随着全球气候变化与人口持续增长，现有食物系统已难以充分满足全人类的食物供给需求。据联合国统计，全球有近8.2亿人无法获得营养充足的食物，1.4亿5岁以下儿童因营养不良而发育迟缓。因此，开发新型可持续的食物来源迫在眉睫。微藻是一种富含蛋白质和其他关键营养元素的生物质资源，因其生长迅速、光合效率高、环境适应性强等特性，有望成为一种新型食物来源，对构建可持续食物系统具有积极作用。然而，微藻农业在光合自养生产过程中，存在水资源需求大、自遮蔽效应以及收获困难等难题，制约了微藻食品的高效大规模生产应用。

近日，四川大学周加境、林炜团队提出了一种融合3D打印技术和垂直农业理念的微藻固态培养范式。通过优化细胞密度、精细管理空间以及合理分配光照和水资源，实现了可持续的微藻绿色养殖。这一方法显著提高了光能利用率和单位水资源的微藻产量，不仅为微藻固态培养提供了理论和技术支持，也为可持续食物生产和资源保护提供了新思路。该研究以题为“Space-efficient 3D microalgae farming with optimized resource utilization for regenerative food”的论文发表在《Advanced Materials》上。

图1. 传统微藻养殖与BMH制备和收获过程

这项研究工作中，微藻固态培养的核心是高生物相容性的微藻固定化介质，即负载微藻的水凝胶（Biogenic Microalgae-laden Hydrogel，BMH）系统。具体而言，研究团队配制了一种海藻酸钠、卡拉胶和微藻构成的生物墨水，通过3D打印技术构建了具有定制化结构的活性藻基凝胶，实现了垂直固态培养，显著降低微藻农业对土地和水资源的需求。

【光能高效利用】

研究团队利用射线追踪模拟，深入研究了BMH拓扑结构对光分布的影响。得益于独特的网格结构，BMH能够诱导光线在整个结构中均匀分散，有效促进光的扩散和吸收，光吸收率高达85.4%，这种分布式光线传播行为确保了BMH结构内不同深度和位置的微藻均能获得充足的光照，从而进行高效的光合作用。通过精细化的结构设计，BMH有效减轻了光自遮蔽的工程难题，实现了光能的高效利用。

图2. BMH的合理构建

【微藻生长旺盛】

小球藻（Chlorella zofingiensis，CZ）在BMH中展现出了良好的生存与繁殖能力。尽管3D打印过程会对BMH中的微藻造成轻微损伤（活细胞比例从92.3%下降至88.3%），但在BMH中培养7天后，活细胞比例回升至92.4%。在培养过程中，BMH系统的细胞密度和叶绿素含量这两个衡量微藻生长的关键指标，均呈现显著增加的趋势。通过光学显微镜和扫描电子显微镜的观察，CZ的细胞形态完整无损，证实了固态培养方法对细胞形态无显著影响。此外，从BMH中提取出的CZ能够重新分散，并配制成新的BMH继续稳定生长，验证了连续微藻养殖的可行性。研究团队也将这种BMH系统拓展到裸藻（Euglena gracilis）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）等多种微藻的培养，显示出广阔的应用前景。

图3. BMH固态培养微藻生长情况

【模块化与再生食物生产】

BMH作为一种活性凝胶材料，具备响应外部环境变化的能力。在室温条件下，干燥后的BMH会发生脱水收缩，将其置于液体环境中后，BMH便能迅速吸收水分并恢复至原始形状，在整个过程中，凝胶中的微藻活力受损较小。这种响应特性赋予了BMH潜在的4D打印能力。同时，BMH系统是一种高效的天然产物生产平台，其仅需在底部放置一层0.2 cm的琼脂薄膜，便可支持4.0 cm BMH的生长，并能够产出蛋白质、碳水化合物、油脂、叶绿素和类胡萝卜素等多种高值的食品原料。相比于传统溶液培养，BMH固态培养消耗相同体积的水，将微藻产量提升了8.8倍，显著降低了微藻农业对水资源的消耗。研究团队也进一步扩大了BMH的制备规模，论证了量产化进行食物生产的可行性。

图4. BMH模块化和应用探索

总结：本研究开发了用于微藻3D固体培养的BMH系统，优化微藻养殖的空间利用率和资源分配（如光照、水量），从微观尺度到宏观尺度为光合微生物固态培养提供了新的思路。该BMH系统能够制造天然产物，如蛋白质、碳水化合物、脂类、叶绿素和类胡萝卜素，为健康食物供给提供了良好的支持，充分展示了其在可持续发展农业中的巨大潜力，有助于应对全球粮食挑战和增强粮食安全。

本工作得到了四川大学肖明教授、周建飞教授，深圳大学刘宾教授，澳大利亚皇家墨尔本理工大学Joseph J Richardson教授的大力支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、皮革化学与工程教育部重点实验室（四川大学）开放课题基金和温州鞋革产业研究院的资助。

来源：高分子科学前沿