锰与藻类代谢之间的相互作用：从代谢调控到通过藻类有机物实现的光化学反馈

《Journal of Hazardous Materials》：Interplay between manganese and algal metabolism: From metabolic regulation to photochemical feedbacks via algal organic matter

微囊藻锰调控机制及藻-锰耦合作用研究，揭示了锰通过影响碳氮硫铁代谢及有机质组成调控藻华形成，同时藻类代谢产生的锰-有机质复合物增强光催化降解污染物能力。

　　
滇池流域蓝藻水华的锰代谢调控机制研究取得新进展

本研究聚焦滇池流域典型蓝藻水华优势种微囊藻属（*Microcystis aeruginosa*）的锰代谢机制，通过建立梯度锰浓度培养体系，揭示了锰元素在藻类生理代谢、有机质组分演变及环境锰循环中的多重作用机制。研究团队在昆明理工大学环境科学与工程学院的实验室条件下，采用BG-11培养基配合可控锰浓度梯度（0.2-5.0 mg/L），系统考察了锰元素对微囊藻生长特性、代谢通路及有机质组成的影响。

实验表明，当环境锰浓度低于2.0 mg/L时，微囊藻的生长速率呈现显著抑制，其细胞密度较对照组下降达47.6%。在生理代谢层面，锰元素通过调控超氧化物歧化酶（SOD）、丙酮酸激酶（PK）等金属酶活性，直接影响电子传递链（ETC）和三羧酸循环（TCA）的运作效率。特别值得注意的是，当锰浓度超过3.5 mg/L时，微囊藻体内铁死亡相关基因（Fdx1、Fapy2）表达量激增2.3-4.1倍，同时脂肪酸合成和丙酮酸代谢通路关键酶基因（CPT1A、PK）的上调率达68%-92%。

在有机质组分研究方面，发现环境锰浓度与藻体有机质的光电子转化活性呈显著正相关（R2=0.87）。当锰浓度提升至4.0 mg/L时，藻体有机质中酚酸类物质含量增加2.8倍，其苯环结构赋予AOM（藻类有机质）更高的光敏性。通过透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）联用技术，首次观察到藻细胞膜表面形成稳定的锰-蛋白质复合体，其热稳定性达72小时以上。这种复合体不仅有效缓冲了环境锰浓度的剧烈波动，更在黑暗条件下通过光诱导电子跃迁，实现污染物（如微塑料、农药残留）的间接光催化降解。

研究揭示的锰-有机质协同作用机制具有重要环境意义：当蓝藻水华发生时，大量增殖的微囊藻通过主动吸收环境中的锰离子，在细胞内形成高稳定性的锰-蛋白复合体库。这些复合体在光照条件下可显著提升水相中锰的氧化态比例（Mn2?/Mn??比值从1:0.2升至1:5.3），促进锰的氧化-还原循环。同时，藻体分泌的富锰有机质颗粒（直径0.8-2.5 μm）通过吸附作用使水体中悬浮锰浓度降低42%，但显著提高了锰的表面活性剂效应，加速了多种持久性有机污染物（POPs）的光降解速率。

该研究成果突破传统认知中氮磷营养盐主导水华形成的理论框架，首次系统阐明锰元素通过"营养-代谢-有机质"三重调控路径影响蓝藻水华发展的机制。研究构建的"锰-有机质-污染物"作用模型，为解析滇池等高锰湖泊区域水华形成机理提供了新的理论支撑。通过建立锰浓度-藻类代谢-有机质特征-环境污染物响应的四维分析体系，该研究不仅填补了锰元素在水华生态过程中作用机制的理论空白，更为水体重金属污染治理提供了新的技术路径——通过调控锰浓度可同步实现藻类抑制和有机污染物降解的双重目标。

在方法学层面，研究团队创新性地采用同位素稀释质谱（IDMS）技术定量分析锰在藻体不同代谢产物的分配比例，结合原位同步辐射X射线吸收谱（SAXS）技术，首次实现了微囊藻体内锰-有机质复合体三维结构的动态观测。通过建立包含15个关键代谢通路的生物信息学分析模型，系统解析了锰缺乏条件下（Mn<1.5 mg/L）微囊藻通过激活铁死亡通路（upregulation rate达78.6%）和脂肪酸代谢（PK基因表达量提升4.2倍）进行生存适应的分子机制。

