两阶段氮调控策略提升小黄丝藻氮吸收与碳水化合物合成：从氮限制到氮富集条件的代谢优化

本研究针对丝状产油微藻Tribonema minus在氮富集(NR)条件下氮吸收受限的问题，创新性提出"氮限制(NL)-氮富集"两阶段培养策略。通过9天NL预处理激活氮超补偿效应，使NR阶段的氮吸收率和碳水化合物产率分别提升61.6%和164.2%，并解析了硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)基因8.9-17.0倍上调的分子机制。该策略在12 mM模拟废水中实现96%脱氮率，为微藻生物能源生产和废水处理提供新思路。

　　

在应对全球能源危机和环境污染的双重挑战中，丝状微藻Tribonema因其独特的代谢特性正成为研究热点。这类微生物既能像植物一样进行光合作用，又能像工厂一样合成油脂和碳水化合物，更令人惊奇的是它们能在氮富集(NR)条件下积累近50%干重的油脂——这打破了常规微藻需氮胁迫才能产油的认知。然而，武汉轻工大学的研究团队发现，Tribonema minus在NR条件下存在明显的氮吸收瓶颈：培养液中超过50%的氮源未被利用就进入生长停滞期，这种"营养浪费"现象严重制约了其规模化应用。

为破解这一难题，研究团队受自然界普遍存在的"超补偿效应"启发——就像经历饥荒的作物在恢复供肥后会爆发式生长，他们设计出创新的两阶段培养策略。该研究通过系统比较不同氮浓度转换模式，最终在《Bioresource Technology》发表的研究证明：9天氮限制(NL)预处理后转入NR条件，可激活藻细胞的"营养记忆"效应，使氮吸收效率提升61.6%，同时将碳水化合物产率推高至164.2%。这种代谢重编程伴随着氮同化关键酶基因的显著上调，为微藻定向代谢工程提供了新靶点。

关键技术包括：采用改良BG-11培养基(mBG-11)进行光生物反应器培养（1.2 L工作体积，1% CO₂
通气）；设置0-12天不同NL预处理时长梯度；利用实时荧光定量PCR(qPCR)检测氮代谢基因表达；通过气相色谱(GC)和高效液相色谱(HPLC)分析油脂及碳水化合物含量；在12-24 mM氮浓度范围内评估废水处理效能。

【Effect of nitrogen concentration-shift on biomass and nitrogen uptake】
研究发现NR-to-NR（持续氮富集）和NL-to-NL（持续氮限制）组虽比批次培养分别提高20.4%和17.9%生物量，但真正突破性进展来自NL-to-NR组。该组在转入NR条件后出现典型的超补偿生长曲线，第18天生物量达3.8 g/L，较对照组提升34.2%。值得注意的是，其氮吸收速率在转换后24小时内激增3倍，且吸收阈值从9 mM提升至15 mM，证明短期NL胁迫能重塑细胞的氮转运能力。

【Molecular mechanism underlying nitrogen overcompensation】
基因表达分析揭示，NL预处理使硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)基因分别上调8.9和17.0倍。这种"分子开关"的激活促进氮同化流转向氨基酸合成，同时通过糖酵解途径(EMP)增加磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性，将碳骨架导向碳水化合物而非油脂合成，最终使碳水化合物含量提升至42.7% DW。

【Wastewater treatment potential】
在模拟废水实验中，12 mM氮浓度下（含NH₄
⁺
、NO₃
^-
或尿素），NL-to-NR策略均实现>96%脱氮效率，且碳水化合物产率达0.38 g/L/d。但24 mM高氮组出现明显反馈抑制，说明该策略存在浓度窗口效应。

结论表明，这种时序调控的氮供给策略通过"胁迫-恢复"动态平衡，成功解锁了Tribonema minus的氮吸收潜力。其科学价值在于揭示微藻氮超补偿的分子开关是NR-GS协同上调，应用价值则体现在：① 为不依赖基因改造的代谢调控提供范例；② 实现废水处理与能源微藻生产的耦合；③ 确立12 mM为最佳处理浓度阈值。该研究突破传统"一刀切"的培养模式，证明阶段性营养调控可成为微藻工业化培养的普适性策略。