标题翻译：高效的三维微藻农场，优化资源利用，促进再生食品生产。
期刊：Advanced Materials
影响因子：27.4/Q1
摘要
光合微藻产生有价值的代谢物，是可持续食物的来源，支持生命而不损害耕地。然而，微藻养殖中的光自遮荫、过量供水和空间利用不足限制了其在最需要再生食物解决方案的内陆地区的潜力。在此，本研究开发了一种基于多糖的3D水凝胶支架，用于垂直养殖微藻，无需液体介质。这种无液体策略与多种微藻种类兼容，能够设计出具有可定制结构的活性微藻框架，提高光和水的利用效率。这种方法显著提高了单位水消耗的微藻产量，与传统方法相比增加了8.8倍。此外，脱水水凝胶显示出尺寸和重量的减少（约70%的减少），但在再水合时能够迅速恢复活力。重要的是，这个系统可以生产包括蛋白质、碳水化合物、脂质和类胡萝卜素在内的有价值的天然产品。这项研究通过最小化光自遮荫、缓解水供应和减少物理足迹，简化了微藻再生农业，实现了低碳生物制造，并使高效水生食物生产更加普及。
试验结果
图1. 传统微藻养殖与BMH制造和收获过程的对比。
a) 用于各种产品的微藻传统培养和收获过程。
b) BMH打印和培养的示意图。
c) 打印后立即的BMH的数字图像（上）和培养7天后的数字图像（下）。
d) 水凝胶成分的化学结构。
e) 一个大型且灵活的BMH（17厘米×11厘米×0.5厘米）的数字图像。
f) BMH优化资源利用和再生食品生产的示意图。BMH可以有效分散光线，减少自遮荫效应，以实现氧气和再生食品的高效光合作用。
g) 展示BMH光传输和减少自遮荫效应的数字图像。
图2. 生物活性BMH材料的合理构建。
a) 剪切应变随剪切应力的变化。
b) 3D打印前后CZ（绿藻）的存活率。
c) 具有不同直径的BMH线条的显微镜图像。
d) 典型BMH线条（0.41毫米）上的荧光强度剖面。
e) 第0天和第14天的BMH显微镜图像。
f) BMH的扫描电子显微镜（SEM）图像。
g) 基于光学模拟，BMH-0.5和HAM在不同深度的横向截面上的能量密度。
h) HAM中不同厚度的透射率变化。插图：微藻的大小为6微米，排列方式为六角密堆积（HCP）结构。数据表示为平均值 ± 标准差（s.d.）（n = 5）。
图3. 无液体培养下的微藻生长。
a) 不同培养方法的示意图。
b-d) 使用不同方法在BMH中培养的CZ（绿藻）的存活率（b）、细胞密度（c）和叶绿素含量（d）随时间的变化。在（b）中，原始样本指的是通过传统批量培养的微藻。
e) 在无液体和液体培养条件下，第0天和第14天BMH中活细胞和死细胞分布的荧光图像。红色代表活细胞，绿色表示死细胞。
f) 在无液体培养条件下，第0天和第14天从BMH中提取的CZ的显微镜和SEM图像。
g) 微藻再生周期的示意图。
h) CZ在BMH打印中的再生性能。图像是在无液体培养的第0天和第14天拍摄的数字照片。
i-k) Eug（i）、CC（j）和SP（k）的SEM图像和细胞密度变化。数据表示为平均值 ± 标准差（s.d.）（n = 5）。
图4. 模块化和应用分析。
a,b) BMH在整个脱水-再水合过程中的示意图（a）和照片（b）。
c-f) 对由不同微藻制成的BMH（1.5厘米×1.5厘米×0.7厘米）中的蛋白质（c）、碳水化合物（d）、总脂质（e）和类胡萝卜素（f）含量进行定量测定。
g) 塔式BMH的示意图。
h) 第0天和第14天塔式BMH的数字图像。
i) 第14天不同高度处的CZ存活率和BMH横截面的典型数字图像。
j) 大型且灵活的BMH板（0.5米×0.4米×0.01米）（i, ii）和BMH砖（15厘米×8厘米×4厘米）（iii）的数字图像。
k) BMH中气体扩散的模拟。
l) 对于不同的kv值，结构中O2和CO2的平均浓度。数据表示为平均值 ± 标准差（s.d.）（n = 5）。
结论
在这项工作中，我们设计了BMH（生物多糖水凝胶）用于无液体的3D微藻养殖，并证明了这种方法可以最大化空间利用并优化资源分配（例如，光和水），这是实现可持续微藻养殖的重要步骤。BMH系统可以使用天然海藻酸钠、卡拉胶和各种微藻种类通过3D打印定制结构，这消除了对液体介质的需求，除了底部的薄层琼脂储备来支持BMH生长。BMH系统中的微藻展现出令人印象深刻的再生能力，并能够生产天然生物产品（例如，蛋白质、碳水化合物、脂质、叶绿素和类胡萝卜素），使其适合于富含必需营养素的水生食品生产。BMH的无液体特性还允许在不损害微藻活性的情况下进行脱水-再水合循环，这减少了重量和尺寸，便于成本效益的运输。这项研究为从微观到宏观尺度的无液体3D微生物养殖的合理设计提供了见解，对于可持续和精准食品生产具有重要意义，有助于应对全球食品挑战和增强食品安全。
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