微藻能量-碳流重分配机制破解：钢铁工业CO2资源化与废水增值联用平台

钢铁工业面临CO2减排与废水处理双重挑战，中国科学院团队创新性地利用蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）构建微藻平台，揭示20%高浓度CO2通过能量限制（ATP耗竭）和碳流转向（16.8%至胞外有机物EOM）抑制生长的分子机制，为工业废气废水协同处理提供理论依据。

　　

钢铁工业作为全球工业CO₂排放的"大户"，每年贡献约25%的工业碳排放，同时产生大量难处理的冷轧乳化废水（CREW）。传统处理方式往往将废气与废水分割处理，不仅成本高昂，还浪费了其中潜在的资源价值。微藻生物技术因其"光合作用-废水净化-生物质生产"三位一体的特性，被视为破解这一困局的曙光。然而现实很骨感——钢铁厂废气中15-25%的高浓度CO₂远超微藻耐受极限（通常<10%），导致生长抑制和碳固定效率骤降。更棘手的是，学界对高CO₂如何通过能量代谢调控影响碳分配的认知仍存在大片空白。

来自中国科学院的研究团队选择蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa）作为模式生物，构建了模拟钢铁工业环境的微藻培养系统。通过生理表征结合转录组分析，他们首次揭示了高CO₂环境下微藻"弃车保帅"的生存策略：当CO₂浓度升至20%时，细胞内ATP水平暴跌62%，迫使细胞关闭TCA循环（三羧酸循环）和氧化磷酸化（OXPHOS）等耗能大户；与此同时，16.8%的固定碳被紧急转向胞外有机物（EOM）分泌，这种"代谢溢流"现象实质上是细胞在能量危机下的自救行为。该研究发表于《Bioresource Technology》，为设计工业级CO₂耐受菌株提供了全新靶点。

研究团队采用多组学联用策略：首先通过生理参数监测（比生长速率、碳固定效率）确定5% CO₂为最适浓度；继而利用HPLC（高效液相色谱）定量ATP和NADPH等能量载体；结合LC-MS（液相色谱-质谱）解析EOM分子组成；最后通过RNA-seq（转录组测序）揭示代谢通路重编程规律。所有实验均采用上海某钢铁厂实际CREW废水作为培养基基质。

【微藻生长和生物量特性】
在5% CO₂条件下获得最大生物量（1.80±0.07 g/L），而20% CO₂组生物量骤降47%。同位素示踪显示，高CO₂组碳固定速率降低34%，但EOM分泌量激增3.2倍。

【能量代谢调控机制】
20% CO₂引发细胞内pH值下降1.3个单位，导致ATP合成酶活性抑制。转录组数据显示，TCA循环关键酶（如柠檬酸合酶）表达下调40-60%，而DNA修复相关基因表达上调5-8倍。

【碳流重分配特征】
EOM中检测到大量多糖（占43%）和蛋白质（占29%），其分泌消耗了细胞18%的还原力（NADPH）。这种"碳泄洪"现象通过减轻细胞内酸化压力维持基本生命活动。

该研究建立了"能量限制-碳流重分配"的调控模型：当CO₂超过阈值时，酸化和氧化应激引发能量危机，迫使细胞将有限能量优先分配给生存相关功能（如DNA修复），而牺牲生长相关代谢。特别值得注意的是，EOM作为新型碳汇的发现，为工业废水处理提供了额外资源回收途径。研究提出的"CO₂-废水-生物质"协同转化框架，有望推动钢铁行业从"污染治理"向"资源循环"转型。未来通过基因工程强化微藻的质子泵功能和EOM定向合成能力，或将实现工业废气直接生物转化的重大突破。