环境监测数据显示，研究区域水体锰浓度与蓝藻密度呈显著负相关（P<0.01），其空间分布呈现明显的垂直分层特征：表层水（0-5m）锰浓度普遍低于2 mg/L，而中下层水体（5-15m）因锰的氧化沉淀作用，实际有效锰浓度可达4.8-5.6 mg/L。这种垂直梯度导致微囊藻在表层水体形成高密度聚集区，而底层水体则因锰的氧化态升高抑制藻类生长。研究建立的锰浓度-藻类代谢响应模型，可解释72.3%的水华空间异质性。

该成果对指导高锰湖泊治理具有重要实践价值。研究团队在滇池治理示范区开展的对比试验表明，通过向水体添加0.5 mg/L的稳定锰源（锰蛋白复合物），可在不改变氮磷输入量的前提下，使蓝藻生物量减少58%-63%，同时提升水体对有机磷农药的降解效率达2.4倍。这种"锰调控-藻抑-污染物降解"协同机制，为开发新型水华治理技术提供了理论依据。

研究创新性地提出"锰稳态"概念，认为水体锰浓度的动态平衡（波动范围±0.3 mg/L）是维持生态平衡的关键阈值。当锰浓度超出稳态范围时，会触发藻类代谢的级联响应：低浓度（<1.5 mg/L）诱导铁死亡防御机制，高浓度（>3.5 mg/L）激活光氧化应激通路。这种双阈值调控机制解释了为何传统补锰措施在治理水华时存在效果波动。

特别值得关注的是锰-有机质复合体在污染物迁移中的双重作用：一方面通过稳定有机质结构降低水体锰的有效性，另一方面通过光催化作用提升污染物降解效率。这种看似矛盾的机制实则符合生态系统的自组织规律——当藻类大量增殖时，其分泌的富锰有机质既形成物理屏障限制锰扩散，又产生光催化活性位点促进污染物分解。这种负反馈调节机制揭示了水华治理的潜在瓶颈：单纯提高锰浓度可能加剧有机污染物累积。

研究团队在细胞生物学层面取得突破性发现，利用冷冻电镜技术观察到微囊藻细胞膜上的Mn-SOD复合体在氧化应激时发生结构重排（热运动频率降低至0.23 Hz）。这种结构变化不仅增强了对活性氧的淬灭能力，还形成特定的电子转移通道，使细胞内Mn的氧化态比例从自然状态的1:3.2提升至应急状态的1:0.8。这种动态调控机制为理解锰在抗逆反应中的作用提供了分子层面的证据。

在应用技术方面，研究团队开发出基于锰-有机质复合体的光催化滤膜材料。该材料通过仿生复刻微囊藻分泌的锰蛋白复合体结构，在可见光（400-700 nm）照射下对有机磷农药的降解效率达到98.7%，且具有超过200次的循环使用稳定性。实验室模拟试验表明，该材料对滇池水体中典型有机污染物的去除效能较传统活性炭提升3.2-4.8倍，且不会引入新的重金属污染风险。

该研究成果已被纳入《中国湖泊水华防控技术指南（2025版）》，其中提出的"锰稳态调控"策略被列为优先推荐措施。在云南抚仙湖、阳宗海等敏感水域开展的试点工程显示，通过精准调控锰浓度（维持1.8±0.3 mg/L稳态），配合定期补充锰蛋白复合体，可使蓝藻水华发生频率降低67%，同时提升水体对微塑料污染的吸附容量达41.2 mg/kg。

研究还发现锰的生物有效性与水体pH值存在非线性关系，当pH>8.5时，锰的氧化态比例显著提高（ΔMn??/Mn2?达2.8倍）。这为解释为何在同样高锰环境（>5 mg/L）下，某些区域仍出现蓝藻水华提供了关键线索——当地表水pH持续高于8.5时，锰的氧化态比例增加会抑制藻类铁死亡防御系统的启动，导致蓝藻在氧化应激状态下持续增殖。

该研究团队后续计划开展锰-有机碳耦合作用机制的系统研究，重点解析锰在调控有机碳矿化速率中的作用机理。通过建立包含锰、有机碳、微生物群落的三维模型，预期能揭示蓝藻水华对生态系统碳汇功能的潜在威胁，为全球气候变化背景下的水生态安全提供理论支撑。

这项研究不仅深化了我们对锰在水华形成中的调控机制认识，更开创了锰元素在水体重金属污染治理中的应用范式。其核心创新点在于：首次阐明锰通过"代谢调控-有机质演变-光催化转化"的级联效应影响蓝藻水华，并开发出基于锰-有机质复合体的新型水处理技术。这些发现为解决"富营养化-蓝藻水华-有机污染"的恶性循环提供了新的理论和技术路径。