太阳能板来源的耐干燥微藻Coelastrella thermophila D14：废水生物技术新平台的发现与遗传转化突破

《Applied Microbiology and Biotechnology》：A solar panel-origin microalga, Coelastrella thermophila D14, with high potential for wastewater biotechnology

本研究针对水资源短缺和污染问题，从极端环境（太阳能板）分离出新型耐干燥微藻Coelastrella thermophila D14，系统评估其在猪场废水（PWW）中的生长潜力及生物刺激素活性。研究发现D14在10% PWW中培养的完整生物质可使水芹发芽指数（GI）提高23%，并首次成功建立该属的农杆菌介导遗传转化体系。该成果为微藻在环境修复和可持续农业中的应用提供了新型耐逆底盘细胞，为代谢工程改造奠定了基础。

　　

随着全球水资源短缺和污染问题日益严峻，寻找可持续的废水处理方案已成为环境科学领域的焦点。微藻作为光合微生物的代表，因其能够利用太阳能将废水中的氮磷污染物转化为高价值生物质，近年来被视为绿色生物技术的明星候选。然而，普通微藻菌株往往难以承受废水环境中的高盐、高氨氮等胁迫条件，且缺乏高效的遗传操作工具，限制了其产业化应用。极端环境微生物资源挖掘为解决这一瓶颈提供了新思路——那些在严酷环境中自然选择的微生物，往往具备独特的抗逆机制和生物合成潜力。

在《Applied Microbiology and Biotechnology》最新发表的研究中，西班牙马德里康普顿斯大学与葡萄牙国家能源与地质实验室的联合团队，将目光投向了城市中意想不到的极端环境：太阳能电池板。这些常年暴露于高强度辐射、干燥和温度波动的表面，孕育着特殊的微生物群落。研究人员从中成功分离出一株绿色微藻，通过形态学观察和基因组测序鉴定为Coelastrella thermophila D14。该菌株不仅展现出对长期干燥（长达1年）和高浓度猪场废水的惊人耐受性，更在农业生物刺激素应用中表现出卓越潜力，甚至首次实现了该属微生物的稳定遗传转化。

研究团队采用多组学联用策略，首先通过基因组测序和功能注释构建了D14的基因组草图（83 Mb），结合形态学观察明确其分类地位。通过设置梯度实验系统评估了菌株对盐度（0-1 M NaCl）、pH（4-11）、温度（4-50°C）和氮源（硝酸盐、铵盐、尿素）的生理响应。利用猪场废水（PWW）稀释系列（5%-40%）模拟实际废水环境，监测微藻生长曲线和污染物去除效率。采用水芹种子发芽实验评价生物质提取物的生物刺激活性，最后通过农杆菌介导法（Agrobacterium tumefaciens LBA4404/pCAMBIA1301载体）建立遗传转化体系，并利用PCR验证外源基因整合。

菌株分离与基因组特征

从太阳能板生物膜中分离出的D14菌株为单细胞椭圆形绿藻，细胞直径4.2-14.8μm，平均8.68±1.96μm。基因组测序显示其大小约83 Mb，含有3803个预测基因，GO功能注释富集于代谢过程、细胞组分组装等类别。KEGG通路分析显示核糖体、氧化磷酸化和光合作用相关基因高度保守。通过条形码序列比对确认其为Coelastrella thermophila物种。

自养生长特性

在标准BG11培养基（pH 7.5）中，D14的代时为2.60±0.01天，生物量生产率达0.253 g·L^-1·d^-1。该菌株在0.5 M NaCl以下盐度中生长增强，在pH 4-11范围内均能生长，最适温度为30°C。能以尿素和铵盐为氮源，但在16 mM尿素中生长受限，8 mM时生长改善。

异养与混养生长能力

D14能利用葡萄糖、果糖和甘露糖进行异养生长，在添加10 mM葡萄糖的混养条件下生物量产量最高。蔗糖利用能力较弱，无法代谢麦芽糖或乳糖。

干燥耐受性

菌株在干燥保存7个月至1年后仍能恢复生长，复水后细胞形态完整并形成厚鞘结构。相比之下，对照菌株集胞藻PCC 6803在3个月后完全失活。这种特性与其原生境（太阳能板）的低水活度环境相适应。

废水处理潜力

在猪场废水（PWW）中，D14能在30%浓度下正常生长，且在20%PWW中能快速竞争优势土著微生物。废水的深色并未显著抑制其光合作用，表明其具备实际废水处理应用潜力。

生物刺激素活性

水芹发芽实验显示，在5% PWW中培养的D14完整生物质（1 g·L^-1）使发芽指数（GI）达132%，较对照提高32%。10% PWW培养的0.1 g·L^-1生物质使GI提高23%。细胞破碎处理普遍降低生物刺激效果，推测与活性成分（如植物激素、多糖等）的生物可利用性改变有关。

遗传转化突破

首次建立农杆菌介导的D14转化体系，优化参数包括菌液密度（OD₆₀₀=0.2或1.0）、乙酰丁香酮浓度（100-150μM）、共培养时间（5天）和pH（5.5）。转化子经潮霉素（20 mg·L^-1）抗性筛选和PCR验证，成功整合GUS（β-葡萄糖醛酸苷酶）和hptII（潮霉素磷酸转移酶）基因。

本研究系统阐明了Coelastrella thermophila D14作为新型生物技术平台的综合优势：其干燥耐受性显著优于常规微藻，基因组分析揭示其富含热休克蛋白等应激相关基因；对猪场废水的适应性使其可直接利用废水营养源，降低培养成本；生物刺激素活性证实其农业应用价值，尤其在低浓度（0.1 g·L^-1）未处理生物质即表现出显著效果，大幅降低下游处理能耗。遗传转化体系的建立打破了该属微生物难以基因操作的瓶颈，为后续代谢工程改造（如增强脂质合成、色素生产或污染物降解能力）提供了关键技术支撑。值得注意的是，D14在废水处理与高值产品生产中的双重潜力，符合循环生物经济理念——通过"废水净化-生物质转化-农业应用"的闭环模式，实现环境效益与经济效益的协同提升。未来研究可聚焦于规模化培养工艺优化、活性成分作用机制解析以及多基因叠加转化策略开发，进一步释放这一太阳能板来源微藻的应用潜能。