微藻在农业可持续发展中的应用研究进展

近年来,饲料、饵料产量不足和化肥、农药大量施用带来的环境污染问题给农业可持续发展带来了巨大挑战。微藻因其含有能够促进动植物生长、提高农产品品质的营养元素和生物活性物质,且能同化氮、磷等污染物,被广泛应用于农业种植业、畜禽业和水产养殖业。该文系统总结和分析了微藻在土壤改良、农作物保护、直接刺激农作物生长、畜禽和水产养殖废水处理、饲料和饵料等领域的应用现状、特征和环境与经济效益,以及面临的机遇和挑战。分析发现,通过优化微藻培养技术降低其规模化应用的采收成本和提高其对污染物的去除效率,系统增强其在农业应用中的经济价值和可持续性,为农业可持续发展提供科技支撑是未来微藻研究的重点关注方向。

LED光质影响微藻生长和代谢产物积累的研究进展

光质是影响微藻生理代谢的重要环境因子之一,它会影响微藻的生长发育、光合作用及代谢产物的积累等。发光二极管(light emitting diode,LED)作为一种新型冷光源,因具有能耗低、稳定性强、颜色多变、安全环保等优点而被广泛应用,且能按需求获得单色光与复合光谱,是一种非常适合于微藻培养的人工光源。已经有越来越多的研究者和企业关注LED光质在调节微藻生长和代谢产物积累方面的优势。该文对现有文献进行整理,重点综述了LED不同光质对微藻生长及代谢产物积累的影响。在LED单色光(红光、蓝光、绿光、黄光和橙光)中以红光和蓝光对不同类群微藻生物量和代谢产物积累的提升最为显著;而LED混合光,特别是红蓝光往往比单色光更能增加微藻生物量和代谢产物的积累。然而,微藻的光合作用、生长及代谢产物积累的最佳光质在不同类群和同一物种的不同藻株中通常有很大差异。未来,LED光质在微藻生产中的应用应该着重从光质影响微藻代谢产物积累的分子机制、开发新型高效LED光源、开发基于LED光质调节的高效光生物反应器、LED光质应用于微藻大规模培养等几个方面开展。

等剪切振动膜过滤浓缩微藻过程中对膜污染的影响

等剪切振动膜技术是一种新型的膜过滤技术,通过产生强烈且恒定的剪切力有效地减轻膜污染。使用该技术分别进行了回流和浓缩过滤微藻实验,通过对跨膜压差(TMP)、膜形貌变化以及膜上胞外有机物(EOM)组分的分析,探究等剪切振动膜在小球藻浓缩过程中的抗污染能力。结果表明,等剪切振动膜在微藻浓缩实验中受到了较为严重的污染,主要是由于在浓缩过程中藻液浓度不断升高,造成了较高的可逆污染(72.24%),但在冲洗后膜通量可以得到有效恢复,纯水通量由329.8 L/(m^(2)·h)恢复至2400.5 L/(m^(2)·h)。综合考虑,采用等剪切振动膜进行微藻过滤浓缩是可行的。

水体中氮、磷在微藻及藻-菌共生系统中的迁移转化

水体中的氮、磷污染被认为是引发诸多水环境问题的主要因素之一,而微藻及藻-菌共生系统在污水深度处理方面具有独特的优势,因此深入研究及探讨氮、磷在其中的迁移转化过程及规律对氮、磷的处理及利用具有重要的意义。系统阐述了微藻及藻-菌共生系统处理污水时,水体中的氮、磷在处理过程中的迁移转化路径、形态及其影响因素,深入分析并总结了微藻对氮、磷的吸收机制,以及藻-菌共生系统在氮、磷循环中的协同作用,以期为不同水质的处理及条件的优化提供思路,为水环境保护和修复提供科学依据和技术支持。

