Science of the Total Environment|Single-cell sorting of microalgae and identification of optimal conditions by using response surface methodology coupled with life-cycle approaches

2022.04.14

2022年4月6日，东北农业大学资源与环境学院赵昕悦副教授与李春艳教授团队应用长光辰英核心产品—PRECI SCS微生物单细胞分选仪在《Science of the Total Environment》杂志上发表了题为“Single-cell sorting of microalgae and identification of optimal conditions by using response surface methodology coupled with life-cycle approaches”的论文，该文章采用基于LIFT系统的单细胞分选技术分离微藻ZM-5。扩大培养后，通过响应曲面设计整合生命周期方法进行多目标优化，在油脂积累、污染物(COD、N和P)去除率、环境和经济效益之间进行权衡并进行改善性分析。

研究背景

响应面法 (RSM) 已被广泛用于优化微生物的环境条件，以最大限度地降解污染物和积累生物量。然而，到目前为止，降解（积累）过程的环境影响和经济成本很少被考虑。本研究首先采用基于LIFT系统的单细胞分选技术，从废水中分离小球藻ZM-5单细胞并实现富集培养。再次，基于单因素分析方法，研究了微藻的油脂积累以及对污染物(COD、N和P)的去除效率。最后，通过RSM-LCA-LCC综合分析，相较于优化前，优化条件下COD、TN、TP去除率及油脂产量达到最优值的同时，还能够减少48.0%的总环境影响和10.2%的总成本。综合以上结果表明，应用生命周期方法来评价生物过程的优化条件，能够实现在技术-环境-经济维度进行多角度权衡。

图1：本研究图文摘要

研究成果

1. 微藻ZM-5的分离鉴定。利用LIFT系统从废水富集样品中分选出ZM-5单细胞(图2a)，并进行分选后富集培养 (图2b)。ZM-5的18S rRNA基因序列分析证实微藻与小球藻(GenBank登录号MZ557824)具有相似性，利用MEGA软件构建系统发育树(图2c)。此外，还对分离的小球藻ZM-5进行了脂质含量、碳水化合物含量和蛋白质含量的测定。结果表明，ZM-5的脂质、碳水化合物和蛋白质含量分别为40.29%、37.66%和22.05%，属于产脂型微藻。

图2：小球藻ZM-5单细胞分选与鉴定

2. 单因素实验。环境因素和营养胁迫直接影响微藻对废水中污染物的降解能力和脂质含量。本研究探讨了pH、温度、废水初始浓度、C/N、光照时间和光照强度对污染物去除效率及产油脂的影响。如图3所示，ZM-5对污染物的降解能力和脂质积累会显著受到pH、光照时间、C/N和温度的影响。基于以上四因素对污染物降解能力和脂质积累产生显著影响，因此，将在后续采用RSM设计进一步优化其条件范围。

图3：环境因子对ZM-5去除污染物和油脂生成的影响

3. 多目标优化。RSM设计用于进一步对污染物降解和油脂积累进行多目标优化。在RSM实验设计中，最优条件为光照时间24 h, C/N 4.3:1, pH 7.2，温度30℃。在最优条件下，COD、TN和TP的降解率分别达到84.38%、72.77%和64.06%，油脂产率可达352.61mg/g。为了验证回归模型的准确性，在最优条件下进行三次重复运行，其运行结果与预测值基本吻合。

4. 实施最优条件的环境与经济评价。确定生命周期评价的系统边界为微藻ZM-5降解猪废水及脂质提取全过程。该过程由微藻培养、废水处理、脂质提取和脂质应用四部分组成(图4a)。如图4b所示，LCA结果显示优化后净环境负影响降低约48%，环境效益提高约49%。针对各部分对环境影响的贡献度进行评价，结果发现微藻培养和废水处理过程对环境影响的贡献度在75%以上。

图4：生命周期评价a)系统边界;b)优化前后的总环境影响

进一步，生命周期成本分析表明优化后的过程总成本比优化前降低了10.24%(图5)。一方面，优化后的电能成本降低了14.88%。另一方面，优化后的经济效益提高50.28%。

图5：优化前后的总经济成本

5. 基于生命周期方法的改善性分析。选择如下场景进行不确定性分析，包括天然气作为电力来源(场景1)、生物气体作为电力来源(场景2)、核能作为电力来源(场景3)、 (NH₄)₂SO₄ 作为氮源(情景4)，生物油类实时价格(情景5)，其中，情景1、2、3和4考虑环境影响，情景5考虑经济影响(图6)。结果分析发现，对环境产生负面影响的主要来源确定为发电机组，其原因是由于电能在微藻养殖、废水处理和油脂提取过程中的应用需求高于其他能源形式。因此，采用能源优化策略将有助于降低全过程的环境负面影响。具体而言，相较于传统发电模式，使用可再生能源，如天然气（场景1）、生物气（场景2）和核能（场景3）能够分别降低74.5%、85.1%和88.4%的总环境影响(图6a)。此外，生物油价格的波动也将导致总经济成本的波动(图6b)，其生物油价格受多种因素影响，如新冠肺炎疫情等。

图6：基于生命周期方法的改善性分析

结论

本研究对微藻ZM-5的单细胞进行了分选并实现富集培养，通过RSM设计实现了污染物的最优降解率和油脂积累水平。该研究还表明，使用生命周期方法可以辅助评估RSM设计优化后的环境影响和经济成本。以微藻ZM-5的污水处理与油脂产生及应用为例，一方面，LCA-LCC的应用可以识别技术维度的优化条件是否也为环境和经济维度的优化条件；另一方面，还可以识别产生环境负面影响和成本增加的主要影响因素，以此进行后续技术-环境-经济三维度权衡。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722021544?via%3Dihub

PRECI SCS微生物单细胞分选仪

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