真核小球藻与原核铜绿微囊藻对磺胺胁迫的响应机制比较：生理与转录组学视角

本研究针对磺胺类抗生素（SAs）在水环境中广泛残留引发的生态风险，比较了真核藻类Chlorella sp.与原核藻类Microcystis aeruginosa对磺胺（SD）胁迫的生理与分子响应差异。研究发现SD暴露促进Chlorella sp.生长但抑制M. aeruginosa，并通过转录组分析揭示二者在卟啉代谢、碳固定、ABC转运蛋白及内质网蛋白加工等通路中的差异化调控机制，为评估抗生素生态毒理及筛选抗逆藻种提供了理论依据。

　　

随着医疗和畜牧业的快速发展，抗生素的广泛使用导致其在环境中的残留日益严重，尤其是磺胺类抗生素（SAs）作为最早合成的抗菌药物，已成为水体中最常见的污染物之一。它们不仅对非靶标生物（如藻类、水生植物和鱼类）产生毒性效应，还会诱导抗性基因的传播，并通过食物链进行生物放大，最终威胁生态系统功能和人类健康。磺胺（Sulfanilamide, SD）作为所有磺胺类药物的母体结构，其生态毒理效应尚未被充分研究。

藻类作为水生生态系统的初级生产者，对环境污染物高度敏感，是评估水环境健康的理想指示生物。其中，真核小球藻（Chlorella sp.）和原核铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）分别代表两类细胞结构迥异的藻类，它们在抗生素胁迫下的响应机制可能存在显著差异。然而，目前关于SD对真核和原核藻类的比较研究仍较为缺乏。

为此，研究人员在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表论文，系统比较了Chlorella sp.与M. aeruginosa在SD暴露下的生长、光合作用、抗氧化响应、细胞形态及转录组变化，旨在揭示两类藻类在抗生素胁迫下的适应策略与分子机制。

本研究主要采用了以下关键技术方法：藻类培养与SD暴露实验设置了0、1.0、10.0和100.0 mg/L四个浓度梯度，处理96小时；通过细胞计数和抑制率公式评估生长响应；使用分光光度法测定叶绿素a（Chl-a）和叶绿素b（Chl-b）含量；采用试剂盒测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽-S-转移酶（GST）、丙二醛（MDA）、谷胱甘肽（GSH）和可溶性蛋白含量；通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察细胞形态和超微结构；利用转录组测序（RNA-Seq）结合GO和KEGG富集分析差异表达基因（DEGs），并采用WGCNA挖掘关键基因模块。藻种来源为中国科学院水生生物研究所淡水藻种库（FACHB）。

3.1. Effects of SD on physiological and biochemical characteristics of Chlorella sp. and M. aeruginosa

研究发现，SD对两种藻类的生长和光合色素产生显著影响。在100.0 mg/L SD处理下，Chlorella sp.的生长受到促进，而M. aeruginosa的生长被抑制。Chl-a含量在Chlorella sp.中先降后升，在M. aeruginosa中则随浓度增加线性下降，最高浓度下降低57.9%。抗氧化指标显示，低浓度SD（1.0 mg/L）下两种藻类均激活抗氧化防御机制，可溶性蛋白含量显著增加；M. aeruginosa还表现出微囊毒素MC-LR产量上升。高浓度SD下，Chlorella sp.的MDA含量下降，细胞受损严重。

3.2. Effects of SD on morphological characteristics and ultrastructural features of Chlorella sp. and M. aeruginosa

SEM和TEM观察表明，100.0 mg/L SD导致Chlorella sp.细胞表面严重皱缩、细胞膜破裂、细胞器结构模糊，叶绿体片层结构溶解；而M. aeruginosa细胞形态变化较小，细胞结构相对完整，表明其对外源胁迫具有更强的形态韧性。

3.3. Effects of SD on transcriptome of Chlorella sp. and M. aeruginosa

转录组分析显示，Chlorella sp.在SD胁迫下显著上调卟啉代谢（HemB、HemC等基因）和碳固定途径（rbcL、rbcS）相关基因，促进叶绿素合成和CO₂同化；但蛋白输出基因（如SEC61β、SRP72）下调，可能影响应激蛋白分泌。M. aeruginosa则下调ABC转运蛋白（CysU、CysW）、硫代谢相关基因及内质网折叠因子sHSF，导致硫摄取受阻、谷胱甘肽合成减少、错误蛋白积累，最终加剧细胞应激和生长抑制。

3.4. Response mechanisms of Chlorella sp. and M. aeruginosa under SD exposure

Chlorella sp.通过增强光合和代谢通路适应SD胁迫，而M. aeruginosa则因关键转运和折叠机制受损表现出更高敏感性。二者在基因表达和生理响应上的差异反映了其细胞结构（真核vs原核）和代谢基础的根本不同。

本研究通过多维度比较揭示了真核与原核藻类对SD胁迫的差异化响应机制：Chlorella sp.通过上调光合与代谢基因增强适应性，而M. aeruginosa因转运与折叠通路抑制导致生长受阻。这些发现不仅深化了对抗生素生态毒理机制的理解，也为利用藻类进行水体修复和抗逆藻种筛选提供了重要理论依据。特别是在磺胺类污染物广泛存在的背景下，识别具有较强耐受性的藻株（如Chlorella sp.)对开发基于藻类的生物处理技术具有实际应用价值。