天然抑菌剂在鲜食微藻中应用的可行性分析

微藻营养丰富,目前市售产品主要以高温干燥处理后的微藻粉制得,然而干燥过程会导致活性成分大量流失,营养价值大打折扣,因此,基于新鲜微藻开发的鲜食产品极具市场价值。在鲜食微藻保藏过程中,防腐且保留藻细胞活性是面临的首要问题。天然抑菌剂因为绿色安全已经被应用于水产品、肉制品、奶制品等食品中,具有良好的防腐保鲜效果。文章分析了几种天然抑菌剂的抑菌机制及其应用现状,并分析了将其应用于鲜食微藻的可行性。

磁性Fe_(3)O_(4)纳米颗粒强化微藻废水处理及产油效果的研究

针对微藻规模化废水处理过程中污染物去除效果不稳定、采收困难及藻细胞油脂提取率低等问题,以磁性Fe_(3)O_(4)纳米颗粒作为强化剂和絮凝剂,考察其对微藻废水处理效果、藻细胞生物量和油脂含率及后续微藻采收的提升作用。结果表明,在20 mg/L浓度的Fe_(3)O_(4)NPs作用下,斜生栅藻对污水中COD、NH_(4)^(+)-N和TP的去除率分别达到98.82%、93.25%和78.22%,小球藻生物量增加49.91%,总脂产量增加66.92%;投加30 mg/L浓度的Fe_(3)O_(4)NPs可以在10 min内获得94%的小球藻收获率;当投加浓度增加到100 mg/L时,小球藻细胞的油脂含率由23.27%提升至38.66%,总脂产量增加68.38%。为制定集促进微藻净水效率提高、藻细胞生物量和油脂含率提升及藻细胞快速采收等多种功能于一体的Fe_(3)O_(4)NPs投加策略提供技术参考。

2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素分布数据集

中国近海包括渤海、黄海、东海和南海,海洋资源丰富,对国家经济发展有着重要战略意义。近年来,藻类及藻类产生的藻毒素造成的水体安全问题日益严重,中国近海有害藻华的发生频率和规模不断增加。本数据集汇总整理了2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素调查数据,包括3429条微藻数据、33240条微藻分子物种数据、489条浮游植物中藻毒素数据、76条海水中藻毒素数据和440条经济物种体内藻毒素数据。提供数据的各研究团队通过项目内部和国际互校确保检测数据的准确性。为展示中国近海有毒有害微藻和藻毒素的分布情况,提供了115幅微藻分布图和29幅藻毒素分布图。本数据集可以为中国近海有毒有害微藻和藻毒素的时空分布规律研究、有害藻华的预防预警及防治等提供数据支撑。

微藻对新污染物胁迫响应机制的研究进展

随着分析技术和环境监测手段的进步,新兴污染物在环境中已普遍检出,其潜在的环境危害近年来受到广泛关注和研究。微藻作为水生生态系统中的初级生产者,不仅在维持生态系统的稳定与平衡中发挥着至关重要的作用,其对环境变化的高度敏感性也使其成为研究环境毒理学影响的理想生物模型。本文系统综述了微藻对于5类新兴污染物包括全氟化合物、多环芳烃、微塑料、合成酚类抗氧化剂及有机磷酸酯等在内的响应机制,重点探讨了微藻在污染物胁迫下的生长和形态、对污染物的吸收和代谢、氧化应激反应、光合作用及基因表达等方面,分析了新兴污染物胁迫下微藻的响应机制,归纳了新兴污染物作用于微藻的毒性影响与可能的作用机理,通过总结和分析提出了建议和展望。

微藻生物油对橡胶/SBS改性沥青性能的影响

为了改善橡胶粉与基质沥青的相容性,采用微藻生物油(MB)对橡胶粉进行改性,并与质量分数为5%的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)复合制备了改性沥青;通过红外光谱和扫描电子显微镜,分析了橡胶粉改性前后的变化;采用黏度、荧光、相分离测试,分析了改性前后橡胶在沥青中的分散性;通过动态剪切流变和多重应力蠕变恢复试验,分析了改性沥青的力学性能和耐老化性能。结果表明,MB的掺入提高混合体系中轻组分占比,促进胶粉(CR)在沥青中的溶胀发育,提高了改性沥青的贮藏稳定性、黏弹性和抗车辙性。

