可沉微藻转化油脂潜力及PHB合成试验研究
编者按
为进一步探究可沉微藻生物资源回收潜能，特别是油脂、聚β-羟基丁酸酯（PHB）等，通过通入CO2、光/暗循环等手段刺激油脂聚积，以提高油脂产量。然而，结果却表明这一做法事与愿违，反而抑制油脂产量。可沉蓝藻具有合成、积累PHB能力。只需少许特异性碳源（乙酸盐）刺激便可使其在不通入CO2情况下轻松合成并积累含量高达30%左右的PHB。这种主要以无机碳源合成PHB的方法比以有机碳源合成PHB的活性污泥法更具吸引力。本文发表于《中国给水排水》（2020年4月）。
文章亮点
1 可沉微藻的油脂含量随环境变化而动态变化；
2通入CO2、光/暗循环等手段无法有效提高可沉微藻油脂产量，可沉微藻“冲淘”筛选条件是其进一步提升油脂含量的根本限制；
3借助少量乙酸盐刺激作用便可使可沉蓝藻的PHB含量达到30%左右，远高于活性污泥代谢有机碳源时合成PHB的能力，具有广泛应用前景。
1引言
可沉微藻不仅具有优良沉降性能与有效脱氮除磷性能，还具有良好生物资源回收效能（油脂、蛋白质、多糖、PHB等）。对此，本研究旨在通过增加光照、高无机碳源（CO2）供给、实行光/暗循环等方式进一步刺激油脂聚集。同时，探究可沉微藻的PHB合成潜力。
2试验设置
试验光照强度、工艺循环、进水等参数与前期试验一致。其中，油脂潜力试验设置如表1所示。该试验共持续245 d，前期光照强度为400 μmol/(m2·s)，第54天时将光照提升至800 μmol/(m2·s)；为应对油脂产量在高光照强度下持续下降的现象，第120天时将CO2通入量由6 mL/min提高至12 mL/min（通入3 min、停止12 min），以帮助可沉微藻适应高光照环境。此外，在油脂潜力试验后，向1、2号反应器进水中添加8 mg/L乙酸钠作为特异性碳源，用于刺激微藻中PHB合成。
表1 油脂潜力试验设置
3结果与讨论
3.1 油脂积累潜力
通过荧光染色（尼罗红染色）及显微镜可观察可沉微藻内油脂，如图1所示。
图1 高光照强度下培养3周后的可沉微藻内部油脂
前期试验中，油脂含量最高可达到49.2%。但在本次试验中，增加光照强度后，所有反应器中微藻的油脂含量反而呈现下降趋势，1~4号反应器中微藻的油脂含量长期低于20%、甚至不足10%，只有5、6号反应器中微藻的油脂含量较高（＞20%），如图2所示。
图2 5、6号反应器内微藻蛋白质、多糖和油脂含量变化
就5号反应器而言（图2a），增加光照强度后系统微藻油总体脂含量呈现持续下降趋势，并在第117天时油脂含量降至最低（20.1%）。后续微藻适应了高光照强度环境后，油脂含量虽略有上升，但并未达到预想值或恢复最初高产水平。相反地，6号反应器中高光照强度对油脂的积累具有积极作用（图2b），即在81 d后便达到33%的峰值，后期虽略有下降，但也保持在25%左右。二者的差异性结果可能与进水方式的不同有关，致使两反应器中微藻代谢途径的改变。
此外，由图2可知微藻在合成糖类物质和油脂时并不存在底物竞争关系（二者相对变化并无显著相关性）。结合图3可知，突然的高光照强度会导致系统内的微藻进入调整适应期（代谢及生理活动波动、生物量锐减、沉降率降低），说明微藻对高光照强度的适应性较差。因此，在适应期微藻生长代谢受到严重干扰，阻碍了油脂含量进一步升高，甚至会消耗微藻自身的能量储备。
图3 5、6号反应器内微藻生物量与沉降率变化
尽管在本试验中采取了增大光照强度（提供过剩能量）、增加无机碳源（CO2）等措施欲以提高可沉微藻油脂产量，但由于其对高光照强度的生长适应作用，导致微藻生物量的骤减和沉降性能的恶化，最终油脂含量不升反降。此外，生长受限（营养饥饿）亦为普遍采取的策略。但由于微藻胞内油脂的积累取决于自身生长速率和生物量中的脂类含量，若处于生长受限（N或P饥饿）环境中，虽然可以引导微藻向积累油脂代谢方向转变，但同时也限制了微藻的自身生长。所以，高脂和高产两者所需环境因素可能是相斥的，即不可兼得。两者之间存在一种权衡，高脂需要较低的养分含量，而高产则需要较高的养分含量，两者之间难以实现平衡。
此外，微藻中脂类物质的增加将导致其相对密度降低，导致沉降性能恶化，更易被“冲淘”机制所淘汰。可见，可沉微藻的油脂含量理应存在上限，而“冲淘”筛选条件是可沉微藻进一步提升油脂含量的根本限制。
3.2 PHB 合成试验
由于可沉微藻油脂潜力有限，探寻另一种潜在资源——PHB则尤为必要。
前期试验结果表明，1、2号反应器在不通入CO2且高pH值环境下能够富集可合成、积累PHB的可沉蓝藻。为此，在1、2号反应器内添加特异性碳源（8 mg/L乙酸钠）以富集可沉蓝藻及PHB。如图4所示，两反应器内的PHB含量分别由3.4%和4.9%增长至27.9%和30.2%。其达到峰值后开始下降。这可能是微藻内源代谢消耗PHB并将其转变为其他含碳有机物所致。最终可计算得到可沉微藻的PHB最大产量为14 mg/(L·d)。
图4 1、2号反应器中微藻PHB含量变化
如图5所示，前5 d叶绿素a含量总体呈上升趋势，即微藻的光合作用随PHB含量的增加得到了增强，推测特异性碳源在强化微藻的某些代谢作用的同时，积累PHB为代谢内聚物。根据图6可知，3 d后生物量开始明显增加，至第8天分别达到3.61和3.82 g/L，即微藻在吸收特异性碳源后导致PHB累积。这可能是由于内部代谢过程中乙酰辅酶A和还原型辅酶（NADPH）可用性增强，提高了细胞固碳能力，促进了代谢反应向以PHB为内聚物的方向转变。
图5 1、2号反应器中微藻叶绿素a含量变化
图6 1、2号反应器中微藻生物量变化
综上所述，加入少量特异性碳源刺激后，系统中可沉蓝藻在一定时间内确实可以合成、富积相当含量的PHB（最高可达约30%），远高于正常情况下活性污泥富集PHB的峰值（15%），具有广阔应用前景。
4结论
试图以增加光照强度与CO2通入量方式进一步提高可沉微藻油脂含量的做法事与愿违，反而出现油脂含量下降的现象。这表明，可沉微藻油脂含量可能存在难以突破的上限。而具有合成、积累PHB能力的可沉蓝藻在少许特异性碳源（乙酸盐）刺激作用下，其PHB含量可达到30%左右，高于活性污泥代谢有机碳源时合成PHB的能力，具有广阔的应用前景。
