氮是微藻生长和代谢的核心元素，其来源类型（硝酸盐、铵盐、尿素等）通过代谢途径、能量消耗和环境适应性显著影响生物量积累与代谢产物合成。不同氮源的理化性质及其在细胞内的转化效率，决定了微藻的生理响应和工业应用潜力。以下从氮源类型、代谢机制、环境互作及具体案例展开分析。

一、氮源的基本分类与微藻利用特征

无机氮源

硝酸盐（NO₃⁻） ：硝酸钠、硝酸钾等，溶解度高且化学性质稳定，是微藻培养中最常用的氮源。其同化需经硝酸还原酶（NR）和亚硝酸还原酶（NiR）两步还原为铵（NH₄⁺），消耗较多能量（每分子NO₃⁻还原需8个电子）。

铵盐（NH₄⁺） ：如氯化铵、硫酸铵，可直接通过谷氨酰胺合成酶（GS）同化为氨基酸，能量效率高。但高浓度铵盐易导致培养液pH下降，并释放游离NH₃（毒性形式），抑制细胞生长。

有机氮源

尿素（CO(NH₂)₂） ：需由尿素酶分解为NH₃和CO₂后利用，其代谢过程受pH和温度调控。尿素具有成本低、中性pH适应性强的优势，尤其适合规模化培养。

二、不同氮源对微藻生长的作用机制

代谢途径与能量效率

硝酸盐同化：需硝酸盐转运蛋白（NRT）和还原酶系统，消耗光反应产生的NAD(P)H。例如，小球藻（Chlorella）在硝酸钠中最大生物量达3.15 g/L，但总脂产率随氮浓度降低而升高。

铵盐直接吸收：铵离子通过高亲和力转运系统进入细胞，直接参与谷氨酸合成，能量消耗低。然而，NH₃在碱性条件下积累会破坏细胞膜结构，导致溶酶体膨胀和蛋白核扭曲。

尿素分解：尿素酶催化生成NH₃和CO₂，其中NH₃进一步转化为NH₄⁺。尿素培养可上调硝酸盐同化相关基因（如NRT、NR、nirA），增强氮代谢灵活性。例如，斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）在尿素+碳酸钠组合中生物量提高23.14%。

生长速率与产物积累的差异

硝酸盐与尿素的比较：硝酸盐适合高生物量积累（如湛江等鞭金藻在硝酸钠中藻密度显著提升），而尿素更利于油脂和特定脂肪酸（如α-亚麻酸）的合成。

铵盐的毒性阈值：铵盐抑制效应具有浓度依赖性。例如，铵氮浓度>0.5 mg/L时底栖硅藻生长受抑，而小球藻（C. vulgaris）在20-250 mg/L下仍可存活。

三、环境因子对氮源利用效率的调控

pH与氮源代谢的互作

铵盐在pH>8时释放NH₃，毒性增强；而尿素分解需要中性至弱碱性环境以维持尿素酶活性。

硝酸盐同化在pH 6-7时效率最高，酸性条件抑制NR活性。

温度与光照的影响

温度升高（如25℃）促进氮吸收酶活性，如刚毛藻在25℃下氨氮吸收速率最高。

强光照（4500 lx）通过增强光反应为硝酸盐还原提供更多还原力，但可能引发光抑制。

四、典型案例分析

尿素促进斜生四链藻生物量积累

实验显示，尿素作为氮源时，斜生栅藻的生物量、叶绿素a含量和光合效率（Fv/Fm）均达峰值。在4-7 g/L尿素浓度范围内，总脂含量和α-亚麻酸（ALA）比例显著提升，表明尿素既能满足生长需求，又可诱导脂质合成。

氯化铵的抑制效应

氯化铵（NH₄Cl）对小球藻的96小时半数抑制浓度（EC50）为0.18 mg/L，浓度>0.3 mg/L时完全抑制生长。其毒性机制包括：

破坏细胞膜完整性，导致质壁分离；

抑制酸性磷酸酶活性（浓度1.0 mg/L时活性降至10%）；干扰氮代谢相关基因（如GS、GDH）的表达。

五、应用与优化策略

氮源选择的工业考量

成本效益：化肥尿素因其低廉价格（相比纯化硝酸盐）和高效吸收（总氮吸收率94.2%）成为湛江等鞭金藻规模化培养的首选。

产物导向：若以生物柴油为目标，优先选择尿素以提升油脂产率；若以蛋白质或多糖为主，硝酸盐或铵盐可能更优。

环境适应性改良

pH缓冲系统：添加碳酸氢盐可稳定尿素培养液的pH，减少NH₃毒性。

混合氮源策略：硝酸盐与铵盐按比例混合（如NaNO₃:Urea=8:24 μmol/L）可平衡生长速率与毒性风险。

六、总结

氮源类型通过代谢途径效率、能量消耗及环境适应性显著影响微藻的生长与产物合成。硝酸盐适合高生物量培养，尿素利于脂质积累，而铵盐需严格控制浓度以避免毒性。未来研究需进一步解析氮代谢基因调控网络，并开发低成本、高兼容性的复合氮源体系，以推动微藻在能源、食品及环境修复领域的应用。