微藻的功能特性及其在食品中的应用研究进展

随着全球人口的增长,粮食生产逐渐呈现供不应求的局面,与此同时,日趋下降的环境质量也在迫使传统的食品供应体系发生改变。微藻中含有丰富的宏量营养素和生物活性物质,不仅可以为人体提供营养,而且具有抗氧化、抗菌、免疫调节等功能,作为潜在的食品原料新来源,受到越来越多的关注。本文综述了微藻的特征及可食用种类,详细介绍了微藻蛋白、多不饱和脂肪酸、多糖和其它生物活性物质的生理活性功能,深入讨论了其在替代肉类蛋白、补偿减盐食品风味、抑菌防腐和功能性食品开发方面的应用潜力及前景,总结了其在食品应用中现存的问题与挑战,展望未来的发展方向,旨在为微藻类食品的开发和食品新资源的探索提供理论参考。

微藻生物技术在养殖废水处理中的应用

随着养殖业发展,废水污染问题严峻。因微藻生长迅速、光合效率高,能高效转化营养盐为生物质,微藻生物技术成为前景广阔的废水处理技术。文章概述了微藻对养殖废水的处理机制、处理效果以及现有的微藻生物技术,首先阐述了微藻的定义,详述其分类、生长条件及光合特性;然后进一步探讨了微藻通过吸附、累积、降解等方式处理废水中抗生素、氮磷碳及重金属的机制,概括了微藻在去除污染物及生产生物质方面的高效性,并介绍了单一藻种、藻菌共生及固定化等多种处理策略的优劣;最后总结了当前微藻处理养殖废水仍需加强的综合研究内容。

微藻细胞外囊泡的研究进展

细胞外囊泡是由几乎所有类型的细胞产生并分泌到胞外的具双层磷脂结构的纳米级囊泡,作为蛋白质、核酸、脂质和代谢物等物质的载体在细胞间穿梭,行使物质传递和信息交流功能。微藻细胞也向环境中释放细胞外囊泡以介导细胞间通讯功能,在微藻的环境适应、营养运输、病毒感染和调节水体生态平衡等方面发挥重要作用。文章从概念、提取和富集方法、生物学特性和生理功能的角度介绍微藻源细胞外囊泡,归纳了常用的提取方法和表征手段的优点和不足,总结它们的结构、组成和生理特性,并探讨其在疾病治疗和纳米载药平台构建领域中的应用潜力和优势。对微藻源细胞外囊泡在食药递送载体应用领域存在的问题及未来的发展方向提出观点和建议,为将来微藻源细胞外囊泡的生理学功能研究及其在微藻产业和食药研发领域的应用提供新的思路与方法。微藻源EVs的生产及其在食药递送系统构建领域的应用研究有望成为微藻生物应用领域的发展趋势。

基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30~140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47μmol/(m^(2)·s),平均光强达64μmol/(m^(2)·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养7 d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L,微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。

微藻超临界水气化制取富氢合成气的研究进展

微藻具有生长周期短、光合固碳效率高等优势,并且含有丰富的糖类、蛋白质和油脂等含碳化合物,是极具能源化和资源化利用潜力的可再生生物质资源。超临界水气化技术能够在不需要干燥微藻的条件下直接将高含水微藻转化为富氢合成气,可节约大量微藻脱水能耗,并且具有反应速率高、转化效率高等优势,近年来受到了国内外研究者的广泛关注。基于此,本文综述了近年来微藻超临界水气化制氢的研究进展,重点讨论了微藻超临界水气化反应的主要影响因素,包括反应温度、压力、停留时间、物料浓度和反应器类型,阐释了不同催化剂对微藻超临界水气化过程的影响和作用机理。并探讨了微藻主要三组分模型化合物在超临界水气化过程的反应机理,总结了微藻超临界水气化过程的动力学和热力学特性。最后展望了微藻超临界水气化制取富氢合成气技术的未来研究方向,为微藻超临界水气化制氢技术的研究与应用提供理论指导。

