锌元素对钝顶节旋藻生长生理特性及转化富集的促进作用研究

《Scientific Reports》：Effects of zinc on growth and physiological characteristics and transformation enrichment of Arthrospira platensis Gom

本研究针对如何平衡金属元素吸收与钝顶节旋藻(Arthrospira platensis Gom)生长关系的关键问题，开展了锌元素添加方式和浓度对藻体生长特性、生理指标及转化富集影响的系统研究。结果表明，分批添加12μmol/L ZnSO4处理组效果最佳，使可溶性蛋白、藻蓝蛋白和叶绿素a含量分别提升61%、48%和42%，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性提高56%和54%，丙二醛(MDA)含量降低25%。该处理能有效缓解PSII供体侧损伤，提升受体侧电子传递能量，显著改善光合性能指数(PIabs)。代谢组学分析揭示嘌呤(腺苷、次黄嘌呤)和葡萄糖酸代谢通路上调，为开发高附加值功能性藻类产品提供了理论依据。

　　

在微藻生物技术领域，如何实现微量元素的高效生物转化一直是个值得关注的科学问题。钝顶节旋藻(Arthrospira platensis Gom)作为一种具有重要经济价值的蓝藻，因其生长速度快、培养简单且对微量元素具有良好的富集能力，被认为是微量元素生物有机转化的理想载体。锌作为生物体必需的微量元素，参与多种酶的合成，在维持细胞正常功能和膜完整性方面发挥着重要作用。然而，现有研究对锌元素添加方式和浓度对钝顶节旋藻生理特性的综合影响机制尚不明确，特别是从光合作用、抗氧化系统到代谢通路的多层次响应规律仍需深入探讨。

为了解决这一问题，内蒙古科技大学生命科学与技术学院的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。该研究通过设置不同浓度梯度(0-24μmol/L)和两种添加方式(一次性添加与分批添加)，系统评估了锌元素对钝顶节旋藻生长特性、生理指标及转化富集的综合影响。

研究采用了多项关键技术方法：通过分光光度法测定生物量、可溶性蛋白、藻蓝蛋白(C-PC)和叶绿素a含量；使用试剂盒法检测超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量；应用手持式植物效率分析仪(Handy PEA)测定叶绿素a荧光参数；采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析细胞内锌含量；通过透射电子显微镜观察细胞超微结构；并利用LC-MS/MS技术进行非靶向代谢组学分析。实验材料为来自内蒙古鄂尔多斯高原碱性湖泊(39°04'N, 109°32'E)的钝顶节旋藻株系，使用Zarrouk标准培养基进行培养。

Effect of different ZnSO₄ concentration treatments on the growth of Arthrospira platensis Gom

研究结果显示，适当的ZnSO₄浓度和添加方式能显著促进钝顶节旋藻的生长。当分批添加12μmol/L ZnSO₄培养12天时，藻体生物量达到最高，较对照组提高20%。相同浓度处理条件下，分批添加法各处理组的生物量均高于一次性添加法。这表明分批添加可减轻高浓度外源锌对藻体代谢的不利影响，提高藻体对外源锌胁迫的适应性。

Effect of different ZnSO₄ concentration treatments on the protein and photosynthetic pigment contents of Arthrospira platensis Gom

在光合色素和蛋白质含量方面，分批添加12μmol/L ZnSO₄时，可溶性蛋白、藻蓝蛋白和叶绿素a含量分别比对照组提高61%、48%和42%。当浓度超过12μmol/L时，藻体细胞内蛋白质和光合色素含量开始下降，表现出"低促高抑"的效应规律。这可能是由于高浓度外源锌阻碍了藻体内蛋白质和叶绿素a的合成，或加速了其降解过程。

Effect of different ZnSO₄ concentration treatments on the antioxidant enzyme activity and malondialdehyde content of Arthrospira platensis Gom

抗氧化酶活性分析表明，分批添加12μmol/L ZnSO₄使SOD和CAT活性分别提高56%和54%，MDA含量降低25%。适当的锌浓度处理能增强藻体细胞的抗氧化能力，有效清除过量活性氧(ROS)。而当浓度超过18μmol/L时，SOD和CAT活性显著降低，MDA含量上升，表明高浓度锌胁迫导致氧化损伤。

Effect of different ZnSO₄ concentration treatments on the chlorophyll A fluorescence induction kinetic curves of Arthrospira platensis Gom

叶绿素荧光动力学参数分析显示，不同浓度ZnSO₄处理对光系统II(PSII)功能产生显著影响。标准化后的O-J-I-P曲线形态在不同浓度梯度下发生明显变化，J点和I点荧光强度存在显著差异(P<0.05)，表明锌处理影响了PSII反应中心的电子传递过程。

Effect of different ZnSO₄ concentration treatments on the energy allocation of photosystem II parameters of Arthrospira platensis Gom

进一步的能量分配分析表明，分批添加12μmol/L ZnSO₄能显著提高单位反应中心的最大光能转化效率(F_v/F_m)、光能吸收(ABS/RC)和电子传递能量(ET_o/RC)，分别比对照组提升25%、10%和60%，同时降低反应中心热耗散值(DI_o/RC)，使光合性能指数(PI_abs)提高55%。这表明适当浓度的锌处理能优化PSII光能利用效率。

Detection of intracellular zinc content and morphological changes

细胞内锌含量检测证实，在最佳培养浓度下，钝顶节旋藻能有效富集锌元素。透射电镜观察发现，锌处理组藻体细胞横纵壁呈现不均匀性，类囊体膜层完整清晰，藻胆体颗粒显著增加，羧酸体数量和体积明显增大，气泡等结构分布在周边区域，表明适当的锌处理有利于细胞结构的维持和功能优化。

Metabolomics analysis

代谢组学分析显示，ZnSO₄处理组与对照组之间存在99种差异代谢物，其中66种上调，33种下调。主要涉及嘌呤代谢途径和糖酸代谢途径，腺苷和次黄嘌呤等代谢物显著上调。这些代谢变化与藻体生理指标和酶活性反应呈正相关，说明适当的锌富集能促进藻体内糖类和氨基酸的积累，增强其抗逆性和抗氧化能力。

本研究通过多维度分析证实，低浓度分批添加ZnSO₄能有效促进钝顶节旋藻的生长代谢、提高光合色素含量、增强抗氧化活性，并优化光合系统功能。从超微结构观察到代谢通路分析，研究系统阐明了锌元素对藻体生理特性的促进作用机制。该研究不仅为微量元素生物强化技术提供了理论依据，也为开发高附加值功能性藻类产品奠定了实践基础，对推进微藻在健康食品和医药领域的应用具有重要意义。