稀土元素废水中衣藻YC的高铵耐受性与氮利用机制研究

为解决稀土元素(REEs)废水处理中高浓度NH4+-N对微藻的毒性问题，研究人员通过转录组学、酶活性和生物信息学分析，揭示了本土衣藻Chlamydomonas sp. YC在3% CO2条件下通过上调光合作用、GS-GOGAT通路基因及独特的GS1蛋白结构实现高效NH4+-N去除的分子机制，为微藻生物技术处理工业废水提供新思路。

　　

稀土元素(REEs)作为航空航天、新能源等高科技产业的核心原料，其开采过程伴随大量高铵(NH₄⁺-N)废水排放，浓度高达300-5000 mg/L，传统处理方法面临成本高、效率低的困境。微藻因其环境友好特性成为废水处理的新希望，但高浓度NH₄⁺-N会引发微藻渗透压失衡、光合抑制等问题。尤其令人困惑的是，为何某些本土微藻能耐受极端NH₄⁺-N环境？这背后隐藏着怎样的分子适应机制？

为破解这一难题，福建师范大学的研究团队聚焦于从REEs废水中分离的Chlamydomonas sp. YC菌株，在《Algal Research》发表的研究中揭示了其独特的氮代谢调控网络。研究人员采用多组学联用策略，通过比较转录组分析锁定关键代谢通路，结合酶动力学实验验证功能差异，最后通过蛋白质结构预测解析分子进化特征。

微藻生长与NH₄⁺-N去除
实验显示3% CO₂使YC菌株生物量提升1.5倍，NH₄⁺-N去除率较0.04% CO₂组提高80%。转录组数据揭示Calvin循环关键酶基因上调2-3倍，推动碳骨架供给；同时光合系统II相关基因表达增强，为氮同化提供能量支持。

GS-GOGAT通路的核心作用
酶活检测发现YC菌株的谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)活性分别是模式藻C. reinhardtii的2.1倍和1.8倍。结构分析显示其GS1蛋白具有独特的"封闭式铵通道"，这种拓扑结构可能通过构象变化实现NH₄⁺的高效转运，避免胞内铵积累毒性。

碳氮代谢协同机制
3% CO₂环境下，YC菌株显著上调卟啉代谢通路基因（如血红素合成酶），促进电子传递链效率。这种碳氮协同调控使其在2000 mg/L NH₄⁺-N废水中仍保持315 mg/(L·d)的CO₂固定速率。

该研究首次从分子水平阐释了微藻适应极端NH₄⁺-N环境的双引擎驱动模型：一方面通过增强GS-GOGAT通量实现氮解毒，另一方面优化光合机构保障能量供应。特别值得注意的是GS1蛋白的适应性进化特征，这为设计抗逆藻种提供了结构生物学基础。实际应用中，3% CO₂的优化条件可直接对接工业废气，实现"以废治废"的循环经济模式。这些发现不仅推进了微藻环境生物学理论发展，更为REEs矿区生态修复提供了可规模化的技术方案。