通过与自养细菌Cytobacillus oceanisediminis KQ-2的协同作用增强微藻的碳固定能力

《Bioresource Technology》：Enhancement of microalgal carbon fixation via synergistic interactions with an autotrophic bacterium Cytobacillus oceanisediminis KQ-2

微藻与兼性自养菌KQ-2协同固碳机制研究，发现通过碳代谢交叉喂养、羧酸酶加速CO?水合及抗氧化物质增强机制，使总固碳效率提升52.11%。

　　这项研究探讨了在工业气体条件下，通过微生物之间的协同作用提升微藻碳固定效率的机制。微藻碳固定作为可持续碳捕集与封存（CCS）策略中的一种，因其在高二氧化碳浓度环境下的应用潜力而受到广泛关注。然而，如何在高浓度二氧化碳条件下提高微藻的碳固定效率仍然是一个重大挑战。研究团队发现，引入一种能够同时利用无机和有机碳源的兼性自养细菌，可以有效增强碳固定过程，特别是在工业相关的高浓度二氧化碳环境中。

研究中，研究人员从中国江苏省南京市附近的一家高浓度二氧化碳排放工厂周边的水体和土壤中采集样本，以筛选出能够耐受高浓度碳酸盐并分泌碳酸酐酶（CA）的细菌。这些细菌在工业环境中具有重要意义，因为它们能够促进二氧化碳的水合反应，提高溶解性无机碳的可利用性，从而改善微藻对二氧化碳的吸收效率。研究团队使用MSM培养基进行碳固定细菌的培养，该培养基含有特定比例的无机盐、微量元素储备液、维生素储备液以及琼脂粉，以确保微生物在适宜的环境中生长。

研究中分离出的菌株KQ-2，通过16S rDNA分析被鉴定为**Cytobacillus**，其序列在NCBI BLAST搜索中与**Cytobacillus oceanisediminis** H2（基因库编号OL875278.1）具有高度相似性。该菌株不仅能够利用无机碳，如碳酸盐，还能够利用有机碳，如糖类和有机酸，这使其在高浓度二氧化碳环境中具有更强的适应能力。通过基因组分析，研究人员发现KQ-2含有与卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）和还原型三羧酸循环（rTCA cycle）相关的基因，这表明该菌株具有内在的碳固定能力。这些基因的表达为微藻与细菌之间的协同作用提供了基础。

为了进一步提高碳固定效率，研究团队开发了一种在20%二氧化碳浓度下进行微藻与KQ-2共培养的策略。结果显示，在10天的实验周期内，与微藻单培养相比，共培养系统中的总二氧化碳固定量提高了52.11%。这一显著提升归因于细菌通过碳酸酐酶促进二氧化碳的水合反应，从而增加了微藻细胞内碳浓缩机制（CCMs）的活性。同时，研究团队观察到两种微生物之间的代谢交叉喂养现象，这包括TCA循环、卡尔文循环以及氨基酸代谢的增强。这些代谢活动的协同作用不仅提高了碳的利用率，还增强了整个系统的稳定性。

此外，研究还发现，共培养系统中抗氧化物质的水平有所提高，如没食子酸和氧化型谷胱甘肽，而活性氧（ROS）的水平则显著下降。这表明，微藻与细菌的协同作用有助于增强系统的抗氧化防御能力，从而减轻高浓度二氧化碳环境下的氧化应激。这种抗氧化能力的提升对维持微生物的正常生理功能至关重要，尤其是在高浓度二氧化碳条件下，氧化应激可能会对微藻的生长和代谢活动造成负面影响。

在电子传递方面，电化学分析显示，共培养系统中的电流密度和循环伏安法（CV）响应显著增强。这表明，微藻与细菌之间的协同作用不仅提高了碳的固定效率，还优化了电子传递过程，为碳捕集与封存（CCS）提供了更稳定的平台。电子传递的增强可能与微生物之间的代谢协同有关，例如细菌分泌的有机酸可以作为微藻的碳源，而微藻通过光合作用产生的电子可以被细菌利用，从而形成一个高效的能量循环系统。

