文章标题：Pilot-scale non-sterile mixotrophic cultivation of Galdieria sulphuraria for high-efficient removal of ammonium with enhancing high-protein biomass production from industrial effluent
发表期刊：Bioresource Technology
影响因子：8.2
合作单位：华南理工大学
百趣提供服务：微生物群落多样性测序（细菌16S）
研究背景
我国化工、炼油、制药、催化剂制造等行业每年排放高氨氮、高盐且C/N失衡的工业废水逾3亿吨。极端环境微藻—嗜硫原始红藻(Galdieria sulphuraria)可在pH 1–3、45℃、高盐环境中进行兼养生长，同步合成蛋白、类胡萝卜素等高值产物。本研究构建了嗜硫原始红藻从实验规模到中试规模的非无菌混合营养培养系统，来处理中石化高氨氮废水，证明了利用嗜硫原始红藻作为高效细胞工厂通过混合营养培养去除废水中的NH₄⁺-N具有可行性，凸显了中试规模、非无菌、高蛋白生物质生产在推动基于微藻的“废料变资源”生物转化及实现经济高效的废水处理方面的潜力。
研究结论
01.工业废水水质特征
实验生产过程中所产生的工业废水，NH₄⁺-N浓度高达12853.00 mg/L、Na⁺浓度 7521.00 mg/L、碳源低且pH呈中性，这些特点不适宜嗜硫原始红藻生长。基于水质特征，需要对废水进行预处理：将NH₄⁺-N稀释至5000 mg/L、补充葡萄糖至20 g/L并调pH至2.0，以适配红藻生长并抑制杂菌。
02.细胞生长和生物质生产
图1展示了嗜硫原始红藻从实验室规模到中试规模混合营养培养过程中，通气量、光照强度、溶氧量、搅拌速度的梯度调节变化规律，保障红藻在不同规模下均能高效生长。
细胞密度和生物量浓度（图2a-b）结果显示，各规模培养均呈“适应期→加速生长期→稳定期”趋势；进一步量化（表1）表明，10000-L批次2的生物生产力是50-L的6倍以上，且500-L和10000-L规模的生物量指标多显著高于50-L。各规模培养中葡萄糖持续消耗，且规模越大消耗速率越快（图2c），通过补料（700 g/L葡萄糖溶液）维持碳源浓度，为10000-L规模下生物质的高效积累提供保障。结合上述结果可知，中试规模培养可通过设备与参数优化缓解生长限制、提升生物质产能。
图1. 实验室规模和中试规模中操作参数的梯度调整
表1. 不同规模混合营养培养中，利用嗜硫原始红藻生产生物质并回收营养物质
图2. 嗜硫原始红藻在培养过程中的生长和生物质生产
03.营养物去除
探究了嗜硫原始红藻在不同规模非无菌混合营养培养中的营养盐（NH₄⁺-N、PO₄³⁻-P、SO42-）去除效果。各规模培养中，NH₄⁺-N浓度均持续下降，且中试规模的下降速率远高于实验室规模（图2d）；对PO₄³⁻-P的去除趋势和NH₄⁺-N一致，均持续下降（图2f）；SO42-在各规模培养中均被持续消耗，且10000-L批次2的消耗速率与幅度最显著（图2e）。结合表1数据可知，中试规模营养盐去除效率的提升主要源于两方面：①经50-L罐驯化后，藻对高氨氮、高盐环境适应性增强，10000-L批次1的驯化进一步提升批次2的营养盐同化能力；②规模化调控光衰减和混合不均带来的影响，提升了藻的代谢活性，进而强化对营养盐的吸收利用。
04.生化产物合成分析
结合图2各规模培养中葡萄糖、氨氮消耗及生物量积累趋势与图3中生化成分结果可知，50-L规模蛋白质含量最高，这可能是因为光照均匀且碳氮比低，利于蛋白质合成；随规模扩大至10,000-L，葡萄糖补加增多（图2c）使碳氮比升高，脂质、碳水化合物含量上升，而高细胞密度（图2a）导致光屏蔽，蛋白质、藻胆蛋白含量下降。虽然10,000-L批次2蛋白质含量降低，但高生物量推动蛋白质生产力达13.51 g/L/d，且产物氨基酸总量超33% DW、类胡萝卜素0.28 mg/g，符合饲料应用需求。
05.喷雾干燥藻粉的蛋白质品质与生物安全性评估
研究继续开展蛋白质品质与生物安全性评估。发现藻粉含18种氨基酸（其中8种必需氨基酸），总氨基酸含量超33%DW，必需氨基酸17.50%DW，显著高于小球藻，满足家禽膳食需求；类胡萝卜素超0.28 mg/g，可提升禽蛋色素沉着并改善家禽健康（图3c）。藻粉中砷、镉等4种重金属均<0.17 mg/kg（汞未检出），总菌落数≤4.0×10³ CFU/g，未检出沙门氏菌，大肠杆菌<10 CFU/g，符合饲料安全标准，证实其可作为安全高蛋白饲料原料（图3d）。
图3. 嗜硫原始红藻在不同规模中的生化成分
06.菌群丰度变化
本文研究了嗜硫原始红藻非无菌混合营养培养过程中细菌群落相对丰度的变化。图4表明，门水平上50-L初期以蓝细菌门、变形菌门为主，10,000-L批次2末期蓝细菌门占比达99.37%，其他门骤降；纲、属水平上，α-变形菌门等及潜在致病菌（如大肠杆菌）的占比大幅下降。表2显示，α多样性指标持续降低，50-L初期Shannon指数1.13，10,000-L批次2末期降至0.15，丰富度指标也下降。这说明低pH环境抑制了杂菌与致病菌，降低了细菌多样性，提升了系统生物安全性。
图4. 菌群结构分析
表2. Alpha多样性分析
07.嗜硫原始红藻中试规模培养的优势与挑战
优势方面，非无菌低pH培养省去了灭菌成本，抑制杂菌并保障出水安全；藻体耐高氨氮且能产蛋白等有价值生物量，兼顾废水处理与产物生产；中试系统可自动调控参数，减少环境依赖。挑战包括葡萄糖成本高，需探索废糖蜜等低成本碳源；藻体蛋白质与藻胆蛋白含量较低，可优化补糖策略或开发两阶段培养；还需研发培养基回收装置，减少废水排放。
研究总结
本研究构建的嗜硫原始红藻非无菌混合营养培养系统，在10,000-L中试规模下成效显著：NH₄⁺-N和PO₄³⁻-P的去除速率达2107.00 mg/L/d和700.40 mg/L/d，生物量生产力30.00 g/L/d、蛋白质生产力13.51 g/L/d。非无菌培养使细菌群落丰度大幅下降，降低了环境与健康风险，喷雾干燥藻粉可作优质饲料蛋白源。该技术为超高氨氮废水处理提供了低能耗、高安全性的微藻基方案，推动了“废物资源化”与绿色制造。
