面向封闭式光生物反应器应用：PEG/PDMS涂层与PMMA基透明防污材料对工业相关微藻的抗污性能评估

《Bioresource Technology Reports》：Antifouling performance of transparent PEG/PDMS and PMMA-based surfaces against commercially relevant microalgae

本研究针对封闭式光生物反应器(PBRs)中生物污损这一关键瓶颈，提出了一种结合培养基标准化、氮磷比(N/P)优化与透明防污材料评估的综合策略。研究人员评价了PEG/PDMS基涂层和PMMA基刚性材料在微藻培养条件下对五种工业相关微藻的抗污性能。研究发现，提高N/P比可促进生物量与脂质积累，同时降低胞外蛋白释放和细胞粘附。两种透明材料相比玻璃均显著减少了污损（涂层减少45-62%，刚性材料减少65-74%），并保持了光学透明度。该研究为开发高效、可持续的微藻培养系统提供了重要的材料选择和工艺优化依据。

　　

在当今追求可持续发展的浪潮中，微藻作为一种能够进行光合作用的微生物，因其能够生产包括高价值食品补充剂、生物燃料前体、药物和化妆品成分在内的多种产品而备受瞩目。从富含蛋白质和Omega-3脂肪酸的Nannochloropsis gaditana，到可生产虾青素、叶黄素等高价值色素的Scenedesmus almeriensis，再到以高硅含量和多种代谢产物著称的模式硅藻Phaeodactylum tricornutum，这些工业相关的“绿色工厂”潜力巨大。然而，要将这些潜力转化为稳定、高效的生产线，一个关键的技术瓶颈始终横亘在前——生物污损。

想象一下，在用于高密度培养微藻的封闭式光生物反应器(PBRs)内部，微藻细胞和它们分泌的胞外聚合物(EPS)会逐渐粘附、堆积在反应器壁上，形成一层顽固的生物膜，这便是生物污损。这层“不速之客”不仅会阻挡光线穿透，降低光合作用效率，从而影响生物质产量和品质，还会增加设备清洁与维护的难度和成本，严重制约了微藻培养工艺的长期稳定运行效率。为了应对这一挑战，科学家们一直在探索各种具有抗生物污损性能的新型材料，以期作为PBRs的建造材料。其中，基于聚乙二醇/聚二甲基硅氧烷(PEG/PDMS)的防污释放涂层和基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的刚性材料因其透明性和在前期研究中展现的优异防污潜力而备受关注。但一个现实的问题是，以往对防污材料的评价通常在生物粘附倾向最低的条件下进行，这可能导致对其性能的过高估计。为了获得更贴近实际应用的评价，我们需要在“恶劣”的、即容易诱发生物污损的培养条件下，对这些材料的真实效能进行严格检验。

正是为了解决这一实际问题，由Agustín álvarez-álvarez、Yolanda Soriano-Jerez等人组成的研究团队在《Bioresource Technology Reports》期刊上发表了一项研究。他们采用了一种综合性的、面向过程的策略，旨在真实评估两种透明防污材料在易产生生物污损的微藻培养条件下的效率。他们的核心思路是：首先，统一五种工业相关微藻（C. vulgaris, S. almeriensis, N. gaditana, P. cruentum, P. tricornutum）的培养基准，使它们均能在共同的N-algal培养基中良好生长，从而消除培养基差异对粘附行为比较的干扰。接着，他们系统性地研究氮磷摩尔比(N/P)对生物质生产力、细胞粘附和胞外蛋白分泌的影响，目的是“故意”找出一个在维持较高生物质生产力的同时，又能最大程度促进生物污损形成的N/P比，以便在此“苛刻”条件下检验材料。最后，将筛选出的N/P比应用于长期补料分批培养中，来评估PEG/PDMS基涂层和PMMA基刚性材料的长期抗污效能，并与PDMS、玻璃、PMMA和商品化涂层Hempasil X₃?等对照材料进行比较。这项研究超越了常规的防污筛选，将材料性能评估置于了更真实、更具挑战性的应用场景中。

为开展这项研究，作者们应用了数个关键技术方法。首先，是微藻培养与粘附评估系统：研究在300 mL的锥形-截头容器中进行长期补料分批培养，容器壁和底部固定了不同材料的试片，以模拟PBRs的真实环境。细胞粘附强度通过叶绿素a荧光法进行定量。其次，是材料表面物理化学性质表征：通过测量水、甲酰胺和二碘甲烷的接触角，计算得到材料的表面自由能、水粘附张力和临界表面张力等关键参数，以关联表面性质与抗污性能。同时，测量了表面粗糙度(Ra)。再次，是生物分子吸附能力测试：使用牛血清白蛋白(BSA)和马铃薯淀粉作为模型蛋白和碳水化合物，评估材料表面对这些生物大分子的吸附能力。最后，是生物质成分分析：采用了包括高效液相色谱法(HPLC)分析类胡萝卜素、直接酯交换法分析脂肪酸组成在内的多种生化分析方法，全面评估了不同培养条件下微藻生物质的品质。

3.1. 培养基选择

研究人员首先比较了N-algal、Arnon和BBM培养基对四种微藻生长的影响。结果表明，N-algal培养基在绝大多数情况下能带来最高的最大生物质生产力和最大比生长率，并且能保持较高的光系统II光合效率(Fv/Fm)，表明细胞状态健康。因此，研究决定采用N-algal培养基作为后续所有五种微藻的统一培养基准，以确保在评估粘附行为时不受生长限制的偏差影响。

