环境参数对海洋颗石藻Gephyrocapsa huxleyi CCMP371生长和钙化的影响

《Bioresource Technology》：Effect of environmental parameters on growth and calcification in marine coccolithophore Gephyrocapsa huxleyi CCMP371

高盐（35–45 ppt）、适温（22–26°C）及B12补充条件下，Gephyrocapsa huxleyi CCMP371的光合作用与碳酸钙生物合成协同优化，100升光生物反应器中实现0.54 g L?1 day?1生物质产量及85% CaCO?含量，暗周期使钙化率下降12%。

　　

尼兰贾娜·马祖姆达尔（Nilanjana Mazumdar）| 丹妮尔·N·贝蒂（Danielle N. Beatty）| 马修·H·菲夫（Matthew H. Fyfe）| 威尔·V·斯鲁巴尔（Wil V. Srubar）

科罗拉多大学博尔德分校土木、环境与建筑工程系，工程大道1111号，ECOT 441室，UCB 428，博尔德80309，美国科罗拉多州

摘要

球石藻Gephyrocapsa huxleyi由于其产生的球石（coccoliths）而成为全球海洋中主要的碳酸钙（CaCO₃生产者。对其的驯化培养可能为多种工业应用提供可持续的生物源碳酸钙。在G. huxleyi内部存在显著的遗传变异，导致其对环境因素的生理反应各不相同。本研究通过逐步探索盐度、培养基营养浓度、光照强度和温度对生长及碳酸钙产生的影响，优化了该藻株CCMP371的球石净产量。该菌株在高盐度（35–45 ppt）和22–26°C的温度范围内生长良好，并且需要维生素B₁₂才能生长。营养浓度在L1/4到L1/12之间时，既有利于生长也有利于碳酸钙的积累，培养出的细胞密度可达1.9×10⁶个细胞/毫升（cell/mL），碳酸钙生物量占比约为75%。通过调整光子通量密度（100–800 μmol m^?2 s^?1），在100升规模下获得了高密度培养物，其生物量生产力为0.54克/升/天（g L^?1），碳酸钙生物量占比约为85%。光照周期对碳酸钙的积累有影响，处于黑暗条件下的培养物碳酸钙含量减少了12%。在优化条件下，最终细胞密度增加了两倍，干生物物中的碳酸钙含量增加了30%。本研究为理解促进G. huxleyi生长和碳酸钙积累所需的培养条件提供了宝贵的见解，并为未来的球石藻优化实验提供了方法论。

引言

海洋浮游植物在海洋食物网和生物地球化学循环中起着关键作用。其中，球石藻（coccolithophores）是一类特殊的单细胞海洋藻类，它们通过光合作用固定有机碳并通过碳酸钙沉淀作用产生碳酸钙，在全球碳循环中扮演重要角色。据估计，球石藻贡献了全球约一半的碳酸钙产量（Balch & Mitchell, 2023）。这些生物以微小的三维片状结构（球石）的形式产生碳酸钙颗粒，这些颗粒覆盖在细胞表面形成球壳（coccosphere）。球石的形成是一个发生在细胞内的生物矿化过程，随后被排出到细胞表面。球石的独特结构具有物种特异性，是由受控的细胞机制决定的，目前无法通过合成方法复制（Triccas et al., 2024）。

球石的微观结构因其独特的物理化学性质和可控的形态而受到研究。它们具有颗粒小、孔隙率高、纯度高以及高度均匀且可重复的特点，这使得球石在多个领域具有应用潜力，包括造纸和纸浆、涂料和粘合剂、药品片剂填充剂、化妆品以及水泥材料（Al-Mardeai et al., 2024, Jakob et al., 2017; Beatty & Srubar, 2025）。除了工业应用外，球石还被研究用于生物医学领域，例如作为纳米粒子或药物递送的载体（Azarian & Sutapun, 2022）。此外，球石独特的复杂结构使其在纳米技术应用中特别有吸引力（Moore, 2021）。由于球石数量较少、碳酸钙沉淀过程不可预测以及易受其他浮游植物污染，从自然繁殖环境中采集球石是不可行的（Thierstein & Young, 2013）。虽然过去曾在实验室中培养过G. huxleyi，但大多数传统研究主要集中在生物生态学问题上，培养环境更多是模拟自然条件，而非优化高产球石的条件。

