利用水力空化技术高效破坏微藻细胞：流式细胞术解析藻类死活及能耗优化探究

niwanmao

水力空化（Hydrodynamic Cavitation, HC）作为一种新兴的微藻细胞破坏方法，近年来备受关注。相较于传统的微球研磨和超声波等机械破碎方法，HC不仅能在较低能耗下实现高效细胞破裂，还对环境无污染，能提取回收其中的生物成份。Wang D等在在2025年2月13日的Water Res.杂志上发表了一篇文章，通过构建台式空化系统和利用流式细胞术（Flow Cytometry）对微藻细胞进行多参数、单细胞层面的详细检测，明确了HC破坏细胞的全过程和能耗动态变化，为后续优化空化方法提供了科学依据。

1. 实验系统构建与方法设计

研究者设计了一套台式水力空化系统，核心部件包括一台隔膜泵、一个类似文丘里管结构的空化装置及流量计和压力计。装置通过狭窄的1/16″节流口实现局部流速放大，使局部压力降至低于海水的饱和蒸汽压，从而诱发微气泡的生成与剧烈坍塌。实验中，空化数（Cavitation Number, Cv）被计算为评估空化强度的无量纲参数；系统测得的Cv为0.13，远低于对照组（Cv=34.3），表明在空化组内形成了显著的空化现象。

培养自海水型微藻Dunaliella viridis的细胞在40分钟的处理周期中，以固定流速4.5 L/min循环经过装置，采样间隔从0到40分钟不等，以便实时监控细胞浓度、颗粒尺寸分布以及细胞生理状态的变化。

2. 微藻细胞破裂效率与能耗分析

通过流式细胞仪的前向散射（FSC）检测，研究人员发现，HC处理组的细胞浓度在40分钟内下降约34%，而对照组仅下降约10%。流式细胞仪的设门分析不仅能够区分出完整的细胞，还能准确分辨出由于细胞破裂而形成的细胞碎片。


结果显示，初期细胞破裂效率高达约1000 cells mL⁻¹J⁻¹，但随着处理时间的延长，由于破碎后细胞碎片的累积，该效率在10分钟内急剧下降近90%。当细胞碎片在总颗粒中所占比例超过10%至20%时，空化的物理和化学效应便会被部分“消耗”，从而降低整体的能耗利用效率。

3. 细胞活性、代谢状态及破坏机理解析

利用两种荧光染料——FDA和EB，分别标记活细胞和死细胞，流式细胞术数据直观呈现了空化过程中细胞膜破裂的过程。初始阶段约99%的细胞呈现FDA染色阳性，表明细胞膜完整且具有活性酯酶；随着空化时间的延长，FDA信号迅速下降，而EB染色细胞比例显著增加，说明大部分细胞由于膜的破坏而失去了活性。细胞破裂主要表现为细胞膜的严重损伤，导致内部酯酶和叶绿素等关键组分迅速泄漏，而在膜完整的细胞中，酯酶活性和叶绿素含量并未受到影响。



此外，利用DCFDA对细胞内ROS的检测结果显示，空化处理组中活细胞的ROS水平呈连续下降趋势。这并非因ROS生成不足，而是由于细胞外生成的ROS主要攻击细胞膜，促使膜破裂和随后的内容物泄漏，而那些膜完整的细胞则通过内在抗氧化机制抑制了ROS的累积。



4. 细胞灭活动力学及能耗成本评估
文章利用流式细胞术计数FDA阳性细胞，构建了细胞灭活的动力学模型。最初采用伪一级动力学模型拟合，但数据在2至5分钟内显示出灭活速率明显下降。为更精确描述这一过程，研究人员引入了P-factor模型——该模型结合两个不同的一级速率常数（k₁和k₂），分别代表较慢与较快的灭活过程。通过最优参数拟合，空化组的P值为0.469，而对照组仅为0.245，反映出在空化初期存在较大比例的高速灭活过程，但随着细胞碎片的累积，这一速率逐渐降低。能耗评估结果表明，为实现90%细胞灭活，HC组的能耗为42.33 kWh/m³，而对照组则高达103.57 kWh/m³；在99%灭活时，HC组分别为100.70 kWh/m³和50.35 kWh/order/m³，相较于对照组则节能超过50%。


文章做了这么多工作，最终目标在于优化HC处理方法，使之不仅在微藻生物产品的提取中实现高效细胞破裂，同时在微藻培养过程中的病原体控制与废水处理等方面发挥更大的应用价值。

参考文献：Wang D, de Los Reyes FL 3rd, Ducoste JJ. Enhancing microalgae cell inactivation through hydrodynamic cavitation: Insights from flow cytometry analysis. Water Res. Published online February 13, 2025. doi:10.1016/j.watres.2025.123287IF: 12.8 Q1