高价值微藻处理四环素废水的综合分析与生物质利用：响应机制、去除途径及生理代谢组学特征

针对抗生素废水对生态环境的严重威胁，研究人员以Chlorella sp. HL为模型，系统探究了微藻对四环素（TC）的生理代谢响应与去除机制。研究发现低浓度TC（<10 mg/L）促进微藻生长，而高浓度（>20 mg/L）抑制其光合活性并引发氧化应激（SOD/CAT/POD活性升高）。微藻通过调节碳水化合物代谢等途径实现99.95%的TC去除率，同时积累多糖（278.43%）等高价值物质。该研究为抗生素废水修复与资源化提供了“修复-生产”双效策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。作为畜牧和水产养殖业广泛使用的抗生素，四环素（TC）因其稳定性强、难降解的特性，在地表水、地下水甚至生活污水中频繁检出。传统污水处理工艺对TC去除效率有限，而残留的TC不仅会破坏微生物群落平衡，还能通过抑制真核生物的光合作用和蛋白质合成，威胁水生食物链基础生产者——微藻的生存。面对这一环境困局，如何实现TC的高效去除，同时将处理过程转化为资源生产，成为环境生物技术领域的前沿课题。

中国的研究团队在《Water Cycle》发表了一项突破性研究，首次从生理生化、代谢组学与生物质利用多维度，解析了高价值微藻Chlorella sp. HL应对TC胁迫的“生存智慧”。研究采用梯度浓度TC暴露实验（1-100 mg/L），通过细胞计数、光合色素测定（叶绿素a/b、类胡萝卜素）、叶绿素荧光参数分析（Fv/Fm、ABS/RC等）、抗氧化酶活性检测（SOD、CAT、POD）及MDA含量测定，系统评估了TC对微藻的毒性效应。结合UPLC-Q Exactive HF-X非靶向代谢组学技术，揭示了微藻代谢重编程的分子机制。

在生理响应方面，研究呈现了典型的“低促高抑”现象：1-10 mg/L TC使微藻密度提升13.78%-30.24%，而100 mg/L TC导致66.37%的生长抑制。有趣的是，所有浓度组均刺激色素合成，100 mg/L TC下叶绿素a/b含量达对照组的2.94-4.26倍，暗示微藻通过增强光捕获能力抵抗胁迫。光合系统受损表现为Fv/Fm降低12.45%，同时单位反应中心吸收光能（ABS/RC）和热耗散（DIo/RC）显著增加，表明TC主要攻击PSII（光系统II）的电子传递链。

氧化应激数据更为直观：100 mg/L TC使SOD、POD活性暴增16.51倍和8倍，MDA含量升高7.46倍，证实TC通过诱导活性氧（ROS）爆发引发膜脂过氧化。这种氧化损伤与TC去除效率呈现奇特关联——尽管高浓度TC抑制生长，但50-100 mg/L组的TC去除率（96.94%-97.29%）反而优于低浓度组，可能源于浓度梯度驱动的被动吸附增强。

代谢组学分析揭示了微藻的“分子防御战术”。KEGG富集显示，TC显著影响碳固定、ABC转运蛋白和核苷酸代谢通路。在1 mg/L TC暴露下，微藻上调蔗糖、半乳糖等碳水化合物代谢物（278.43%），为应激反应供能；20 mg/L组中，L-谷氨酰胺等氨基酸代谢物增加，促进损伤蛋白修复；100 mg/L组则激活核苷（尿苷、鸟苷）合成，维持遗传物质稳定。特别值得注意的是，ABC转运蛋白通路中脂类代谢物的动态变化，暗示微藻可能通过外排机制降低胞内TC浓度。

这项研究的创新性在于将污染治理与资源循环完美结合。在实现98.63%-99.95%的TC去除率同时，微藻生物质中蛋白质（164.11%）、多糖（278.43%）等高价值组分显著积累，为“废水-藻类-生物产品”的闭环产业链提供了科学依据。研究不仅阐明了微藻抵抗抗生素胁迫的生理代谢网络，更开创了“污染修复耦合资源生产”的新范式，对发展可持续环境生物技术具有重要指导意义。