《Algal Research》：Integrated biorefinery of
Limnospira (Arthrospira) platensis: Recycling cultivation medium and biosorption of endocrine disruptors from water
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微藻循環培養與生物吸附應用研究：利用藍藻L. platensis在兩次培養周期中循環培養基，減少水和營養消耗，同時生物質在第二周期作為吸附劑高效去除水體中的環境雌激素17α-ethinylestradiol（EE2），吸附容量達251.28μg/g，驗證了循環生物經濟模式在可持續污水處理中的可行性。
作者列表：
Alenne Prince Junqueira de Moraes
Camylle Guimar?es Scheliga
Yollanda Carolina da Silva Ferreira Van?ato
Cláudia Maria Luz Lapa Teixeira
André Luís de Sá Salom?o
實驗室信息：
微藻生物技術實驗室，化學與生物技術部，國家技術研究所（INT）
地址：Av. Venezuela, 82, 房間716，里約熱內盧，RJ，20081-312，巴西
摘要
基于微藻的系統日益被視為生產高價值生物產品的可擴展平臺，同時能夠解決水污染問題，包括新興污染物。然而，大規模生產往往受到高運營成本的限制。本研究評估了藍細菌Limnospira (Arthrospira) platensis在兩個連續培養周期中的生物量生產情況，其中第一個周期的培養基被回收用于第二個周期。培養基的回收減少了淡水和營養物質的投入，而不會影響生物量的生產力。兩個周期的生物量均含有較高的蛋白質（第一周期為59.8±1.9%；第二周期為52.6±2.0%）和碳水化合物（分別為29.3±1.8%和39.0±2.4%），支持多種增值途徑。第一周期的生物量適用于高價值應用，如營養保健品；而第二周期的生物量被評估為一種低成本的生物吸附劑，用于去除17α-ethinylestradiol（EE2），這是一種在水生生態系統中常見的偽持久性內分泌干擾物。在30 μg·L?1的濃度下，使用0.6 g·L?1的生物量，7小時內實現了約70%的EE2去除率。動力學符合偽二級模型（R2 = 0.98），平衡數據符合Freundlich等溫線，最大吸附能力為251.28 μg·g?1。這些結果表明，培養基的回收可以同時減少資源消耗，并實現生物量的級聯增值，提供了一種符合循環經濟原則和可持續三級廢水處理的方法。
引言
Limnospira（舊稱Arthrospira，通常被稱為Spirulina）platensis是一種具有顯著商業價值的藍細菌，因其含有高蛋白質（干重的50–70%）、必需氨基酸、多不飽和脂肪酸（特別是γ-亞麻酸）、維生素（尤其是B12）和礦物質[1]。它是商業上最重要的微藻之一，占全球總生物量的30%以上[2]。L. platensis廣泛用于人類營養領域，作為膳食補充劑和健康促進產品的成分[3]，以及天然色素的應用[4]。
多年來，L. platensis的應用已擴展到營養保健品領域之外，包括化妝品[5]、制藥[6]、生物肥料[7]和生物修復中的生物吸附劑[8]，顯示出其作為多功能、高價值生物技術資源的地位[3]。然而，大規模微藻生物量生產的經濟可行性仍然具有挑戰性，特別是對于附加值較低的產物，如生物燃料或生物吸附劑。因此，降低生產成本的策略對于提高工藝可行性至關重要。
高效用水對于可持續的微藻培養至關重要，因為每生產一公斤生物量所需的水足跡可能超過1.56立方米[9]，[10]。營養管理是另一個主要成本因素，因為大量營養物質在收獲生物量后仍留在培養基中，增加了廢水處理系統的負擔[11]。在連續培養周期中回收培養基已成為減少淡水消耗和營養輸入成本的一種有前景的方法。大規模成本分析表明，營養物質可能占總運營支出（OPEX）的49%，每年約為1700萬美元[12]。因此，培養基的回收具有顯著潛力，可以在生物精煉框架內減少水足跡并大幅降低總體生產成本。