基于深度学习的微藻自动检测系统研究

目的 微藻养殖产业规模巨大,在养殖过程中微藻易受杂菌和其他污染物的影响,因此需要定期对微藻进行检测,以确定其生长情况。现有的光学显微成像法和光谱分析法对实验人员、实验设备及场地的要求较高,无法做到实时快速检测。为了实现实时快速检测,需要一套检测要求低、速度快的实时微藻检测系统。方法 本文开发了一种基于深度学习的微藻检测系统,通过搭建一套基于明场成像的显微成像设备,使用采集的图像训练基于YOLOv3的神经网络,并将训练好的神经网络部署到微型计算机,从而实现了实时便携微藻检测。本文对特征提取网络进行改进,包括引入跨区域残差连接机制和注意力选择机制,另外还将优化器改为Adam优化器,使用多阶段多方法组合策略。结果 加载跨区域残差连接机制时最高平均精度(mAP)值为0.92。通过与人工结果进行对比,得到检测误差为2.47%。结论 该系统能够实现微藻实时便携检测,提供较为准确的检测结果,可以应用于微藻养殖中的定期检测。

沼液兼养培养微藻潜力及不同有机碳源影响

利用沼液培养微藻可在收获藻生物质的同时回收碳、氮、磷养分,是沼液资源化利用极具潜力的途径。与光合自养相比,兼养培养可实现藻生物量快速积累,且对光、碳利用灵活,与透光性不佳的沼液相性较好,但目前缺乏相关研究论证其可行性。本文首先选取了小球藻Chlorella sp.、蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa、栅藻Scenedesmus sp.,以葡萄糖为碳源利用猪粪沼液对3株微藻进行了兼养培养。结果显示,兼养策略可在大幅强化藻生物量积累的同时协同提升沼液污染物去除。其中,Chlorella pyrenoidosa展现出最佳的生物量及养分去除优势,培养7 d生物量可达1.51 g·L^(-1),为光合自养的6.12倍,沼液COD、氨氮、总氮、总磷去除率较自养分别提高了20、36、41个和32个百分点。本研究进一步考察了具备两种典型碳代谢路径的有机碳源(葡萄糖-三羧酸循环,乙酸钠-乙醛酸循环)对Chlorella pyrenoidosa沼液兼养培养的影响,发现葡萄糖相较于乙酸钠更适宜作为沼液兼养培养的有机碳源,且葡萄糖浓度与利用效率呈负相关,1 g·L^(-1)葡萄糖浓度条件下Chlorella pyrenoidosa具有最高的单位有机碳生物量产率。此外,兼养微藻通过代谢葡萄糖可协同提升光合性能,使PSⅡ最大量子产量、实际量子产量、调节性能量耗散量子产量等维持较高水平,既弥补了沼液弱透光下光能不足,也强化了持续光照后的光系统损伤恢复机制。因此,本研究认为以添加1 g·L^(-1)葡萄糖的沼液兼养培养Chlorella pyrenoidosa是克服沼液养藻光衰减等不利因素,强化微藻生物量产量及养分回收效率的有效方式,在畜禽养殖场沼液生物消纳与资源化利用方面有较好的应用前景。

增施微藻和牛粪有机肥对土壤化学性质和细菌群落以及烤烟产质量的影响

【目的】研究增施微藻和牛粪有机肥对烟草生长、产质量及土壤细菌群落的影响。【方法】设置微藻、牛粪有机肥、微藻+牛粪有机肥和空白对照(CK)4个田间试验处理,监测烟株农艺性状、烤后烟叶产量和化学成分,测定土壤化学性质,运用荧光定量PCR、Illumina Miseq测序等分子生物学技术分析土壤细菌群落丰度和组成。【结果】与CK相比,增施微藻+牛粪有机肥可显著增加土壤硝态氮、溶解性有机碳、有效磷和速效钾含量,改善土壤pH;烟株圆顶期株高和叶数显著增加,烤后烟叶中总氮、钾、烟碱、总糖和还原糖含量以及氮碱比和钾氯比显著增加,烟叶产量和产值分别提高13.70%和16.78%;可提高土壤细菌群落多样性,优化土壤细菌群落结构,其中芽孢杆菌属(Bacillus)的相对丰度升高,提升了土壤细菌群落抑制青枯病害的能力。典型对应分析结果表明:土壤pH以及硝态氮和速效钾含量是影响土壤细菌群落结构组成的关键因素。【结论】增施微藻和牛粪有机肥可提高土壤养分含量,活化土壤有益微生物,提高细菌群落抑制青枯病菌的能力,改善土壤微生态环境,促进烟草生长,提高烟叶产量和品质。

