附。与之前分别研究培养基再利用或生物吸附的方法不同，本研究在一个操作框架内同时评估了这两种策略，从而直接将培养的可持续性与下游修复性能联系起来，推动了循环经济和生物精炼概念的发展。
研究片段
微生物和接种物维护
L. platensis蓝细菌来自弗鲁米嫩塞联邦大学（UFF）的海洋生物学系。该菌株在根据George[19]提出的配方改良的Zarrouk培养基中培养。接种物最初在含有300毫升培养基的500毫升Erlenmeyer烧瓶中制备。培养物在连续光照下（600 μmol·m?2·s?1）下维持7天，使用转速为150 rpm的轨道摇床，在室温25±2°C下进行。
在试点规模光生物反应器中L. platensis的生长和生物量生产力
通过仅依赖过滤后悬浮液中的L. platensis细胞来评估无需添加新鲜接种物的培养基再利用的可行性。这一策略导致第二个培养周期开始时种群结构发生变化，特征是较短且卷曲程度较低的丝状体占主导（图2），这与Depraetere等人的先前观察结果一致[33]。
结论
本研究证明L. platensis可以在结合培养基和生物量回收的策略下进行培养，同时在连续培养周期中保持较高的生产力，从而减少对淡水、营养物质和新鲜接种物的需求。这些结果支持了基于微藻的废水生物精炼厂闭环运行的技术潜力。
从回收培养基中产生的生物量观察到的生化变化表明其功能价值...
CRediT作者贡献声明
Alenne Prince Junqueira de Moraes：撰写 – 原始草稿、方法学、研究、概念化。
Camylle Guimar?es Scheliga：撰写 – 原始草稿、研究。
Yollanda Carolina da Silva Ferreira Van?ato：撰写 – 原始草稿、研究。
Cláudia Maria Luz Lapa Teixeira：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。
André Luís de Sá Salom?o：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。
致谢
本研究得到了里约热内卢州Carlos Chagas Filho研究支持基金会（FAPERJ，资助编号E-26/201.396/2022）和国家科学技术发展委员会（CNPq，编号304634/2025-5）的支持。作者感谢弗鲁米嫩塞联邦大学（UFF）的海洋生物学系提供L. (Arthrospira) platensis菌株，以及UERJ的LABIFI和LIETA分别提供的色谱和元素分析服务。