然而，培養基再利用對生長和生化組成的影響因物種特異性生理、培養條件、生物量收獲技術以及代謝副產物的積累而異[13]。因此，必須根據具體情況評估培養基的回收，同時考慮生物量的表現和產品的預期用途，因為培養基中的殘留化合物可能影響其質量和特定用途的適用性。
大多數先前的研究都集中在使用新鮮接種物的回收培養基上，而沒有評估避免持續重新接種的策略的長期穩定性。這一限制引發了人們對這類系統在連續或半連續培養模式下的可擴展性的擔憂[14]。為了解決這一問題，本研究評估了使用含有L. platensis細胞的殘留濾液作為后續培養周期的接種物和回收培養基的可行性。這種方法符合循環經濟原則，減少了水消耗和廢物產生，同時最小化了營養輸入。該研究還評估了在這些資源高效培養條件下工業相關生物化合物（如色素、蛋白質、脂質和碳水化合物）的積累情況。
此外，本研究還探討了在回收培養基中培養的L. platensis生物量作為廢水中有害物質（尤其是合成激素17α-ethinylestradiol（EE2）的生物吸附劑的應用。EE2是一種在水生生態系統中頻繁檢測到的內分泌干擾物，能夠抵抗傳統的廢水處理過程，并對生態和人類健康構成重大風險[15]。即使在微量濃度（μg·L?1）下，EE2也能改變性別分化，延遲性成熟，并抑制水生生物的次級性特征[16]。其化學穩定性和親脂性使其具有持久性和生物累積性，并有可能通過食物鏈傳遞[17]，[18]。這些因素凸顯了有效去除策略的必要性。
本研究首次展示了基于微藻的系統作為污染物去除的可持續替代方案的潛力，通過整合培養基回收（無需添加新鮮接種物）和隨后使用所得生物量進行吸附。與之前分別研究培養基再利用或生物吸附的方法不同，本研究在一個操作框架內同時評估了這兩種策略，從而直接將培養的可持續性與下游修復性能聯系起來，推動了循環經濟和生物精煉概念的發展。
研究片段
微生物和接種物維護
L. platensis藍細菌來自弗魯米嫩塞聯邦大學（UFF）的海洋生物學系。該菌株在根據George[19]提出的配方改良的Zarrouk培養基中培養。接種物最初在含有300毫升培養基的500毫升Erlenmeyer燒瓶中制備。培養物在連續光照下（600 μmol·m?2·s?1）下維持7天，使用轉速為150 rpm的軌道搖床，在室溫25±2°C下進行。
在試點規模光生物反應器中L. platensis的生長和生物量生產力
通過僅依賴過濾后懸浮液中的L. platensis細胞來評估無需添加新鮮接種物的培養基再利用的可行性。這一策略導致第二個培養周期開始時種群結構發生變化，特征是較短且卷曲程度較低的絲狀體占主導（圖2），這與Depraetere等人的先前觀察結果一致[33]。
結論
本研究證明L. platensis可以在結合培養基和生物量回收的策略下進行培養，同時在連續培養周期中保持較高的生產力，從而減少對淡水、營養物質和新鮮接種物的需求。這些結果支持了基于微藻的廢水生物精煉廠閉環運行的技術潛力。
從回收培養基中產生的生物量觀察到的生化變化表明其功能價值...
CRediT作者貢獻聲明
Alenne Prince Junqueira de Moraes：撰寫 – 原始草稿、方法學、研究、概念化。
Camylle Guimar?es Scheliga：撰寫 – 原始草稿、研究。
Yollanda Carolina da Silva Ferreira Van?ato：撰寫 – 原始草稿、研究。
Cláudia Maria Luz Lapa Teixeira：撰寫 – 審稿與編輯、監督、概念化。
André Luís de Sá Salom?o：撰寫 – 審稿與編輯、監督、概念化。
致謝
本研究得到了里約熱內盧州Carlos Chagas Filho研究支持基金會（FAPERJ，資助編號E-26/201.396/2022）和國家科學技術發展委員會（CNPq，編號304634/2025-5）的支持。作者感謝弗魯米嫩塞聯邦大學（UFF）的海洋生物學系提供L. (Arthrospira) platensis菌株，以及UERJ的LABIFI和LIETA分別提供的色譜和元素分析服務。
