亚抑制浓度红霉素诱导微藻与青霉菌完全共絮凝：无有机培养中生物量、CO2捕获和蛋白质产量的全面提升

本研究针对微藻高效采收难题，创新性地利用亚抑制浓度红霉素(EM)诱导微藻与青霉菌(Penicillium sp.)形成完全共絮凝体系。研究人员发现该体系在无有机培养基中可使生物量提高2.4-14.5倍，CO2捕获率提升11.2倍，蛋白质含量达34%干重。转录组分析揭示了与絮凝过程相关的Chlorella基因表达变化，为微藻-真菌共絮凝机制提供了新见解，对开发低成本微藻采收技术和蛋白资源生产具有重要意义。

　　

在绿色生物制造领域，微藻因其能够利用CO₂合成高价值生物制品而备受关注。然而，微藻细胞体积小、培养浓度低的特点使得从液体培养液中高效回收生物质成为制约其产业化应用的主要瓶颈。传统采收方法如离心、过滤和化学絮凝往往能耗高、成本大，而生物絮凝特别是微生物共絮凝技术被视为一种潜在的低成本解决方案。

目前已有的微藻-真菌共絮凝研究大多存在明显局限：需要高浓度真菌接种量、必须在酸性pH条件（3-5）下进行、或需要添加有机碳源维持真菌生长。虽然研究者们发现红霉素(erythromycin, EM)能够促进Synechocystis与真菌 consortium 的共絮凝，但絮凝效率仅达44%，且对真核微藻与真菌共絮凝的分子机制了解甚少。

在这项发表于《Plant Stress》的研究中，泰国朱拉隆功大学的研究团队报道了一项突破性发现：在亚抑制浓度红霉素作用下，四种微藻（Synechocystis、Synechococcus、Oscillatoria和Chlorella）均能与青霉菌(Penicillium sp.)形成完全共絮凝，且在无有机化合物的培养基中实现了生物量、CO₂固定效率和蛋白质产量的显著提升。

研究人员采用的主要技术方法包括：微生物共培养与絮凝效率评估、生物量成分分析（蛋白质、脂质、多糖）、转录组测序与生物信息学分析、显微镜观察以及元素分析。实验使用的微藻菌株来自法国巴斯德研究所和泰国科学技术研究所，所有实验均在修改后的BG11培养基（不含有机化合物）中进行。

3.1. 与Synechocystis共絮凝的真菌被鉴定为青霉菌

研究人员从EM处理的Synechocystis培养物中分离出污染真菌，通过ITS rDNA测序鉴定为Penicillium sp.（补充数据S1），该真菌能与多种微藻在EM存在下形成共絮凝。

3.2. EM介导青霉菌与四种微藻的共絮凝

共培养实验表明，在5μM EM（亚抑制浓度）存在下，Penicillium与四种微藻（Synechocystis、Synechococcus、Oscillatoria和Chlorella）均形成2-8mm的绿色絮凝球，而无EM时则不发生絮凝。显微镜观察显示Chlorella细胞附着在Penicillium菌丝表面。Synechococcus-Penicillium共培养产生的絮凝生物量最高（1,938±230mg/L），且所有共培养体系的生物量均显著高于单一藻培养。

3.3. 优化Chlorella-Penicillium絮凝的初始接种因素

通过优化EM浓度、真菌接种量和藻初始密度，确定最佳条件为：Chlorella初始OD₇₃₀=0.05，Penicillium接种量5mg FW/100mL，EM浓度5μM。在此条件下实现了完全絮凝（100%）和最高絮凝生物量生产效率（555±65mg/L/0.1 OD₇₃₀）。

3.4. 主要生物制品含量

蛋白质是微藻-真菌絮凝物中最丰富的生物制品（17-53% DW），其次是脂质（7-16% DW）和多糖（3-20% DW）。Chlorella-Penicillium和Synechococcus-Penicillium共培养的蛋白质产量（423和329mg/L）显著高于单一藻培养。

3.5. 共培养显著提高生物量和CO₂捕获水平

Chlorella-Penicillium和Synechococcus-Penicillium共培养分别捕获CO₂达1,901和2,154mg/L，分别是单一藻培养的4.3和11.2倍。计算表明这些共培养体系分别相当于每日捕获0.27和0.31g CO₂/L。

3.6. 絮凝与悬浮Chlorella细胞差异表达基因概述

转录组分析比较了三组样品：[C+P+EM]（共絮凝）、[C+EM]（藻+EM）和[C]（藻对照）。共发现2,340个Chlorella响应基因（1,517个上调，823个下调），涉及14个与细胞附着和生物膜形成相关的细胞过程。

3.7. Chlorella响应基因可能参与Chlorella-Penicillium絮凝

研究人员鉴定出26个Chlorella基因同源物，这些基因在先前研究中已被证明或推测与微藻絮凝相关。包括脂质合成关键酶乙酰辅酶A羧化酶、菌毛生物合成调节因子Hik43同源物和光运动抑制相关蛋白Cph2同源物等。

3.8. Chlorella-Penicillium絮凝细胞中EPS生物合成酶基因同源物转录水平增加

研究发现38个Chlorella基因同源物（对应12种酶）在絮凝细胞中表达上调，这些酶参与将Glc-6P转化为UDP-Gal和UDP-D-Xyl，以及催化Glc和Fru-6P转化为GDP-Fuc等EPS生物合成途径。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次在无有机化合物、中性pH条件下，利用亚抑制浓度EM实现了微藻与青霉菌的完全共絮凝，突破了现有技术需要有机碳源、高真菌接种量或酸性环境的限制。该共絮凝体系不仅提高了生物质产量和CO₂固定效率，还保护了微藻免受EM引起的失绿症，显示出良好的应用潜力。

从机制角度看，转录组分析揭示了Chlorella在共絮凝过程中基因表达的显著变化，包括EPS合成、脂质合成上游途径、菌毛调节和细胞运动抑制等相关基因的表达改变，为理解真核微藻-真菌共絮凝的分子机制提供了新视角。

该技术的显著优势在于絮凝体尺寸大（2-8mm），可通过简单过滤（0.5mm孔径）高效采收，避免了传统离心或微滤的高能耗问题。产生的蛋白丰富絮凝生物质（蛋白含量达34% DW）具有作为动物饲料的应用前景。

然而，该技术也存在一定局限性：共培养后残留的EM可能对环境微生物产生影响，并可能促进抗生素耐药病原菌的发展。因此建议采用封闭式培养系统。未来研究应致力于筛选更安全的共絮凝诱导化合物和不产生抗生素或其他有害物质的真菌菌株。

总之，这项研究开发了一种高效、低成本的微藻-真菌共絮凝技术，在生物质生产、CO₂固定和蛋白资源开发方面展现出重要应用价值，为微藻生物技术产业化提供了新的技术路线。