一种将废弃物转化为价值的综合生物工艺：采用两阶段培养方法，在水培废水中培养Limnospira platensis（螺旋藻），并通过第二阶段的光照调控实现可持续的生物质增值

《Bioresource Technology Reports》：An integrated waste-to-value bioprocess: Two-stage Limnospira ( Spirulina) platensis cultivation in hydroponic effluent with second-stage light regulation for sustainable biomass valorization

螺旋藻在废水中两阶段光调控培养高效产色素与脂类，实现废水处理与高值生物资源协同获取。

　　

瓦吉波恩·马尼乔特（Wageeporn Maneechote）|瓦苏·帕托姆-阿里（Wasu Pathom-aree）|本贾马斯·切尔西尔普（Benjamas Cheirsilp）|皮鲁恩蓬·斯里蒙科尔（Piroonporn Srimongkol）|关雄库（Kuan Shiong Khoo）|西拉西特·斯里努安潘（Sirasit Srinuanpan）

泰国清迈大学微生物多样性与可持续利用卓越中心，清迈，50200

摘要

本研究开发了一种将废物转化为价值的综合生物工艺，采用两阶段培养策略来培养Limnospira（Spirulina）platensis菌株BSF，该菌株在水培废水中生长，并通过第二阶段的光照调节来提高生物量的价值。在第一阶段，Spirulina在100%的水培废水中添加25%的BG-11培养基的条件下培养8天，随后在控制的光照波长（蓝光、红光、白光和绿光LED）和强度（80–200 μmol/m²/s）下进行2天的诱导阶段。通过0.15 L至1.5 L和15 L的光生物反应器进行台架规模验证，评估了生物量生产、营养物质去除、藻蓝蛋白（PC）含量、脂质积累以及下游价值化潜力。120 μmol/m²/s的红光LED产生了最高的生物量浓度（5.10 g/L）和藻蓝蛋白含量（5.39 g/100 g DW），且提取纯度（1.55）符合食品级应用标准。脂质积累达到15.39 g/100 g DW，主要为C16–C18脂肪酸，使得这种生物量既适合生物柴油转化也适合作为营养成分。扩大到15 L规模后，生物量浓度仍保持较高（4.91 g/L），生产力损失仅约为8.8%，并且氮（COD）去除效率约为90%，硝酸盐去除效率约为80%，铵去除效率约为84%，磷酸盐去除效率约为77%。不同规模下的二氧化碳（CO₂）固定率均保持在较高水平，达到842–923 mg/L/天。总体而言，结果表明，两阶段、光照调节的Spirulina培养方法能够有效修复水培废水，同时产生富含色素和脂质的生物量，适用于综合生物精炼，进一步增强了其在循环经济中的应用潜力。

引言

全球人口的快速增长以及工业和农业活动的加剧导致了严重的环境问题，尤其是产生了大量富含营养物质的废水（Maneechote等人，2025a）。其中，水培废水是一个日益突出的环境问题（Pekkoh等人，2024）。现代无土农业系统虽然用水效率高，但其排放物中含有极高的硝酸盐和磷酸盐浓度。如果未经处理直接排放到自然水体中，这些废水会引发一系列生态退化现象，主要是通过富营养化作用。这一过程会促进有害藻类的繁殖，消耗溶解氧，形成缺氧的“死亡区”，导致水生生物无法生存（Sriket等人，2024）。然而，从循环经济的角度来看，这些废水流不仅仅是污染物，而是未开发的化学能量和营养物质资源（Sriket等人，2025a）。将微藻培养与废水处理相结合，即“废物转化为价值”的生物工艺，具有双重效益：既能通过生物修复达到严格的环境标准，又能同时将废物转化为高价值的生物量（Sriket等人，2025b；Pekkoh等人，2024）。这种范式转变通过为营养保健品、制药和生物燃料行业提供可再生原材料，支持了可持续生物经济的发展（Pekkoh等人，2024）。因此，水培废水是一种富含营养物质且毒性相对较低的废水，使其成为循环经济框架下微藻生物质生产的理想培养介质（Kawatra等人，2025）。

Limnospira platensis（以前称为Arthrospira或Spirulina）是全球最具商业价值的蓝细菌之一，因其营养成分丰富而受到重视，其干重中蛋白质含量可高达70%，含有必需的γ-亚麻酸以及强效的生物活性色素藻蓝蛋白（PC）（Zin等人，2025a；Zin等人，2025b）。传统上，Spirulina的生产依赖于昂贵的、高碱性的合成培养基，如Zarrouk's培养基，这大大限制了其大规模经济可行性，因为化学投入成本较高（Maneechote等人，2025a）。因此，最近的研究转向使用替代的低成本培养基，如水培废水，以降低运营成本（Sriket等人，2024；Maneechote等人，2025a；Maneechote等人，2025b；Sriket等人，2025a；Sriket等人，2025b）。采用废水作为培养基可将生产成本降低多达30%，同时符合全球回收氮和磷的可持续性要求（Zamfirescu等人，2024）。尽管如此，仍存在一个关键的生物学瓶颈：“生产力与代谢产物的权衡”。在标准单阶段培养中，快速细胞增殖所需的高营养物质浓度往往会抑制负责次级代谢产物合成的代谢途径（Yadav等人，2025）。在非胁迫条件下，Spirulina优先进行初级生长，而脂质等储存化合物和类胡萝卜素等保护性色素的积累通常只在环境胁迫下才会发生（Maneechote等人，2025a；Maneechote等人，2025b；Yadav等人，2025）。