微藻配施枯草芽孢杆菌对烟田土壤化学性质和细菌群落的影响

【目的】研究微藻与枯草芽孢杆菌的共生关系及其对土壤细菌群落的影响。【方法】设置微藻(M)、枯草芽孢杆菌(B)、微藻和枯草芽孢杆菌(MB)及空白对照(CK)4个处理,在室内连续恒温培养35 d,测定土壤化学性质,运用荧光定量PCR和Illumina Miseq测序等分子生物学技术,分析土壤细菌群落丰度和组成的演替规律,揭示微藻配施枯草芽孢杆菌对土壤化学性质和细菌群落的影响。【结果】与CK处理相比,微藻配施枯草芽孢杆菌显著提高土壤铵态氮、硝态氮、DOC含量和pH,在培养第35天分别增加11.93%、17.80%、5.58%和2.75%。微藻配施枯草芽孢杆菌显著增加土壤细菌群落丰富度和多样性,改善土壤细菌群落结构,显著增加变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌属(Nitrospira)和芽孢杆菌属(Bacillus)的相对丰度。冗余分析(RDA)结果显示,土壤pH、有效磷和硝态氮含量是引起土壤细菌群落结构变化的主要环境因子。微藻配施枯草芽孢杆菌促进土壤细菌群落间的正向相互作用,显著增加网络拓扑参数节点数、边数、平均度,网络更加复杂。【结论】微藻配施枯草芽孢杆菌能有效改良土壤养分,调节养分变化规律,显著增加土壤细菌多样性,优化土壤细菌群落结构,促进细菌群落间的相互作用。

微藻油脂合成的转录调控研究进展

生物燃料是传统化石燃料的理想替代品,微藻是生产生物燃料的优良原料,通过对微藻油脂合成和调控的了解,能够有效提高微藻生产生物柴油的效率。转录因子是一种具有特殊功能结构、行使调控基因表达功能的蛋白质分子,在复杂的油脂合成代谢过程中,转录因子能对代谢过程中多个酶系进行集体调控,从而促进藻细胞中油脂积累。从微藻油脂的合成途径出发,简要介绍了合成途径中的关键酶,重点综述了bZIP、MYB、Dof、bHLH转录因子对于微藻油脂合成的调控影响。微藻油脂合成涉及多个亚细胞单位的多条途径,是一个十分复杂的代谢网络过程,通过基因工程手段改变合成途径中相关酶的表达可以增加微藻中油脂积累。

抗生素去除与二氧化碳固定耦合的微藻包埋技术研究

为了解决抗生素污染日益严峻和二氧化碳过量排放的问题,本研究以蛋白核小球藻为原料,海藻酸钠为固定剂,氯化钙为交联剂,制备蛋白核小球藻藻珠并将其用于抗生素去除与二氧化碳固定耦合。研究结果表明:当海藻酸钠为2%(质量分数,下同)和氯化钙为3%时,藻珠成球速度、机械强度和抗崩解性最佳。5%(体积分数,下同)和10%的二氧化碳显著促进了蛋白核小球藻的生长并增强了其对头孢拉定的处理能力,反应24 h后头孢拉定去除率分别为84.89%和84.31%,二氧化碳的吸收率分别为72.25%和71.71%。相比于二氧化碳5%和10%条件,二氧化碳20%条件下蛋白核小球藻对抗生素的处理和二氧化碳的吸收率均显著降低。二氧化碳5%和10%条件下的碳代谢相关酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性显著升高,能够使微藻细胞固定更多的二氧化碳。二氧化碳10%条件下的碳酸酐酶活性显著升高,能够催化更多的碳酸氢钠转变为二氧化碳,从而被微藻细胞吸收利用。