优化热与光照条件以提高Tetradesmus bajacalifornicus的氧气产量

为何这些微小的绿色细胞关乎我们未来的空气

随着大气中二氧化碳浓度攀升至历史高位，科学家们在寻找能够从空气中捕捉这种气体并将其转化为有用产物的“活体机器”。一个有前景的候选者是微藻：微小的绿色细胞利用阳光生长、释放氧气并积累生物质，生物质可以用于食物、燃料或其他产品。本研究探讨如何通过精细调整两种日常因素——光照和温度，使一种鲜为人知的微藻Tetradesmus bajacalifornicus尽可能多地产生氧气和生物质。

小型藻类，大潜力

Tetradesmus bajacalifornicus是一种生长快速、耐受性强的微藻，能忍受恶劣环境和高浓度二氧化碳。先前研究表明它能合成具有抗氧化和抗菌活性的有价值化合物、积累可用于生物燃料的油脂，并能在其他生物难以生存的环境中茁壮成长。这些特性使其对未来的碳捕集农场和生物炼厂具有吸引力。但此前尚无人系统地研究光强、温度及加热持续时间的组合如何影响其产氧能力——产氧是光合作用性能和生长的直接指标。

寻找光与热的最佳组合

为寻求最佳条件，研究者使用了一种敏感装置——光呼吸量测仪，记录藻类在光照下释放多少氧气以及在黑暗中消耗多少氧。他们测试了模拟室内人工照明反应器中可能出现的广泛光强和温度范围。采用统计方法构建了响应面——一种显示随光和温度共同变化产氧量增减的地形图。该图显示出明显的峰值：在约38 °C和较强光照下，微藻达到非常高的产氧速率，可与一些顶级工业菌株相比拟。简单来说，更热和更亮通常会带来更多氧气，但仅在某一临界点之前。

当“过热”破坏系统时

然而，在短期测试中看似最优的条件可能在数日内失效。当培养物在持续强光下保持这种高温时，它们很快衰退。仅在三天内，光合作用健康的指标急剧下降，培养物崩溃。问题在于光合作用机器的热敏性，特别是参与分解水并释放氧气的核心蛋白。长期过热会损伤该蛋白，导致有害副产物积聚并压垮细胞的天然修复系统。因此，尽管条件在短期内能带来峰值表现，藻类却无法维持高产氧或良好生长。

用每日热脉冲替代持续胁迫

为解决瞬时性能与长期存活之间的不匹配，研究团队测试了每日“热脉冲”。他们在大部分时间保持适宜温度，仅每天将温度提高到能提升性能的高温一、二或三小时。结果显示，每日一小时的短暂加热有利：与从不经历短时升温的培养物相比，生物质约增加了八分之一，且未留下持久损伤。然而更长的热脉冲会超出细胞的应对能力。在每日两小时和三小时的胁迫下，产氧下降，且在最长暴露下培养物最终崩溃。研究者还检测了29 °C和34 °C的温和升温，持续时间最长达四小时：在29 °C下，藻类能耐受较长时间的加热并维持产氧；在34 °C下，它们在大约一小时内表现良好，但更长时间会导致持久下降。

设计更智能的藻类养殖系统

这些发现为未来基于藻类的碳捕集和生物质生产传达了明确信息：温度不仅关乎有多热，还关乎持续多久。短时的高温高光脉冲可以像受控训练一样提高生产力，而持续或过长的胁迫则具有破坏性。对于有人工照明的封闭室内反应器，应该可以通过编程控制光强与加热时序，将藻类维持在其最佳区间附近。在更难以控制阳光和温度的户外或开放系统中，选择像Tetradesmus bajacalifornicus这样耐受性强的物种，并谨慎规划反应器设计与选址，将至关重要。总体而言，这种微藻在温暖多阳光的地区表现出成为有力候选者的潜力——前提是我们尊重其热限度，使其将过量二氧化碳转化为氧气和有用生物质。

引用: Villaró-Cos, S., Cerdá-Moreno, C., Viviano, E. et al. Optimising thermal and irradiance conditions for enhanced oxygen production in Tetradesmus bajacalifornicus. Sci Rep 16, 11301 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41958-6

关键词: 微藻, 氧气产量, 温度胁迫, 人工光生物反应器, 碳捕集