研究团队还发现，共培养系统中的微藻与细菌之间存在复杂的相互作用，这些相互作用不仅包括物质交换，还涉及信号传递和代谢调节。例如，细菌可以分泌某些生物活性化合物，如维生素和酶，这些物质有助于微藻的生长和代谢活动，而微藻则可以释放某些代谢产物，如糖类和氨基酸，作为细菌的碳源和能量来源。这种相互作用在纳米摩尔级别的浓度下依然有效，表明微生物之间的协同作用具有高度的适应性和稳定性。

在实验设计中，研究人员特别关注了微生物之间的比例以及培养系统的营养条件对碳固定效率的影响。例如，微藻与细菌的初始接种比例、培养基中的营养成分以及环境条件（如光照强度、温度、pH值）都会影响碳固定过程。研究团队通过调整这些参数，优化了共培养系统的性能，使其在高浓度二氧化碳条件下表现出更高的碳固定效率。这些发现为未来在工业气体环境中实现高效碳捕集与封存提供了重要的理论依据和技术支持。

研究团队还指出，尽管微藻与细菌的协同作用在高浓度二氧化碳条件下表现出良好的效果，但目前的研究仍主要集中在短期实验中。未来的研究需要进一步探索这种协同作用在长期工业应用中的可行性，包括微生物系统的稳定性、生物量的持续增长以及碳捕集效率的维持。此外，研究团队还强调，这种协同作用可能为可持续碳捕集与封存（CCS）提供新的思路，特别是在工业排放气体的处理方面。

在研究过程中，研究人员采用了多种分析方法，包括基因表达分析、酶动力学研究、代谢组学分析以及电化学分析，以全面评估微藻与细菌之间的协同作用。这些方法的综合应用不仅有助于揭示微生物之间的相互作用机制，还为优化碳捕集与封存策略提供了科学依据。例如，通过基因表达分析，研究人员可以确定哪些基因在高浓度二氧化碳条件下被激活，从而了解微生物的适应策略。通过酶动力学研究，研究人员可以评估碳酸酐酶的活性及其对二氧化碳水合反应的影响。通过代谢组学分析，研究人员可以观察到不同代谢途径的活性变化，从而了解碳的转化和利用过程。通过电化学分析，研究人员可以评估电子传递效率，为优化能量循环系统提供数据支持。

研究团队还发现，共培养系统中的抗氧化能力增强可能与微生物之间的代谢协同有关。例如，细菌分泌的有机酸可能具有一定的抗氧化作用，而微藻通过光合作用产生的电子可以被细菌利用，从而形成一个高效的抗氧化系统。这种抗氧化系统的增强有助于维持微生物的正常生理功能，特别是在高浓度二氧化碳条件下，氧化应激可能会对微生物的生长和代谢活动造成负面影响。因此，研究团队认为，这种协同作用不仅提高了碳的固定效率，还增强了系统的整体稳定性。

在实验设计中，研究人员还特别关注了共培养系统的环境条件对碳固定效率的影响。例如，光照强度、温度、pH值以及氧气浓度都会影响微藻和细菌的生长与代谢活动。研究团队通过调整这些环境参数，优化了共培养系统的性能，使其在高浓度二氧化碳条件下表现出更高的碳固定效率。这些发现为未来在工业气体环境中实现高效碳捕集与封存提供了重要的参考。

此外，研究团队还指出，尽管微藻与细菌的协同作用在高浓度二氧化碳条件下表现出良好的效果，但目前的研究仍主要集中在短期实验中。未来的研究需要进一步探索这种协同作用在长期工业应用中的可行性，包括微生物系统的稳定性、生物量的持续增长以及碳捕集效率的维持。这些研究可能有助于开发更加稳定和高效的碳捕集与封存技术，为应对全球气候变化和碳排放问题提供新的解决方案。

总的来说，这项研究揭示了在工业气体条件下，微藻与兼性自养细菌之间的协同作用可以显著提高碳固定效率。这种协同作用不仅涉及二氧化碳的水合反应和代谢交叉喂养，还涉及抗氧化防御和电子传递的优化。研究团队认为，这种微生物协同系统为可持续碳捕集与封存提供了新的思路，特别是在工业排放气体的处理方面。未来的研究需要进一步探索这种协同作用在长期工业应用中的可行性，以确保其在实际应用中的稳定性和高效性。