超越单纯的保护作用：海藻酸盐固定化如何提升微藻去除氧四环素的能力

《Journal of Hazardous Materials》：Beyond protection: How alginate immobilization enhances microalgal capacity for oxytetracycline removal

藻类生物修复|海藻酸钠固定化|氧四环素降解|转录组分析|代谢适应性

　　

杜淼佳|孙安然|马建清|李芳|沈晨思

华东大学环境科学与工程学院，上海201620，中国

摘要

基于微藻的生物修复是一种控制抗生素污染的有前景的可持续方法，但传统的悬浮培养系统在实际应用中仍存在局限性。本研究探讨了利用海藻酸盐固定化技术来增强Chlamydomonas reinhardtii去除土霉素（OTC）能力的方法。固定化微藻的生物量产量是传统方法的1.41倍（6.14×10⁶细胞/mL），同时提高了OTC的去除效率（>97%）和抗OTC能力。全面的转录组分析表明，固定化诱导了广泛的分子适应性变化，包括光合作用装置的重组、代谢方式向混合营养模式的转变以及蛋白质质量控制系统的激活。在OTC胁迫下，固定化细胞的差异表达基因数量是悬浮细胞的1.36倍，这表明其具有更强的抗氧化防御能力、全面的解毒机制和协调的膜转运系统。保护性的海藻酸盐基质使细胞免受污染物直接接触，并促进了复杂的细胞适应性变化，从而提高了生存能力和代谢能力，为从水环境中去除抗生素提供了一种高效且可持续的方法。

引言

水环境中的抗生素污染已成为一个重大的全球环境和公共卫生问题[1]。土霉素（OTC）是一种在人类和兽医医学中广泛使用的抗生素，由于其在自然水和废水中的持久性而受到广泛关注。因此，它增加了抗生素的抗性，从而对生态系统和人类健康构成威胁[2]。传统的废水处理方法，包括高级氧化[3]、[4]、吸附[5]和膜过滤[6]，常常受到高能耗、运营成本和有毒副产物生成等挑战的限制，这些因素阻碍了它们的可扩展性和可持续应用。相比之下，微藻生物修复利用微藻的天然代谢能力来降解污染物，是一种有前景的环保替代方案[7]、[8]、[9]。然而，悬浮微藻的实际应用受到细胞密度低、对环境压力敏感以及生物质收集和回收困难等问题的限制[10]、[11]。

为了解决这些限制，人们开发了多种固定化技术，其中基于海藻酸盐的固定化技术作为一种有效的方法逐渐受到关注[12]、[13]、[14]。海藻酸盐是一种天然存在的多糖，当二价或更高价金属离子（M^n?，n ≥ 2）取代原始的Na⁺和H⁺离子时，会形成稳定的三维凝胶网络。这种基质在各种条件下增强了微藻的稳定性和韧性，提供了物理保护并提高了操作可行性[15]。研究表明，固定化微藻的表现优于自由生长的微藻，具有更快的生长速率、更高的生物活性和更高的抗生素去除效率[13]、[16]。

除了物理保护外，固定化还创造了生理上相关的微环境，促进了微藻细胞的聚集，从而增强了细胞间的相互作用和细胞活性[17]。研究表明，固定化诱导了显著的代谢适应性变化，显著提高了污染物去除效率。例如，Han等人[18]报告称，三维基质提供了空间异质性的微环境，改变了营养物质的可利用性，特别是氮的利用方式，使微藻的代谢从主动选择底物转变为被动传输营养物质。尽管取得了这些令人印象深刻的结果，但海藻酸盐固定化增强微藻OTC去除能力的具体机制仍不清楚。阐明物理保护、生理韧性和分子适应性之间的关系对于优化固定化策略和开发高效的生物修复系统至关重要。

因此，本研究通过综合生理学、生物化学和转录组分析，研究了固定化Chlamydomonas reinhardtii（C. reinhardtii）的增强OTC去除能力。C. reinhardtii是一种具有显著异生物质代谢潜力的模式单细胞绿藻[19]。本研究的具体目标是：（1）评估固定化与悬浮微藻的生长性能和OTC去除效率；（2）研究OTC暴露下的生理应激反应；（3）通过转录组分析阐明固定化诱导的分子适应性变化；（4）确定驱动OTC生物降解的关键代谢途径和细胞过程。这项研究推动了基于微藻的生物修复策略的发展，为控制水环境中的抗生素污染提供了可持续且高效的解决方案。

材料

C. reinhardtii（FACHB-359）来源于中国科学院水生生物学研究所的淡水藻类培养库。海藻酸盐（(C₆H₇NaO₆)_X，AR）由中国上海Macklin生化有限公司提供。无水氯化钙（CaCl₂，AR）由中国上海Yien化工技术有限公司提供。柠檬酸钠（C₆H₅Na₃O₇，AR）由中国上海浩宏生物科技有限公司提供。土霉素（C₂₂H₂₈N₂O₁₁，AR）也来自同一家公司。

固定化微藻的生长促进

如图1a所示，C. reinhardtii细胞通过与CaCl₂交联被包裹在海藻酸盐（SA）基质中。空白的海藻酸盐凝胶珠的直径为2-3毫米，颜色透明（图1b），为微藻生长提供了最佳的光照条件[20]。经过8天的培养后，海藻酸盐凝胶颗粒的直径增加到3-5毫米，呈现出明显的绿色（图1c），表明微藻在基质中成功繁殖。SEM图像显示了这一过程。

结论

本研究显示，海藻酸盐固定化将C. reinhardtii转变为一个强大的生物修复平台，其生物量产量是悬浮培养的1.41倍，OTC去除效率超过97%。转录组分析表明，固定化诱导了广泛的、层次协调的分子适应性变化，将C. reinhardtii从一个对压力敏感的悬浮系统转变为一个代谢能力得到提升的生物修复平台。

环境意义

我们的发现表明，海藻酸盐固定化将微藻转化为高效的生物修复平台，对水环境中抗生素污染的可持续管理具有重要意义。在药物污染严重的地区，如农业流域，这项技术比能耗高的方法更具优势。转录组分析揭示了强大的解毒机制，包括细胞色素P450的激活和抗氧化能力的增强。

作者贡献声明

马建清：撰写 – 审稿与编辑、可视化、资金筹集。孙安然：方法学研究、实验设计、数据分析。杜淼佳：撰写 – 初稿撰写、数据管理、概念构思。沈晨思：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金筹集。李芳：结果验证、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们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

作者感谢中央高校基本科研业务费（编号2232025G-11）、宁波市自然科学基金（编号2023J402）和纺织愿景基础研究计划（编号J202407）的财政支持。