印度北方邦诺伊达阿密提大学（Amity University）硅藻研究实验室Archana Tiwari团队最新研究成果Exploring the nutraceutical potential of high-altitude freshwater diatom Nitzschia sp. in batch culture（从高山到餐桌：Nitzschia sp.的营养潜力）于Systems Microbiology and Biomanufacturing （SMAB）期刊发表。
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研究意义
近年来，随着人们对高海拔生态系统的关注不断增加，淡水硅藻在营养保健和生物技术领域的逐渐崭露头角。例如作者在本研究中发现，来自印度乌塔拉坎德高海拔地区的硅藻Nitzschia sp.就展现出了独特的生长动态和丰富的生化成分。作者培养的该硅藻在15天后生物量达到了0.5 mg/mL，细胞密度为4.02 × 105 cells/mL，展现了良好的生长能力。同时作者测定发现生物质中蛋白质含量为15.7 mg/g，而碳水化合物含量高达76.6 mg/g，总叶绿素含量为87.3 mg/g，这些组分含量无一不展现了其具有较高的营养价值。此外，作者通过进一步分析其次级代谢物发现，其生物质中的总类黄酮和生育酚含量分别为0.63 mg/g和0.60 mg/g，表明Nitzschia sp. 具有显著的抗氧化潜力。同时，作者也对其生物质中的脂肪酸谱进行了分析，结果显示其中含有的单不饱和脂肪酸占比最高，达到56.37%。这些发现不仅揭示了Nitzschia sp.在适应极端环境下的生物学机制，还为其未来在食品、医药和化妆品等领域的应用奠定了研究基础。
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研究背景
硅藻作为水生生态系统中的重要组成部分，因其独特的生态功能而备受关注。这些单细胞的光合真核微生物属于硅藻门（Bacillariophyta），其细胞壁由二氧化硅构成，而且会形成精美的结构和图案。硅藻不仅是海洋食物链的基础生产者，还在全球碳循环中扮演着至关重要的角色，能够有效捕获和储存二氧化碳，为水体的生态平衡提供支持。环境因素如光照、营养水平和培养方式等对硅藻的生长和营养物质的积累有显著影响，因此，研究其生长和代谢特点具有重要的理论和实际意义。在众多硅藻属中，Nitzschia 因其在生物技术领域的潜在应用而受到广泛关注，因为这一属的成员通常被认为是生物燃料、营养保健品及医药产品的优质原料。然而，当前对淡水Nitzschia sp.的研究相对匮乏，而对其在高海拔地区的生态适应性和代谢物分布方面的研究更是少之又少。由于高海拔环境通常具有低氧、高紫外线辐射以及极端寒冷等独特的生态条件，这些因素将会影响硅藻的生长特性和生化成分。因此，探索这些特殊环境中硅藻的生长动态和生化特征，不仅有助于丰富人们对硅藻适应极端环境机制的理解，还可能为开发新型营养保健产品提供新的素材。此外，随着人们对健康和可持续发展的关注加剧，利用微藻生产高价值化合物的研究逐渐成为热点。硅藻能够合成多种生物活性化合物，如类胡萝卜素、脂肪酸和一系列抗氧化剂，这些成分在食品、化妆品及医药领域均有广泛应用。因此，深入研究高海拔淡水硅藻Nitzschia sp.的生长特性和代谢物各组分产量，具有重要的科学价值和应用前景。
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科学发现
作者首先测定了Nitzschia sp.在实验室条件下的生长动态，以评估其在不同环境下的适应能力和生长潜力。为此，作者在pH值为8.3、温度为25°C、12:12的光周期的条件下培养Nitzschia sp.，并每隔7天使用血球计数板测定其细胞密度的变化以记录其生长曲线（图1）。
作者发现Nitzschia sp.在这些条件下的最大细胞密度达到了4.02 × 105 cells/mL，生长速率为0.010 h-1。与之前的研究相比，作者发现在硅藻种类中，Nitzschia sp.有着更高的细胞密度和更快的增殖速度。因此，作者认为Nitzschia sp.在淡水环境中也具有较强的适应性和生长潜力，适合进一步研究其在生物技术中应用。
