光照与黑暗条件下红酵母Rhodotor glutinis在废水中脂质积累的差异代谢通路解析及其生物炼制应用

本研究针对废水处理与微生物油脂生产的协同优化问题，通过NMR代谢组学、基因表达分析和生化检测技术，揭示了Rhodotorula glutinis在光照/黑暗条件下通过氧化磷酸戊糖途径(PPP)和抗氧化系统(SOD/GSH)调控脂质合成(光照组脂质含量达41.6%)的分子机制，为酵母-微藻共培养生物反应器设计提供了理论依据。

　　

随着全球能源需求预计2050年增长47%，石油燃料危机与水体污染问题日益严峻。红酵母Rhodotorula glutinis因其能同步处理废水并生产微生物油脂的特性，成为生物能源研究的热点。然而，这种异养型酵母在光照条件下的代谢重塑机制尚不明确，限制了其在生物反应器中的优化应用。

印度理工学院鲁尔基分校的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过核磁共振(NMR)代谢组学、透射电镜(TEM)和实时荧光定量PCR(RT-PCR)技术，对比分析了该酵母在100lux光照与黑暗条件下培养的代谢差异。研究发现光照组通过上调ZWF1(葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)和PK(丙酮酸激酶)基因表达，将糖酵解通量转向氧化磷酸戊糖途径(PPP)，产生大量NADPH用于脂质合成(5.0g/L)并激活抗氧化物酶系统(SOD/GSH)。黑暗组则展现更高的COD去除率(88.33%)，形成两种各具优势的培养模式。

【关键技术】

1. NMR代谢组学分析中心碳代谢流
2. TEM观察细胞超微结构变化
3. RT-PCR检测ZWF1/PK/Fas2/SOD基因表达
4. 生化法测定NADPH/ROS水平

【研究结果】
◆ 代谢通路重编程
NMR数据显示光照组PPP途径代谢物增加2.3倍，伴随TCA循环中间体减少，证实碳流向脂质合成偏移。

◆ 抗氧化系统激活
光照组SOD活性提升178%，谷胱甘肽(GSH)含量达黑暗组的2.1倍，有效中和了由光照诱导的ROS升高。

◆ 基因表达调控
Fas2(脂肪酸合成酶)基因在光照组表达量增加3.8倍，与脂质含量正相关(r=0.92,p<0.01)。

◆ 双模式生物炼制
黑暗组展现更高污染物去除率(COD 88.33%)，而光照组脂质产率(41.6%)更适合与微藻共培养。

该研究首次阐明光照通过PPP-NADPH-SOD轴调控酵母脂质合成的分子机制，提出的双模式培养策略使生物反应器效率提升32%。其中光照诱导的PK-ZWF1代谢开关为合成生物学改造提供了新靶点，而NADPH/ROS平衡理论为其他氧化应激相关疾病(如动脉粥样硬化)研究提供了跨界参考。论文建立的"废水处理-能源生产"耦合模型，为实现联合国SDG6(清洁水源)和SDG7(廉价能源)目标提供了可行方案。