通过调节光照质量和补充碳酸氢盐来提高Botryococcus braunii中与能量相关的物质产量

《Biomass and Bioenergy》：Boosting energy-related substance production in Botryococcus braunii by light quality regulation and bicarbonate supplementation

微藻光合作用调控机制研究：以红蓝复合光与碳酸氢盐添加为例，系统分析光照质与碳源协同对Botryococcus braunii生长、脂质及烃类产量的影响，结合荧光诱导技术揭示光合电子传递链优化路径及能量转化效率提升机制。

　　

金翠丽|彭欣|张颖|田伟琪|刘青|周晓健

江苏省扬州市汉江区华阳西路196号，扬州大学环境科学与工程学院

摘要

光质和碳供应调节微藻的光合作用，影响其生长和与能量相关的物质积累。本研究在三种光质条件下培养了Botryococcus braunii：白光（W）、红光（R）和红蓝光（RB，R:B = 3:4），并设置了三种碳酸氢盐处理方式（不添加、一步添加+、两步添加++），共进行了9组实验（W, W+, W++; R, R+, R++; RB, RB+, RB++）。结果表明，W+、R+和R++显著促进了B. braunii的生长、脂质和烃类物质的产生。在W⁺、R⁺和R⁺⁺处理下，生物量分别达到203.47、266.11和249.86 mg/L（分别是W的1.85倍、2.42倍和2.27倍）；脂质产量分别为84.71、133.20和137.07 mg/L（分别是W的1.97倍、3.10倍和3.19倍）；烃类产量分别为59.97、88.16和87.48 mg/L（分别是W的2.29倍、3.37倍和3.35倍）；脂质含量分别为41.70%、50.06%和54.85%（分别是W的1.07倍、1.28倍和1.41倍）；烃类含量分别为29.51%、33.13%和35.02%（分别是W的1.24倍、1.40倍和1.48倍）。除了这些处理条件下的动态pH变化外，全周期光合作用监测还揭示了从初级醌受体（Q_A）到次级醌受体（Q_B）的电子转移过程，以及在中后期从质体醌（PQ）到光系统I（PSI）的电子转移过程。每个横截面的能量吸收/捕获/电子转移（ABS/CSm, TRo/CSm, ETo/CSm）保持稳定，而综合性能指标显著提高。这些光合作用的增强作用促进了B. braunii的生长和与能量相关的物质积累。研究结果为B. braunii培养中的光-碳调控提供了商业应用参考，并有助于阐明其调控机制。

引言

传统能源储备既有限又具有内在的碳密集性，在整个生命周期中会释放温室气体[1]。微藻脂质作为第三代生物柴油的前体，是少数几种技术上可行的途径之一，既能满足现有内燃机基础设施对能量密度的要求，又能实现净零未来的碳中和目标[2]。Botryococcus braunii（绿藻门）既能积累细胞内的三酰甘油（TAGs），又能分泌占干重超过30%的细胞外烃类[3]。这些长链的botryococcenes和角鲨烯衍生物具有比传统脂肪酸甲酯更高的热值，可以直接使用而无需酯交换[4]。然而，由于生产力较低[3]，其工业化应用仍面临挑战。

微藻主要在400–700 nm的光谱范围内吸收光子；红光（600–680 nm）和蓝光（420–470 nm）最有效地驱动双光系统反应[5]。然而，相同的光子还会以物种特异性的方式调控基因表达、色素沉着和碳分配[6]。在密集培养中，溶解无机碳（DIC）的可用性往往成为限制因素[7]。为应对这一问题，一些微藻采用了二氧化碳浓缩机制（CCM），主动积累碳酸氢盐（HCO₃^?），提高核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）周围的CO₂分压[8]。从能量角度来看，CCM由光合作用线性电子转移（LET）过程中产生的ATP驱动，从而将碳的获取直接与光系统性能联系起来[9]。因此，提供外源碳酸氢盐可以绕过CCM，将光子能量重新分配到生物量和与能量相关的物质合成中[10]。

尽管在微藻培养中使用碳酸氢盐作为DIC来源和调节光质作为照射策略已经显示出优势，但以往的研究大多将光质和碳酸氢盐视为独立的“生长优化因素”[7,10]。这些研究通常只关注总体输出指标，如细胞密度、三酰甘油（TAG）产量和烃类产量，而忽略了连接光子捕获和碳固定的体内光合作用过程。这种经验性的黑箱方法掩盖了培养周期中动态出现的生理瓶颈[11]。叶绿素a（Chl-a）荧光诱导（OJIP）及其衍生的JIP测试提供了一种非侵入性的方法，可以观察到从光吸收（ABS）到激发能捕获（TR）、电子转移（ET），最终到NADPH和ATP合成的能量流动[12,13]。值得注意的是，能量转换和利用与光合作用电子转移密切相关——这一关联也可以通过JIP测试得出。因此，Chl-a荧光诱导技术提供了仅通过生长或产量参数无法获得的独特见解[6,7]。

在本研究中，B. braunii在9种不同的光质和碳酸氢盐添加条件下进行培养。在整个培养过程中，持续监测了B. braunii细胞的电子转移链操作、能量转换和综合光合作用性能的变化。将这些生理指标与物质产量联系起来，以阐明光谱质量和碳酸氢盐如何共同重新编程B. braunii的光合作用机制。

实验设计

藻株

Botryococcus braunii FACHB-1106购自中国科学院水生生物学研究所的新鲜藻类收集库，并由扬州大学海洋科学技术研究所保存。

实验设计

使用LED光源（总功率7 W，由7个1 W芯片组成）提供三种光质：白光（W）、红光（R，峰值波长660 nm）和红蓝组合光（RB，峰值波长分别为660 nm和455 nm，红蓝比为3:4，基于我们之前的研究）

对生长、生物量和色素的影响

在整个培养期间，添加碳酸氢盐的处理组的pH值始终高于未添加碳酸氢盐的组（图1a）。根据pH变化趋势，9组处理可以分为三组：高pH组（R+, R++, W+）、中等pH组（RB+, RB++, W++）和低pH组（R, RB, W）。在低pH组中，pH值从初始的7.36上升到第8天（d8）的8.86，然后逐渐下降并稳定在8–8.5之间。高pH组的pH变化趋势类似

讨论

碳不仅是微藻生物量中最关键的元素，还是代谢过程（如三羧酸循环、糖酵解、脂肪酸合成）的关键组成部分[22]。因此，碳源的类型和浓度不仅影响微藻细胞的生长，还影响其代谢过程[22]。向B. braunii培养系统中添加碳酸氢盐（HCO₃^?）不仅促进了生长，还增强了与能量相关的物质产生（图1c和2a–d，图3）。

结论

本研究通过整个培养周期的全周期荧光监测以及光合作用活性参数的整合，证明了W+、R+和R++处理促进了光合作用电子传输链中Q_A-Q_B和PQ-PSI段的电子转移，同时提高了完整且存活的B. braunii细胞中PSII和PSI的综合光合作用活性。此外，碳酸氢盐和红光的联合应用

伦理批准和参与同意

不适用。

人类和动物伦理

不适用。

支持数据的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在已发表的文章中。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42477513和42177459）的支持。

CRediT作者贡献声明

金翠丽：概念构思、形式分析、资金获取、实验设计、方法学研究、资源准备、软件使用、数据验证、结果可视化、初稿撰写及审稿编辑。彭欣：实验设计、方法学研究、软件使用、数据验证、结果可视化、初稿撰写及审稿编辑。张颖：数据整理、实验设计、方法学研究、数据验证、结果可视化、初稿撰写及审稿编辑。田伟琪：数据整理、形式分析、实验设计