中国农业大学李洁明团队JEM|淡水微藻作为藻红蛋白工厂的循环经济之路:原料筛选、合成优化、废水协同与级联应用

图1 摘要图

淡水微藻基藻红蛋白生产是将废水处理与高值产物制造深度融合的一条循环经济路径。本研究首次系统性地提出了一个集成生物精炼框架，将原料筛选、遗传增强、废水培养、级联应用与政策赋能贯穿为一体。

关键发现表明，特定淡水蓝藻和隐藻菌株（如Anabaena fertilissima：475 mg/g干重；Cryptomonas pyrenoidifera：345 mg/g干重）的PE产量与传统海洋来源相当甚至更高。基因工程策略——包括启动子工程（psbA改造使表达量提升3.7倍）、异源表达（实现96.7%发色团化）以及CRISPR-Cas9介导的代谢流重定向——为提升PE产量和稳定性提供了有力工具。废水培养可实现>90%的氮磷去除、>95%的重金属去除、>84%的微塑料去除，同步产出富含PE的生物质。PE的高价值应用，比如作为荧光探针（量子产率0.98）、光动力疗法光敏剂、污染物光催化剂（去除率>90%），则提供了经济驱动力。SWOT-TOWS分析确定了应对成本、规模化及监管障碍的战略路径。该集成生物精炼模型将废水处理、多产品级联（PE、脂质、生物炭、生物肥料）与政策工具（碳信用、纯度标准）相结合，为淡水微藻源PE的可持续商业化提供了完整路线图。

1 候选菌株：超越海洋来源的潜力股

许多淡水微藻已被证实能够生产藻红蛋白，但高产菌株数量有限，且缺乏从原料到终端价值化的全链条整合。本研究通过系统文献检索，筛选出蓝藻和隐藻作为最具前景的PE生产原料。隐藻因无细胞壁（省去破壁成本）和单一藻胆蛋白类型（简化纯化）而独具优势，其中Cryptomonas pyrenoidifera的PE含量高达345 mg/g干重；蓝藻中的Anabaena fertilissima则以475 mg/g干重的产量位居所有已报道菌株之首。

图2 增加PE产量的靶向策略

2 基因工程工具箱：突破产量与稳定性的瓶颈

为克服野生型菌株的固有局限，研究系统梳理了三大工程策略（图2）。启动子工程通过改造psbA启动子，使表达量提升3.71倍；异源表达在大肠杆菌中实现了96.7% 的色基化率，已接近天然PE水平；CRISPR-Cas9代谢重编程通过敲除竞争通路（如藻蓝蛋白亚基基因），将细胞资源重新导向PE合成。此外，将PE与热激蛋白融合表达，可显著增强其热稳定性，延长保质期（图3）。

图3 通过与热休克蛋白（Hsp）结合增强藻红蛋白的热稳定性

3 废水协同：从“处理成本”到“生产收益”

将市政、工业、农业废水直接用作培养基，是该框架实现经济与环境双赢的核心创新。研究表明，微藻在净化废水的同时高效积累PE：氮磷去除率>90%、重金属去除率>95%、微塑料去除率>84%。蓝藻Plectonema terebrans利用市政废水达到最大生长量（140 mg/L·d干重），同时将营养盐转化为包括PE在内的高价值产品。提取PE后的剩余生物质富含脂类和碳水化合物，可进一步转化为生物柴油、沼气、生物炭或生物肥料，实现“一料多出”。

4 循环经济模式：从单一产品到级联精炼

该综述构建了一个多产品联产体系，最大化每一份生物质的价值（图4）。第一级：高值提取——PE应用于诊断、治疗和环境修复；第二级：能源回收——剩余生物质转化为生物柴油或沼气；第三级：材料与肥料——残渣转化为生物炭（土壤改良、重金属固定、碳封存）或生物肥料。更精妙的设计是“废弃PE荧光试剂→污染物吸附剂→热解再生磁性生物炭”的闭合回路，实现了PE全生命周期的资源循环。

图4 将废水处理与PE制造深度融合的一条循环经济模式

5 战略分析：SWOT-TOWS与产业化路径

为将技术可行性转化为商业现实，研究引入了SWOT-TOWS矩阵系统诊断战略形势（图5）。内部优势包括废水低成本、高技术可塑性、环境协同效益；内部劣势包括下游加工成本高、缺乏统一纯度标准；外部机遇包括碳中和政策支持、市场对天然产品的需求增长；外部威胁包括传统海洋供应链竞争、转基因藻株监管不确定性。基于交叉匹配，研究提出了四条战略路径：SO（增长型）——建设集成示范项目争取政策资金；WO（转型型）——突破下游加工瓶颈并制定纯度标准；ST（多元化）——强调与废水处理厂共址的分布式模式；WT（防御型）——采用非转基因菌株先行进入市场。

6 政策工具箱：让循环经济真正落地

针对产业化面临的三类障碍，研究提出了具体的政策与管理建议（图5）。建立产品标准——制定食品级、试剂级、医药级PE纯度标准，定向支持低成本分离工艺（如双水相系统、膜过滤）；制定适应性监管路径——对最终纯化的PE实施“基于产品”的监管，建立“监管沙盒”允许封闭系统中试测试；设计经济激励工具——将微藻碳封存和营养盐去除纳入碳交易框架，定向资助首台套集成示范设施。

图5 一个用于克服淡水微藻基藻红蛋白生产商业化障碍的集成政策与管理框架

李洁明，博士，中国农业大学资源与环境学院教授，博士生导师，主要从事蓝藻水华生态调控、藻毒素污染修复技术和相关分子机理，以及农业资源转化及其高效利用研究。目前共发表文章50余篇，其中以第一、通讯作者在Water Research、Journal of Hazardous Materials、Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Journal of Environmental Management、Bioresource Technology、Environmental Pollution、Soil and Tillage Research等期刊发表SCI文章40多篇，单篇最高被引240余次，以第一、通讯作者发表中文文章7篇；以第一发明人授权国家发明、实用新型专利7项。主持国家、省部等各级科研项目15项，包括国家自然科学基金面上项目（2项）、国家重点研发计划项目子课题（2项）、北京市自然科学基金面上项目、国家自然科学青年基金项目、教育部博士点基金项目、中央高校基本科研业务费专项项目、企业横向技术开发等，主持经费共计400余万元。

通讯邮箱：lijieming@cau.edu.cn

原文链接：

Xu, J., Ye, Q., Bi, Y., Shao, J., Li, J. (2026). An integrated biorefinery scheme towards freshwater microalgae as phycoerythrin factories for circular economy: Feedstock selection, optimized synthesis, wastewater synergy and cascading application. Journal of Environmental Management, 404, 129424.

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2026.129424

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