3.2. N/P比对生物质浓度、细胞粘附、上清液蛋白浓度和生物质组成的影响

这部分研究旨在找出能“激发”生物污损的培养条件。通过设定5、15、45、60四种N/P比，研究人员发现：

• •
  生物质生产：对于大多数微藻（S. almeriensis, N. gaditana, P. tricornutum），提高N/P比能增加或维持较高的生物质浓度。C. vulgaris在N/P=15时生物质浓度最高，而P. cruentum则在N/P=5时产量最高。
• •
  细胞粘附与蛋白分泌：一个关键且一致的发现是，细胞粘附和上清液中分泌的蛋白质浓度呈现相同的趋势，且与生物质浓度趋势大体相反。对于S. almeriensis、C. vulgaris、N. gaditana和P. tricornutum，最低的N/P比（5）导致了最高的细胞粘附和最高的胞外蛋白释放。例如，N. gaditana在N/P=5时粘附高达877 cells/mm²，而在N/P≥15时粘附降低了65%以上。相反，P. cruentum的表现不同，其最高粘附和蛋白分泌发生在最高的N/P比（60）。这表明磷限制（低N/P比）通常（除P. cruentum外）会刺激微藻分泌更多胞外蛋白，从而增加其粘附性和生物污损倾向。
• •
  生物质品质：N/P比也显著影响了微藻的生物质组成。提高N/P比倾向于增加N. gaditana和P. tricornutum的脂肪酸和类胡萝卜素含量，这对生产高价值油脂和色素是有利的。研究最终选择用于后续材料测试的N/P比，是那些在保持相对较高生物质生产力的同时，细胞粘附水平也较高的条件：即N/P=15用于S. almeriensis、P. cruentum、N. gaditana和P. tricornutum，N/P=45用于C. vulgaris。这确保了后续的防污材料测试是在“易污损”的苛刻条件下进行的。

3.3. 透明表面对微藻菌株的抗污效率

这是本研究的核心。研究人员制备并表征了PEG/PDMS涂层和PMMA基刚性材料，并与几种对照材料（PDMS、PMMA、玻璃、Hempasil X₃?）进行比较。所有材料表面都很光滑（Ra < 0.6 μm），排除了粗糙度的影响。表面性质分析显示，PEG/PDMS涂层和PMMA基材料具有相似的中等表面自由能（~42-44 mJ m^-2），并且其水粘附张力（τ₀）位于Vogler理论提出的最小生物粘附区间（25-40 mJ m^-2）附近，理论上应具有较好的抗粘附性能。

• •
  模型生物分子吸附测试：在对牛血清白蛋白(BSA)和淀粉的吸附实验中，两种防污材料表现优异，吸附量显著低于高表面能的玻璃和PMMA，甚至低于超疏水的PDMS涂层。这表明它们能有效抵抗生物大分子的初始吸附，这是防止后续生物膜形成的关键第一步。
• •
  实际微藻粘附测试：在长期补料分批培养中，两种防污材料对所有测试的五种微藻均表现出显著的抗污效果。以粘附最多的玻璃表面为参照（100%），PEG/PDMS涂层减少了45%至62%的细胞粘附，而PMMA基刚性材料的效果更佳，减少了65%至74%的粘附。 尽管没有一种材料能完全阻止粘附，但这一减少幅度在实际应用中意义重大。特别值得注意的是，传统的低表面能硅基防污材料PDMS和Hempasil X₃?在实际微藻培养中的抗粘附效果并不理想，甚至差于新型的PEG/PDMS涂层和PMMA基材料。这挑战了单纯依据表面能理论（如Baier或Vogler窗口）预测材料在复杂生物环境中性能的局限性。
• •
  透明度保持：两种材料在可见光区均保持了80%以上的高透光率，这对于依赖光线的PBRs应用至关重要。

结论与重要意义

本研究通过一个整合培养基优化与材料评估的综合策略，成功地在易于引发生物污损的微藻培养条件下，评估了两种透明防污材料的性能。主要结论如下：

1. 1.
   培养基与N/P比的调控作用：证实了培养基成分，特别是N/P比，是调控微藻细胞粘附行为和胞外蛋白分泌的关键因素。较低的N/P比（磷限制）通常会加剧大多数测试微藻的生物污损倾向，这为通过工艺优化控制污损提供了理论依据。
2. 2.
   防污材料的优异性能：研究开发的PEG/PDMS基涂层和PMMA基刚性材料，在实际微藻长期培养中表现出显著且广谱的抗污效果，能大幅降低多种工业相关微藻的粘附，同时保持高透明度。其中，PMMA基刚性材料展现了最佳的综合性能。
3. 3.
   抗污机理的深入认识：研究发现，材料的抗污性能不能仅用单一的最佳表面自由能值来解释。PEG/PDMS和PMMA基材料的成功，更可能与它们强烈的界面水合行为和整体的表面物理化学性质有关。它们能形成稳定的水化层，有效阻隔蛋白质等生物大分子的吸附，从而从源头上抑制生物膜的形成。这超越了传统的基于表面能的“防污释放”或“低表面能”理论。
4. 4.
   对传统理论的挑战与实践价值：传统的低表面能硅酮材料（如PDMS）在简单模型测试中可能表现良好，但在复杂的实际微藻培养环境中其抗粘附效果有限。这强调了在接近实际应用的条件下评价防污材料的必要性，避免了性能高估。

本研究的核心意义在于它架起了基础材料研究与实际工业应用之间的桥梁。它不仅为封闭式光生物反应器提供了一类具有高透明度、高效防污性能且易于加工的候选材料（尤其是PMMA基刚性材料），更重要的是，它提出并验证了一套面向过程、贴近实际的材料评价策略。这套策略将培养工艺优化与材料性能评估相结合，在“故意”设置的苛刻条件下检验材料，使得评估结果更具现实指导意义，能更可靠地预测材料在真实微藻培养系统中的长期表现，从而降低技术转化风险，为推动微藻生物技术朝着更高效、更可持续的工业化方向发展提供了坚实的技术支撑。