在光生物反应器（PBR）中对多种球石藻的培养尝试也取得了一定程度的成功（Jakob et al., 2018, Moheimani et al., 2011a; Moheimani & Borowitzka, 2011）。Moheimani等人（2011b）使用不同的PBR系统对P. carterae、G. huxleyi和G. oceanica的生长、碳酸钙生产和脂质生产进行了广泛研究。P. carterae CCMP647在平板PBR中的生物量生产力最高（0.54克/升/天），而G. huxleyi CCMP371的生物量生产力为0.47克/升/天，但其碳酸钙含量分别仅为18.5%和12.5%，导致碳酸钙产量较低。值得注意的是，G. huxleyi无法在传统的空气提升式生物反应器中生长。Jakob等人（2018）成功在2升PBR中培养了G. huxleyi RCC1216，重点关注球石的产生，并随后将其放大到定制的20升PBR系统中，实现了0.32克/升/天的碳酸钙生产力，这是迄今为止报道的最高值。在另一项小规模研究中，Al-Mardeai等人（2024）优化了C. carterae的培养条件，用于生物水泥应用，18天后碳酸钙含量达到44.5%，20天时生物量达到最大。相比之下，E. huxleyi和Chlorella的碳酸钙产量较低（分别为39.4%和30%），这突显了针对特定菌株进行优化的重要性。

G. huxleyi因其在全球范围内的广泛分布以及在开阔海域形成大规模繁殖的能力而被视为典型的球石藻物种（Kubryakov et al., 2021）。G. huxleyi菌株内部存在显著的遗传变异，这使得它们在不同环境条件下的形态和生理反应存在很大差异（Blanco-Ameijeiras et al., 2016）。尽管人们对生物源碳酸钙在人类应用中的兴趣日益增加，但关于大规模培养G. huxleyi以生产碳酸钙的信息仍然不足（Jakob et al., 2018），同时也有必要了解球石藻在人工环境中形成高密度、富含碳酸钙培养物的能力。鉴于对球石藻培养的基础研究和应用方面的兴趣日益增长，本研究重点探讨了营养和环境因素对G. huxleyi CCMP371生长和碳酸钙积累的影响。通过研究盐度、营养浓度、光照强度和温度对生长和碳酸钙产生的影响，本研究旨在阐明G. huxleyi的最佳生长条件，并利用这些条件最大化生物源碳酸钙的产量。

部分内容片段

接种物制备

Gephyrocapsa huxleyi CCMP371是从国家海洋藻类与微生物中心（NCMA）获得的。种子培养物在体积为50毫升的聚苯乙烯组织培养（TC）瓶中连续传代培养。无菌瓶子装有过滤盖，以实现无菌空气交换。培养物使用L1/25培养基（Guillard and Hargraves, 1993）和人工海水（ASW）进行培养，符合ASTM D1141-98标准（Lake Products LLC，美国密苏里州），盐度为35 ppt。

盐度的影响

本研究使用的G. huxleyi CCMP371菌株来自马尾藻海（Sargasso Sea），该地区盐度较高（>37 ppt），这归因于较暖的海流、较大的蒸发量以及缺乏河流或冰川融水的淡水混合（Bates & Johnson, 2020）。正如预期的那样，该菌株具有较高的盐度耐受性，在45 ppt盐度下最大细胞密度达到13.20±0.24×10⁵个细胞/毫升（表1）。在35 ppt盐度下细胞数量略低；然而，

结论

本研究优化了各种环境参数对G. huxleyi CCMP371生长和碳酸钙积累的影响。该菌株在盐度35–45 ppt、光照强度高达800 μmol m^?2 s^?1、温度22–26°C的条件下生长最佳，并且需要维生素B₁₂才能生长。营养浓度在L1/4到L1/12之间时，既有利于生长也有利于碳酸钙的积累；较高的营养水平虽然能产生更密集的培养物，但碳酸钙含量较低。

未引用参考文献

Takano et al. (1993).

CRediT作者贡献声明

尼兰贾娜·马祖姆达尔（Nilanjana Mazumdar）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、实验设计、数据分析、概念构建。 丹妮尔·N·贝蒂（Danielle N. Beatty）：审稿与编辑、数据验证、实验设计、数据分析。 马修·H·菲夫（Matthew H. Fyfe）：审稿与编辑、数据验证、实验设计。 威尔·V·斯鲁巴尔（Wil V. Srubar）：撰写、审稿与编辑、项目管理、资源协调、监督工作、概念构建、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：威尔·V·斯鲁巴尔三世（Wil V. Srubar III）表示获得了高级研究项目署（Advanced Research Projects Agency-Energy）的财务支持；还获得了国家科学基金会（National Science Foundation）的财务支持；与Prometheus Materials Inc存在关系，包括持有该公司股权或股票；拥有专利#PCT/US2024/034205。

致谢

本研究得到了科罗拉多大学博尔德分校土木、环境与建筑工程系、材料科学与工程项目、工程学院与应用科学学院以及Living Materials实验室的支持。

本研究还得到了科罗拉多州纳米制造与表征共享仪器设施（COSINC）的支持，具体包括COSINC-CHR（表征部门，隶属于科罗拉多大学工程学院与应用科学学院）。