土耳其Ege University Esra Imamoglu团队成果Effect of nitrogen on lipid production of Chlorococcum novae-angliae（氮源调控对新英格兰绿球藻脂质生产性能的影响）于Systems Microbiology and Biomanufacturing（SMAB）期刊发表。
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研究意义
随着全球能源危机和环境问题的日益突出，微藻作为第三代生物燃料的原料备受关注。在众多微藻菌株中，绿球藻（Chlorococcum sp.）因其独特的单细胞结构和较高的脂质积累能力，展现出巨大的应用潜力。研究发现，氮元素的供给水平对绿球藻的生长和脂质代谢具有显著影响。本研究中，作者通过比较C. novae-angliae在含氮和缺氮培养条件下的生长情况，发现在含氮培养基中，细胞数量可达到2.16×10⁸ cells/mL，比缺氮条件高出26%（生长速率为0.55 d⁻¹）。然而，在脂质产量方面，缺氮培养条件下可获得0.098 g/g（湿重）的脂质产量，其中主要成分为十三烷酸和棕榈酸（占比77%）。这是首次在该藻种中发现十三烷酸的存在。这一发现不仅深化了人们对绿球藻代谢调控的认识，也为生物柴油生产提供了新的思路：在生物燃料生产中可以通过氮饥饿策略提高脂质产量，而在以生物量产出为目标的饲料生产中则应保持充足的氮源供应。
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研究背景
微藻不仅能够产生多样化的生物产品，其独特的性质更使其在生物技术领域展现出巨大潜力。目前研究表明，微藻细胞内可积累30-80%的脂质，每年每英亩可产生5000至20000加仑的油料，这一惊人的产量使其成为极具前景的生物柴油原料。然而，目前微藻基生物燃料的大规模生产仍面临成本过高的挑战，其中培养基成分、生物量收获、脂质提取效率以及最终产品质量都是影响成本的关键因素。在众多微藻品种中，绿球藻属微藻特别引人注目。这种单细胞生物既可在水生环境中生存，也能适应陆地环境，具有极强的环境适应性。
而氮饥饿是促进微藻积累脂质的最有效策略之一。当氮源不足时，光合作用产生的过剩碳会转化为储存化合物，如淀粉或脂质，这些物质可作为碳源和能量的储备库。不同的微藻品种在压力条件下会选择积累不同的储存物质，而氮饥饿还会影响微藻的脂肪酸组成，通常会导致饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量的增加。这种脂肪酸组成比例特别适合生产生物柴油，因此经过氮饥饿培养的微藻更适合用于生物柴油生产。虽然氮元素对微藻脂质代谢的影响已有大量研究，但对绿球藻属微藻的专门研究还相对较少。作者在本研究中深入研究了氮元素如何特异性影响C. novae-angliae的脂质积累，将为优化其在生物柴油生产中的应用提供新的思路。这对于开发更高效的生物燃料生产工艺，以及推动可持续能源发展具有重要的现实意义。
图1 实验过程总体示意
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科学发现
作者通过构建7 L的平板光生物反应器系统研究了氮源对C. novae-angliae脂质产量的影响。该反应器由有机玻璃制成，置于刚性金属框架内，具体尺寸为高0.34 m、长0.145 m、宽0.082 m，实际运行体积为6 L（图2）。反应器底部配备了气体喷射器，通过24个直径为0.3 cm的喷嘴确保培养基均匀分布流动。在使用前，反应器经121.0°C高压灭菌20分钟处理。培养过程中，反应器一侧安装了LED下照灯(Cata 10 W CT-5254)提供持续照明，并使用量子计(Lambda L1-185)监测反应器表面的光强。通过该系统的设计和运行，作者发现在氮饥饿条件下，虽然生物量产量较低，但C. novae-angliae的脂质产量达到0.098 ± 0.012 g/g(湿重)，高于氮充足条件下的0.082 ± 0.010 g/g(湿重)，这为生物柴油生产策略提供了重要的参考。
图2 C. novae-angliae脂质生产的示意图
随后，作者通过比较氮添加和缺氮培养基对C. novae-angliae生长的影响，深入研究了氮源对其生物量积累的调控作用。作者使用7 L平板光生物反应器进行培养，控制温度在22 ± 2°C，持续通气速率为5 L/min，光照强度维持在80 ± 2 µmol photons m⁻²s⁻¹，在培养10天后通过细胞计数、干重测定和光密度测量等多个指标进行综合评估C. novae-angliae的生长状态，结果显示含氮培养基中C. novae-angliae生长状况明显优于氮饥饿条件下条件，例如含氮培养基中最高细胞密度达到2.16 ± 8.18 × 10⁸ cells/mL，比缺氮条件高26%；生物量浓度达到1.18 ± 0.03 g/L，较缺氮条件高出22%；同时，含氮条件下的比生长速率为0.55 d⁻¹，显著高于氮饥饿条件下（图3）。结果表明，氮源在培养基中的添加对C. novae-angliae的生长起着关键作用，为工业化生产中的营养供给策略提供了重要参考。
图3 比较氮源对C. novae-angliae 的生长的影响
