Cheese whey wastewater-derived Chlorella biomass promotes growth and β-galactosidase activity of Pediococcus sp. isolated from Gundurk

技术摘要：利用奶酪乳清废水衍生的衣藻（Chlorella）生物量增强乳酸菌（Pediococcus）活性

问题陈述
奶酪乳清废水（CWW）是一种营养丰富的乳制品副产物，具有高有机负荷（高 COD 和 BOD），若未经处理直接排放，会对环境造成显著风险。虽然微藻培养为营养回收和生物量生产提供了一种可持续的方法，但大规模生产往往受到高成本培养基的阻碍。同时，乳酸菌（LAB），特别是从传统发酵食品中分离出的乳酸菌，在食品生物技术领域具有重要价值，但通常需要优化以增强其生长和功能性酶特性（如 $\beta$-半乳糖苷酶活性），这对于解决乳糖不耐受问题至关重要。目前，在理解如何将实际废弃物流（特别是 CWW）中培养的野生微藻菌株与来自传统发酵食品的野生乳酸菌分离株结合，以构建一个统一的废物增值与功能性食品开发系统方面，仍存在研究空白。

研究方法
本研究采用了两阶段法，包括微藻培养以及随后的乳酸菌共培养或添加实验：

1. 微藻培养：

   • 分离： 从尼泊尔巴内帕（Banepa）的一个池塘中分离出淡水衣藻（Chlorella sp.），并进行了形态学鉴定。
   • 培养基： 微藻在两种培养基中进行培养：标准 Bold's Basal Medium (BBM) 和 20% (v/v) 奶酪乳清废水 (CWW) 培养基。CWW 经过了预处理（离心去除脂肪、高压灭菌并过滤），并将其 pH 值调整至 5.1–5.9。
   • 条件： 培养物在混合营养条件下（光/暗循环，25°C）生长 8 天。
   • 分析： 通过吸光度（OD750）和细胞计数监测生长情况。收获生物量，干燥后使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析其生化组成（脂质、蛋白质、碳水化合物）。

2. 乳酸菌分离与鉴定：

   • 来源： 从 Gundruk（一种尼泊尔传统发酵蔬菜）中分离出乳酸菌属（Pediococcus sp.）。
   • 鉴定： 通过革兰氏染色和生化实验对分离株进行筛选，并通过 16S rRNA 基因测序将其分子鉴定为 Pediococcus sp.（菌株 LpG3）。

3. 添加与功能性分析：

   • 实验设计： 将分离出的 Pediococcus sp. 培养在添加了 1% (w/v) 干衣藻生物量（来源于 BBM 或 CWW）的标准 MRS 培养基中。
   • 生长动力学： 通过菌落形成单位（CFU）计数监测 48 小时内的细菌生长。
   • 酶活性： 使用 ONPG 分析测量 $\beta$-半乳糖苷酶活性，以 Miller 单位表示。
   • 统计学： 数据通过 Two-way ANOVA 进行生长动力学分析，通过 One-way ANOVA 进行酶活性分析，并使用 Tukey's HSD 进行事后检验（post-hoc tests）。

主要结果

• 藻类生长与生物量： 衣藻（Chlorella sp.）在 BBM 和 20% CWW 中均表现出相当的生长速率，到第 8 天时，细胞密度分别达到 $1.59 \times 10^7$ 和 $1.73 \times 10^7$ cells/mL。然而，CWW 中的干生物量产量（1.40 g/L）显著高于 BBM（0.30 g/L）。
• 生化组成 (FTIR)： FTIR 分析显示了基于培养基的明显代谢转变。BBM 培养的生物量表现出显著的蛋白质相关峰（酰胺 I 和 II）。相比之下，CWW 培养的生物量在脂质相关区域（2970–2850 cm$^{-1}$）表现出更强的峰值，并在 1745 cm$^{-1}$ 处有一个强峰（脂质/酯类的 C=O 伸缩振动），表明在废弃物衍生培养基中增强了脂质合成。
• 对 Pediococcus 生长的影响： 添加衣藻生物量显著增强了 Pediococcus sp. 在对数生长期的生长（18–24 小时）。在 18 小时处，BBM 和 CWW 生物量添加组的细胞计数均显著高于未添加生物量的 MRS 对照组。然而，这种刺激效应是暂时的；到 48 小时时，未添加生物量的 MRS 培养物的活力高于添加了生物量的培养物。
• $\beta$-半乳糖苷酶活性： 添加生物量显著提高了 $\beta$-半乳糖苷酶活性，对比对照组（18.34 Miller 单位）：
  • BBM 衍生生物量产生的活性最高：49.33 Miller 单位。
  • CWW 衍生生物量产生的活性为：38.82 Miller 单位。
  • 两者均显著高于对照组（$p < 0.01$）。

意义与主张
作者声称，本研究证明了使用奶酪乳清废水作为培养淡水衣藻（Chlorella sp.）的高性价比底物的可行性，从而获得与标准培养基相比具有改变的生化特征（特别是更高的脂质含量）的生物量。

本文提出了以下双重益处：

1. 废物增值： 它为通过营养回收和生物量生产来处理乳制品废水提供了一种可持续的策略。
2. 功能性食品增强： 所得的藻类生物量作为一种功能性补充剂，能够增强野生 Pediococcus sp.（分离自尼泊尔传统发酵食品）的生长动力学，并显著提升其 $\beta$-半乳糖苷酶活性。

研究结论认为，将来自不同生态位的微生物（淡水微藻与传统发酵食品细菌）相结合，创建了一个用于生物修复和功能性食品开发的统一系统。作者强调，虽然 CWW 支持成本效益高的培养，但生物量的特定生化组成（受生长培养基影响）会对细菌生长与酶活性产生不同的影响，这表明可以通过调节培养基来针对特定的功能结果进行优化。