Tetradesmus sp. 代谢的多样性在多目标培养优化中的应用：评估其对联合营养盐胁迫的代谢响应

《Algal Research》：Versatility of Tetradesmus sp. metabolism for multi-objective culture optimization: Assessment of metabolic state in response to combined nutritional and salt stress

　　绿藻Tetradesmus sp. LT1在BG-11培养基中通过氮饥饿和NaCl添加实现最大生物量（5.8 g/L）和脂质含量（59.1%），三因素中心复合设计证实盐度和氮磷胁迫显著影响类胡萝卜素合成，其中虾青素（17%）和角黄素（20%）随NaCl浓度升高而增加，叶黄素在低盐度下达29%，为微藻生物炼制提供新候选种。

　　

Nadia Berrejeb|Cecilia Faraloni|Souhir Jazzar|Giuseppe Torzillo|Issam Smaali

迦太基大学，蛋白质工程与活性生物分子实验室，国家应用科学技术研究所（INSAT），BP 676，北城区，1080，突尼斯Cedex，突尼斯

摘要

微藻作为生产多种高价值生物分子的可持续原料，正受到越来越多的关注。在本研究中，通过显微镜和分子方法鉴定出一种绿色微藻Tetradesmus sp. LT1，并对其营养需求进行了分析，以确定能够最大化类胡萝卜素产生的压力条件。在标准培养基中，BG-11支持最高的生长和生物量生产力。通过氮缺乏和添加氯化钠（NaCl）来改变其组成。监测了光系统II的最大量子产率（Fv/Fm）、呼吸作用（μmolO?·mL?1·min?1）和叶绿素a的含量，以评估该菌株的性能。进一步采用了三因素中心复合设计，通过改变NaCl、硝酸盐和磷酸盐浓度来施加联合营养和盐度压力。结果表明，这三个因素均显著影响了生物量（最佳值为5.8克/升）和脂质含量（在硝酸盐缺乏和磷酸盐限制条件下为59.1％，在47克/升NaCl条件下为47％）。对于通过HPLC-DAD分析的次级类胡萝卜素，只有NaCl对其组成有显著且定性的影响，导致虾青素（增加17％）和角黄素（增加20％）。相比之下，紫黄质随着NaCl浓度的降低而增加，达到29％，而所有条件下的主要类胡萝卜素叶黄素则相对稳定（30–42％）。总体而言，这些结果突显了Tetradesmus sp. LT1作为未来生物精炼应用的宝贵候选者的潜力。

引言

微藻是生物圈中最多样化的生物之一，在可持续农业、水产养殖、食品工业、可再生能源和环境生物修复等多个领域具有广泛的应用[1]。这些光合微生物是最有吸引力的生物资源之一，因为它们可以加工成各种产品，包括药品、生物化妆品、生物塑料和生化制品。它们的细胞机制基于利用阳光、二氧化碳（CO2）和水来保证生长。因此，二氧化碳排放和废水可以用作营养来源，从而减少对碳和水足迹的压力[2]，这与全球应对气候变化的二氧化碳减排趋势一致。然而，许多挑战阻碍了基于微藻的产业商业化的发展，首先是选择能够产生目标分子潜在产量的强健菌株，其次是包括培养、收获和转化在内的高效工艺，最后是实现最终产品的成本效益[3]。例如，用于生物燃料生产的微藻培养在经济上并不可行。综合利用微藻生物质中的各种代谢物是微藻在生物燃料、药品和水产养殖行业中具有经济竞争力的基础步骤[4]。生物精炼概念是一种有前景的解决方案，可以级联生产并提取不同的代谢物，充分利用微藻生物质[5]。这一选择需要深入理解微藻的代谢过程，以提高高附加值代谢物（特别是类胡萝卜素）的产量。据估计，2024年全球类胡萝卜素市场规模为21亿美元，预计到2029年将达到约29亿美元[6]。类胡萝卜素属于异戊二烯亚家族，根据其分子结构中是否存在氧分子，主要分为胡萝卜素和叶黄素[7]。叶黄素、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素被归类为初级类胡萝卜素，而虾青素和角黄素被归类为次级类胡萝卜素[8]。

类胡萝卜素对多种人类健康问题具有保护作用，如某些癌症、眼疾和心血管疾病，并能改善免疫系统功能、皮肤质地和细胞间隙通讯。它们被认为是优秀的一氧化氧清除剂[7]。实际上，类胡萝卜素参与了多种重要功能，如捕获光能、帮助形成光系统的结构装置、调节非光化学淬灭、清除藻细胞中的活性氧（ROS）、防止氧化应激以及在代谢压力条件下积累[3]。因此，必须了解并掌握在大规模培养中应施加的压力条件，以保证生产批次的重复性和生物过程的控制。此外，选择具有多样代谢且能有效应对压力条件的强健微藻是开发有效工艺的优先事项。因此，本研究旨在鉴定一种新分离的微藻菌株，该菌株对非生物和生物条件的变化表现出独特的响应，并确定影响其代谢方向的关键因素，特别是类胡萝卜素和脂质的合成。采用基于中心复合实验设计和响应面方法（RSM）的多响应优化策略，研究了盐胁迫和大量营养素限制的联合效应。这种方法能够重新定向代谢途径，并为开发生物质增值的生物技术概念提供框架。

部分摘录

微藻鉴定

这种被命名为LT1的绿色微藻是从突尼斯北部泻湖（GPS：36°49′25.6″N 10°12′36.4″）分离出来的，采用Jazzar等人描述的选择性培养基富集方法[9]。实验室规模的培养在BG11培养基中自养生长[10]，温度为30°C，使用冷白荧光灯连续照明（70 μmol光子m-2·s-1），在500毫升Erlenmeyer烧瓶中以100 rpm的速度搅拌以保存菌株。所选微藻

菌株鉴定及在不同培养基上的生长

LT1菌株是从突尼斯市的“北部泻湖”分离出来的。由于其通过富集方法分离出来，并且能够在Conway培养基中存活，因此被认为是最健壮的菌株之一，如Jazzar等人所述[9]。LT1菌株还在广泛的初始pH范围内（4至10）生长（补充数据S1）。在烧瓶和琼脂平板上长期培养的LT1微藻存活了几个月，同时它们的颜色趋于

结论

本研究从突尼斯的泻湖中分离出一种绿色微藻，鉴定为Tetradesmus sp. LT1。这项研究基于统计方法进行了深入调查，能够控制藻类的代谢，使其适用于工业用途。结果表明，在最佳生长条件下，该菌株非常适合密集培养，具有丰富的蛋白质和叶黄素等生物量

CRediT作者贡献声明

Nadia Berrejeb：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Cecilia Faraloni：验证，软件，方法学，正式分析，数据管理。Souhir Jazzar：撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理。Giuseppe Torzillo：监督，软件，资源，方法学。Issam Smaali：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件，

利益冲突声明

我声明没有可能影响我们提交工作的潜在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢突尼斯高等教育和科学研究部-迦太基大学（突尼斯）在Nadia Berrejeb撰写论文期间提供了为期3年的青年研究人员资助，以及为期3个月的学生交流资助。作者还感谢INSAT和CNR实验室的所有帮助同事。