表1 C. novae-angliae 的生长及脂质生产参数
随后，作者通过比较氮添加和氮饥饿条件下C. novae-angliae 的脂质产量和脂肪酸组成，揭示了氮元素对其脂质合成的调控机制。作者发现，在氮饥饿条件下，C. novae-angliae的脂质产量达到0.098±0.012 g/g（脂质/湿重），高于氮供给条件下的0.082±0.01 g/g（脂质/湿重）。更重要的是，氮饥饿条件下的脂肪酸组成以十三碳酸(C13:0，65.75±8.6%)和棕榈酸(C16:0，11.93±2.9%)为主，这是首次在C. novae-angliae中检测到十三碳酸。此外，作者也发现了氮饥饿条件下的C. novae-angliae脂质组分中亚油酸含量较低(1.543±0.08%)，而作者认为这一特性有利于提高微藻来源生物柴油的稳定性。
图4 氮源对C. novae-angliae的脂质含量及组分的影响
最后，作者采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)对C. novae-angliae中的脂肪酸甲酯(Fatty acid methyl ester，FAMEs)进行定性定量分析。结果显示，在氮饥饿条件下，饱和脂肪酸(Saturated fatty acid，SFAs)的总含量达到86.532%，高于含氮条件下的81.311%。其中，十三烷酸(C13:0)是最主要的脂肪酸组分，在氮饥饿条件下含量高达65.747%。此外，棕榈酸(C16:0)是第二主要组分，含量为11.933%。此外，单不饱和脂肪酸(Monounsaturated fatty acid，MUFAs)在氮饥饿条件下含量为9.580%，其中油酸(C18:1)占比最高，达到5.345%。这种脂肪酸组成特征表明，氮饥饿条件下培养的C. novae-angliae更适合作为生物柴油生产的原料，因为其具有较高的饱和脂肪酸含量和合适比例的不饱和脂肪酸（表2）。
表2 氮源对C. novae-angliae的脂肪酸组分含量的影响
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总结展望
作者在本研究中深入探讨了氮源供应对C. novae-angliae 生长和脂质产量的影响，为藻类来源生物燃料生产提供了重要的理论依据和数据支撑。作者在本研究中发现，在含氮培养基中，C. novae-angliae能够达到最高细胞密度为2.16 ± 8.18 × 10⁸ cells/mL，生物量达1.18 ± 0.03 g/L，表明充足的氮源对其生长至关重要。然而，在氮饥饿条件下，虽然生物量产量降低，但脂质产量反而提高到0.098 ± 0.012 g/g（湿重），且首次在该绿球藻中发现了十三碳饱和脂肪酸（占总脂肪酸的65.75%）。这一发现不仅丰富了对C. novae-angliae的认识，也为生物柴油生产提供了新的思路。作者认为，在实际应用中需要根据不同目标选择合适的培养策略：若以生物燃料生产为目标，应采用氮饥饿条件下培养以提高脂质积累；若以生物量生产为主要目标，则应保持充足的氮源供应。未来研究可以进一步探索该绿球藻的遗传改造潜力，优化大规模培养工艺，并深入分析其经济可行性，以期实现绿球藻生物燃料的工业化生产。这项研究为藻类生物技术的发展提供了重要的科学依据，也为可持续能源生产开辟了新的途径。
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原文链接
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引用方式｜Alpural, A., Dincoglu, B., Demirel, Z. et al. Effect of nitrogen on lipid production of Chlorococcum novae-angliae. Syst Microbiol and Biomanuf (2024).
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期刊名片
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造，简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学主办，Springer Nature出版集团出版的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，由江南大学徐岩教授担任本刊主编，江南大学刘龙教授担任本刊执行主编，编委分布于全球近20个国家，更多内容详见期刊主页。
编审周期：目前，期刊投稿至线上发表时间约2个月，稿件录用后将及时在线发表。
SMAB诚邀系统微生物学与生物制造领域的研究人员踊跃投稿！投稿范围包括但不限于：工业微生物学与发酵工程、合成生物学与代谢工程、工业酶学与生物催化、食品组学与食品生物制造、系统生物学与发酵过程优化控制等。稿件类型包括研究论文(Research article)、综述(Review)和快讯(Short communication)。
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