图1 Nitzschia sp.的生长曲线
随后，作者对Nitzschia sp.的代谢物和色素含量进行了详细的生化分析，测定了该硅藻的蛋白质、碳水化合物、叶绿素以及次级代谢物（如黄酮和生育酚）的含量（图2）。作者采用了Bradford方法来测定蛋白质含量，并使用新鲜制备的蒽酮试剂来评估碳水化合物含量，同时通过色谱法分析次级代谢物。作者发现Nitzschia sp.生物质中蛋白质含量为15.7 mg/g，碳水化合物含量为76.6 mg/g，总叶绿素含量为87.3 mg/g。此外，对次级代谢物的检测显示黄酮和生育酚的存在。基于这些发现，作者认为Nitzschia sp.在营养价值方面具有极高的潜力，未来可用于营养保健品的开发。
图2 Nitzschia sp.的代谢物组分测定
作者进一步通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）分析了Nitzschia sp.的脂肪酸组成，以探讨其在营养保健和生物燃料领域的应用潜力（图3）。在实验过程中，作者首先使用甲醇、氯仿和双蒸水的混合物提取干燥生物质中的总脂质。随后，将脂质提取物进行转甲酯化处理，以便于通过GC-MS进行脂肪酸甲酯（FAME）的分析。作者发现，Nitzschia sp.中的单不饱和脂肪酸（MUFA）的浓度最高，占56.91%，而饱和脂肪酸（SFA）为40.91%，多不饱和脂肪酸（PUFA）则最低，仅为2.70%。基于其脂肪酸组分，作者认为Nitzschia sp.其在生产营养保健品和生物燃料方面具有前景，特别是其具有的高含量单不饱和脂肪酸，将可能成为未来的健康脂质来源。
图3 Nitzschia sp.的脂肪酸谱
为分析Nitzschia sp.作为天然抗氧化剂的潜力，作者通过DPPH和ABTS自由基清除等实验来评估其抗氧化活性。作者测定发现，Nitzschia sp.在DPPH实验中的清除活性为24.19 TE g DW−1，而在ABTS实验中则达到155.84 TE g DW−1。这表明Nitzschia sp. 具有很强的抗氧化潜力，作者认为其在开发天然抗氧化剂方面有很强的应用前景。
表1 Nitzschia sp.的抗氧化活性
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总结展望
高海拔地区的淡水硅藻由于其独特的生长环境，具有潜在的生物技术应用价值。其中Nitzschia sp.作为一种重要的淡水硅藻，因其含有丰富的营养成分和生物活性化合物而备受关注。作者通过对其在实验室条件下的培养和分析，发现该硅藻具有较高的蛋白质、碳水化合物和叶绿素含量，以及多种次级代谢物如黄酮和生育酚等。作者认为这些成分不仅赋予了Nitzschia sp.极大的营养保健潜力，还为其在天然抗氧化剂的应用中提供了可能性。此外，作者通过对Nitzschia sp.的脂肪酸组分分析，判断出其未来在营养补剂和生物燃料领域具有广泛的应用前景。作者认为，未来的研究可以进一步优化其培养条件，以提高其生物量和代谢物的积累，同时落实其在生物技术领域的应用。同时，通过深入了解其生态适应性和生物合成途径，Nitzschia sp.未来有望在营养保健品、化妆品及医药等领域发挥更大的作用。
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作者介绍
原文链接
引用方式｜Tyagi, R., Singh, P.K., Saxena, A. et al. Exploring the nutraceutical potential of high-altitude freshwater diatom Nitzschia sp.
in batch culture. Syst Microbiol and Biomanuf (2024).
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