光照强度和光谱质量是调节蓝细菌代谢流的最重要因素之一（Maneechote等人，2025b）。除了作为光合作用的能量来源外，光照还作为调控信号，控制碳的分配、氮的吸收以及光合装置内的色素组织（Kareya等人，2020）。然而，科学界对于最有效的光照胁迫策略仍存在分歧。一些研究提倡持续的高光照暴露，通过产生活性氧（ROS）来促进脂质积累，并激活三酰甘油（TAG）合成途径（Wahidin等人，2013；Udayan等人，2023），而另一些研究则警告过度光照会超出光系统II（PSII）的修复能力，导致色素降解、细胞漂白和生物量损失（Luimstra等人，2018；Yu等人，2023）。

为了解决这些限制，本研究提出了一种综合的废物转化为价值的生物工艺，采用了两阶段的Spirulina培养系统。这种方法旨在利用蓝细菌的代谢可塑性，将生物量生长与代谢产物诱导在时间上分离。在第一阶段，优化培养条件以最大化从水培废水中回收的细胞密度和营养物质，从而有效修复废水并生成坚实的生物量基础。在第二阶段，通过控制光照强度和光谱质量进行有针对性的光照调节，作为非侵入性的代谢刺激。通过在初级生长阶段之后改变环境信号，可以将碳流重新导向所需生物活性化合物的积累，而不影响整体生物量生产力。这种分离阶段的策略旨在同时提高营养物质去除效率并提升收获生物量的商业价值，为大规模蓝细菌价值化提供了一种技术先进且可持续的方法。

因此，本研究的主要目标是评估在水培废水中培养的Spirulina BSF的修复性能，并系统评估第二阶段光照调节对生物量质量的影响。具体来说，本研究旨在：（1）研究不同光照波长（蓝光、红光、白光和绿光LED）和强度（80、100、120、150和200 μmol/m²/s）对生长动力学和关键生化成分（包括PC和脂质）分配的影响；（2）通过将培养规模从0.15 L扩大到15 L的光生物反应器（PBR）来评估工艺的可扩展性；（3）量化氮和磷的去除效率以及二氧化碳（CO₂）去除效率，以评估该系统作为农业废水处理和温室气体减排的独立解决方案的可行性；（4）评估所得生物量作为营养保健品、制药和生物燃料原料的多功能性。总体而言，这些目标旨在展示一个可扩展、成本效益高且环境友好的平台，将废水修复与先进的生物工艺工程相结合，从而为全球向循环经济的转型做出贡献。本研究创新地将水培废水价值化与可扩展的两阶段Spirulina BSF培养策略相结合，其中第二阶段采用波长和强度可控的LED光照调节，将生物量生长与代谢产物诱导分离，实现了废水修复、藻蓝蛋白纯度、脂质富集和工艺可扩展性的同时优化。

部分内容摘录

蓝细菌菌株

本研究使用的蓝细菌是Limnospira platensis菌株BSF（简称Spirulina BSF），是一种丝状蓝绿藻。Spirulina BSF菌株来自泰国清迈大学理学院生物系的藻类和蓝细菌研究实验室。为了制备接种物，将400 mL的BG-11培养基分配到500 mL的Erlenmeyer烧瓶中，并通过空气泵以0.1 L/min的流速持续通入空气。

通过第二阶段光照调节提高Spirulina BSF的性能

本研究采用两阶段培养策略，评估了光照波长对Limnospira platensis BSF（以下简称Spirulina BSF）生长和代谢产物合成的影响。在第一阶段（8天），培养物在含有100%水培废水和25% BG-11培养基的优化BG-11培养基中，在蓝光LED（80 μmol/m²/s）下生长。随后，培养物在不同颜色的LED光（蓝光、白光、红光和绿光）下继续生长

结论

本研究展示了一种利用富含营养的水培废水生产食品级Limnospira（Spirulina）platensis的废物转化为价值的生物工艺。两阶段培养策略结合有针对性的光照调节，将生物量生长与代谢产物诱导分离，实现了高生产力和增值成分的积累。虽然蓝光LED由于诱导的碳分配到储存化合物中而促进了更高的脂质积累，但红光LED

CRediT作者贡献声明

瓦吉波恩·马尼乔特（Wageeporn Maneechote）：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化处理，软件应用，项目管理，调查，数据分析，数据整理。瓦苏·帕托姆-阿里（Wasu Pathom-aree）：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。本贾马斯·切尔西尔普（Benjamas Cheirsilp）：写作 – 审稿与编辑，资金获取。皮鲁恩蓬·斯里蒙科尔（Piroonporn Srimongkol）：写作 – 审稿与编辑，资金获取。关雄库（Kuan Shiong Khoo）：写作 – 审稿与编辑。西拉西特·斯里努安潘（Sirasit Srinuanpan）：写作 – 审稿与编辑，

资助

该项目由清迈大学基础基金2026资助，项目编号为CMU Research MIS R68IN00717，NRIIS项目编号为4826367，ORIIS项目编号为214498，以及泰国国家研究委员会（NRCT）根据合同编号N42A680491资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了清迈大学的支持，部分得到了朱拉隆功大学的支持。瓦吉波恩·马尼乔特博士获得了清迈大学Proactive Researcher计划的支持，合同编号为586/2567（职位编号EX010171）。皮鲁恩蓬·斯里蒙科尔博士和西拉西特·斯里努安潘博士部分得到了朱拉隆功大学Ratchadapiseksomphot捐赠基金的支持。