关于溶解的细胞外有机物在普通小球藻（Chlorella vulgaris）凝聚-絮凝过程中所起重要作用的见解

《Algal Research》：Insights into the significant role of dissolved extracellular organic matters in Chlorella vulgaris coagulation-flocculation

微藻絮凝效率受dEOM影响存在 flocculant type 依赖性：硫酸亚铁体系中dEOM缺失导致絮凝效率显著下降，因Fe3?电荷中和主导且dEOM作为桥梁促进细胞聚集；阳离子聚丙烯酰胺体系中dEOM缺失反而提高效率，因消除dEOM静电排斥后实现电荷中和与聚合物桥接协同作用。

　　

王颖|毛碧飞|张世楠|邓向远|何何何|高坤

江苏省海洋生物技术重点实验室，江苏科技大学生物技术学院，镇江市，212100，中国

摘要

微藻的凝聚-絮凝过程受到溶解性细胞外有机物（dEOM）的显著影响，然而dEOM如何与不同类型的絮凝剂共同参与藻类絮凝的机制仍不清楚。本研究使用硫酸铁和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）处理了三种普通小球藻溶液：原始悬浮液、去除dEOM的悬浮液以及重新加入dEOM的悬浮液。有趣的是，结果揭示了dEOM在不同絮凝剂类型下的不同效应：在没有dEOM的情况下，硫酸铁的絮凝效率显著降低，而CPAM的效果则得到提升。通过溶液和絮体分析的机制研究表明，dEOM在不同絮凝系统中的作用存在差异，这在之前的研究中尚未报道。在硫酸铁絮凝过程中，Fe³⁺主要中和藻细胞的电荷；而在CPAM絮凝过程中，dEOM通过静电作用促进带有相反电荷的Fe³⁺离子在藻细胞间的桥接，从而形成更大的絮体并提高絮凝效率。这项工作为不同絮凝剂介导的絮凝过程中dEOM的差异作用提供了新的见解。

引言

微藻收获是生物质生产和有害藻类爆发缓解的关键阶段，对水生环境、下游应用的经济可行性和可持续性有着重要影响[1,2]。由于微藻生长迅速且具有碳封存潜力，其生物质已成为生物燃料生产、高价值色素（如类胡萝卜素、藻蓝蛋白）和生物材料合成的宝贵原料[3,4]。然而，由于微藻细胞体积微小且培养浓度较低，导致收获过程能耗较高[5,6]。凝聚-絮凝技术因其操作简单和可扩展性而受到特别关注，该方法利用无机物、有机物或生物制剂通过聚集作用破坏胶体悬浮液[7]。该过程的效率和絮凝剂用量受多种参数影响：藻类种类特性、絮凝剂化学性质、溶液pH值、混合条件以及细胞外有机物（EOM）含量[8,9]。尽管已证明EOM在絮凝机制中的重要性，但其具体作用机制仍不够明确。

藻类产生的EOM包含蛋白质、多糖和腐殖质等异质生物聚合物，这些物质参与水生生物地球化学过程[[10], [11], [12]]。这种有机基质分为两类：附着在细胞表面的细胞结合EOM（bEOM）和分散在水相中的溶解性EOM（dEOM）[13]。先前的研究表明，bEOM通过表面络合作用促进絮凝剂与细胞的相互作用，而dEOM主要竞争絮凝剂结合位点[14,15]。大量证据证实dEOM对絮凝结果有重要影响：Zhang等人报告在高dEOM条件下FeCl₃/PAM系统的絮凝效果受损[16]，Cui等人在Heveochlorella中建立了dEOM组成与自发絮凝之间的定量关系[17]，其他多项研究也证明了絮凝效率与dEOM含量之间的相关性[15,18,19]。尽管认识到dEOM的影响，但其在不同絮凝系统中的作用机制仍不完整。例如，Ma等人研究了dEOM在壳聚糖和PAC絮凝中的作用[20]，但dEOM参与絮凝的详细机制尚未充分探讨。当前的藻类絮凝理论提出了三种主要机制：电荷中和（在金属基絮凝剂中占主导）、聚合物桥接（有机絮凝剂的特征）以及扫掠絮凝[[21], [22], [23]]。这些机制与dEOM之间的相互作用需要进一步阐明，特别是dEOM如何调节不同絮凝剂类型下的基本过程。

在本研究中，实验发现dEOM在硫酸铁（典型金属絮凝剂）和CPAM（典型有机絮凝剂）絮凝中的影响存在差异。去除dEOM会严重降低硫酸铁的絮凝效率，而提高CPAM的效果。通过溶液和絮体分析的机制研究表明，dEOM具有双重功能：它通过静电作用促进细胞间的桥接，增强硫酸铁介导的聚集作用，形成更大的絮体；相反，它通过诱导静电排斥和干扰电荷中和过程降低CPAM的效率。这些发现为dEOM在不同絮凝剂系统中的絮凝调节作用提供了新的机制见解。

实验部分

藻类培养

普通小球藻来源于中国武汉水生生物学研究所的淡水藻类培养库。从储备培养物中取1 mL接种液，转移到500 mL经过灭菌处理的Tris-Acetate-Phosphate（TAP）培养基中，培养基成分包括：2420 mg/L Tris、375 mg/L NH₄Cl、100 mg/L MgSO₄·7H₂O、50 mg/L CaCl₂·2H₂O、108 mg/L K₂HPO₄、54 mg/L KH₂PO_{4》、1 mL/L冰醋酸和1 mL/L Hutner微量元素。培养条件为80 μmol photons m^?2?s^?1的光照强度，光照时间为16:8小时}

dEOM对藻类絮凝的影响

首先验证了藻类dEOM的去除效果。图1(a)显示了原始藻类溶液离心上清液的EEM光谱，其中在约350 nm/280 nm（峰A）和345 nm/225 nm（峰B）处有两个明显的峰值，这些峰对应于先前研究中鉴定出的色氨酸类和芳香族蛋白质[24,25]。相比之下，图1(b)显示去除dEOM后的EEM光谱，这两个峰值均显著降低，证实了dEOM的去除效果

结论

本研究揭示了dEOM在藻类絮凝中的重要作用。当使用硫酸铁作为絮凝剂时，dEOM作为桥接剂，通过dEOM与Fe³⁺之间的静电作用促进细胞聚集和絮体生长，从而形成更大的絮体并提高絮凝效率。缺乏dEOM会导致絮凝效率大幅下降，原因是细胞间缺乏连接。相反，当使用CPAM作为絮凝剂时

CRediT作者贡献声明

王颖：方法学设计、实验研究。毛碧飞：初稿撰写、项目管理、资金筹集。张世楠：数据管理。邓向远：数据管理。何何何：结果验证、资源提供。高坤：资金筹集、概念构思。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号#32400312）、江苏科技大学（项目编号#1102932305）、江苏省自然科学基金（项目编号#BK20221293）以及镇江市重点研发项目（项目编号#SH2023106）的财政支持。