微擬球藻是一種單細胞海洋微藻，其細胞內中性脂（主要為甘油三酯）含量可達細胞干重的30%~50%，是制備生物柴油和ω-3脂肪酸的重要來源。然而，自然條件下其脂質合成受生長-儲能代謝平衡的限制，難以滿足工業(yè)化需求。研究表明，通過定向調控培養(yǎng)條件可誘導細胞代謝流重新分配，從而顯著提升脂質積累效率。我們從關鍵環(huán)境參數優(yōu)化、多階段培養(yǎng)策略設計及代謝調控機制三個方面，為微擬球藻脂質定向生產提供理論依據與技術參考。
一、關鍵環(huán)境因子對脂質積累的調控機制
1.1 光照強度與光譜特性
光照是微擬球藻光合作用與脂質合成的能量來源。在低光強條件下（50–100 μmol photons/m2/s），細胞優(yōu)先進行生物量增殖；當光強提升至200–400 μmol photons/m2/s時，光系統II（PSII）活性受抑制，導致NADPH/ATP積累，進而通過乙酰-CoA羧化酶（ACCase）激活脂肪酸合成通路。值得注意的是，持續(xù)高光強（>500 μmol photons/m2/s）可能引發(fā)光氧化損傷，采用間歇光照（如16 h光照/8 h黑暗）可緩解光抑制現象。
光質對脂質合成的影響亦不可忽視。藍光（450–470 nm）通過調控細胞周期蛋白表達促進分裂期細胞增殖，而紅光（630–660 nm）可增強葉綠體發(fā)育，間接提高碳固定效率?；旌瞎赓|（紅藍光比例7:3）已被證實可使脂質產率提升12%~18%。
1.2 溫度脅迫響應
微擬球藻的最適生長溫度為20–25°C，但短期高溫處理（28–30°C，持續(xù)48 h）可通過誘導熱激蛋白（HSP70）表達，增強脂質合成相關酶的熱穩(wěn)定性。研究表明，30°C脅迫下脂質合成速率較對照組提高1.4倍，但持續(xù)高溫（>72 h）會導致細胞膜通透性增加，引發(fā)胞內物質泄漏。
1.3 營養(yǎng)鹽限制策略
氮限制是誘導脂質積累的核心手段。當培養(yǎng)基中硝酸鹽濃度從常規(guī)的0.88 g/L降至0.2 g/L時，細胞內氮代謝關鍵酶（如硝酸還原酶）活性下降，導致蛋白質合成受阻，碳流轉向脂質儲存。此時，中性脂占比從15%增至40%，但生物量產量下降約30%。為平衡生物量與脂質產率，兩階段培養(yǎng)法被廣泛采用：第一階段（0~96 h）提供充足氮源（f/2培養(yǎng)基）促進生長；第二階段（96~144 h）通過氮剝奪誘導脂質合成。
磷限制對脂質積累的促進作用較弱，但可減少細胞壁多糖合成，有利于后續(xù)脂質提取。而硅限制對非硅藻類微擬球藻無明顯調控效應。
二、 多因素協同優(yōu)化策略
2.1 兩階段培養(yǎng)工藝
通過時序調控環(huán)境參數可實現代謝途徑定向切換。例如：
– 階段Ⅰ：25°C、100 μmol photons/m2/s、1.5% CO?通氣，促進生物量積累至4.2 g/L；
– 階段Ⅱ：轉入缺氮培養(yǎng)基，提升至30°C、350 μmol photons/m2/s，脂質含量在72 h內從18%增至43%。
2.2 混合營養(yǎng)培養(yǎng)體系
添加外源有機碳（如1 g/L葡萄糖）可使微擬球藻同時進行光自養(yǎng)與異養(yǎng)代謝，脂質生產率提高至每日0.12 g/L，較單純光自養(yǎng)模式提升60%。但需嚴格控制無菌條件以避免細菌污染。
三、技術挑戰(zhàn)與展望
盡管實驗室尺度已實現脂質含量>40%的突破，但規(guī)模化培養(yǎng)仍面臨以下瓶頸：
1. 光生物反應器內部光梯度導致細胞受光不均；
2. 高密度培養(yǎng)時CO?傳質效率低下；
3. 脂質提取能耗占生產成本60%以上。
未來研究需結合代謝工程（如過表達DGAT基因）與過程集成技術（如膜分離原位提?。詫崿F微擬球藻脂質生產的商業(yè)化應用。
