摘要：蓝藻，也被称为蓝绿藻，是一类能够通过光合作用利用阳光和二氧化碳（CO₂）制造有机化合物的微生物。与传统化石燃料生产方式相比，蓝藻无需依赖农业资源（如糖或玉米），可以直接将二氧化碳转化为有价值的产品。

蓝藻，也被称为蓝绿藻，是一类能够通过光合作用利用阳光和二氧化碳（CO₂）制造有机化合物的微生物。与传统化石燃料生产方式相比，蓝藻无需依赖农业资源（如糖或玉米），可以直接将二氧化碳转化为有价值的产品。

近日，曼彻斯特大学的研究团队通过精心设计的实验方法，利用蓝藻菌株 Synechocystis sp. PCC 6803 生产柠檬酸盐，产量提升了 23 倍。柠檬酸盐是一种重要的生物化学前体，可以进一步转化为可再生塑料（如有机玻璃或树脂玻璃）。这种材料不仅广泛应用于日常生活，还可用作生物基塑料的替代品，从而减少对化石燃料的依赖。

这项成果发表在 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 期刊，题为“Improving productivity of citramalate from CO2 by Synechocystis sp. PCC 6803 through design of experiment”。

柠檬酸通过单一酶促步骤利用两种关键代谢物（丙酮酸和乙酰辅酶 A）生成。

曼彻斯特大学的研究团队采用“实验设计”（Design of Experiment, DOE）的方法，通过系统地调整多个实验参数，找出最佳组合。他们对光照强度、二氧化碳浓度和养分供给等工艺参数进行优化。团队调整蓝光和白光的不同强度组合以及在培养液中模拟不同的二氧化碳供给水平，并调整氮（硝酸盐）和磷（磷酸盐）的浓度。为了确保实验结果的可靠性，研究团队在 2 L 规模的光生物反应器中测试了 24 组不同的参数组合。不仅测量了柠檬酸盐的最终产量，还记录了蓝藻的生长情况和碳分配效率。

研究发现，较低强度的蓝光和白光，能促进蓝藻快速增殖。当满足高强度蓝光和白光组合、中等二氧化碳浓度和较低的氮磷浓度的条件下，他们将 2 L 光生物反应器中的柠檬酸产量提高到 6.35 g/L，生产率为 1.59 g/L/天。

为了验证优化条件在更大规模反应器中的适用性，团队将实验扩展至 5 L 反应器。尽管产量略有下降（降至 3.96 g/L），这主要是由于更大的容器中光的传播路径变长，导致部分细胞接受的光强降低。然而，这种下降幅度在工业生物技术的规模化过程中是可接受的，并为未来的进一步优化提供了宝贵经验。

这一研究的重要意义在于，不仅能减少温室气体排放，还能将二氧化碳转化为社会需要的高价值产品，为实现全球碳中和目标提供了技术支持。丙酮酸和乙酰辅酶 A 是柠檬酸生产中的关键代谢物，也是许多其他具有生物技术意义的化合物的前体。因此，本研究中展示的优化技术可以应用于生产从生物燃料到药品等各种材料，为传统化石能源生产方式提供绿色替代方案。

该团队计划进一步完善他们的方法，并探索在保持效率的同时扩大生产规模的方法。他们还在研究如何调整他们的方法来优化蓝藻中的其他代谢途径，以扩大可持续生产的生物基产品范围。

参考链接：

1.Matthew Faulkner et al, Improving productivity of citramalate from CO2 by Synechocystis sp. PCC 6803 through design of experiment, Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2024). DOI: 10.1186/s13068-024-02589-z

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来源：生辉SciPhi