《Algal Research》：Screening and optimization of algae-bacteria consortia: Growth promotion, nutrient removal and multi-omics mechanism
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•在标准化条件下比较了10组藻菌共生组合。•D. armatus-Paraburkholderia sp.表现出最佳的整体性能。•50:1的接种体积比平衡了生物量和营养物质的去除。•RT-qPCR支持了RNA-seq对五个代表性转录本的检测结果趋势。•多组学分析将共培养与碳利
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在标准化条件下比较了10组藻菌共生组合。
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D. armatus-Paraburkholderia sp.表现出最佳的整体性能。
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50:1的接种体积比平衡了生物量和营养物质的去除。
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RT-qPCR支持了RNA-seq对五个代表性转录本的检测结果趋势。
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多组学分析将共培养与碳利用和脂质相关的重塑联系起来。
引言
微藻作为光合作用微生物，具有高光合效率和强营养富集能力，在废水资源回收和高价值生物质生产方面具有非凡的应用价值[1]、[2]。微藻培养与城市污水处理的耦合，可实现对废水中氮磷污染物的高效去除与微藻生物质的低成本培养，兼具生态效益和经济效益，已成为环境生物技术领域的重要研究方向[3]、[4]。然而，在实际城市废水系统中，微藻的纯培养仍面临诸多技术瓶颈：水中悬浮固体导致光透射率差，抑制微藻光合作用；废水中氮磷营养比例失衡导致微藻营养同化效率低；可利用碳源不足难以支撑微藻高效生长和生物质积累。这些问题严重限制了微藻的生长速率和生物质生产力，也制约了该技术的大规模工程应用[5]、[6]。
作为一种综合生物体系，藻菌共培养能有效解决微藻纯培养中上述问题，成为优化废水基微藻培养的关键策略[7]、[8]。在此类共培养体系中，细菌可以矿化有机污染物，改善水体光透射环境，并分泌植物激素等促生长物质，提高营养物质的生物有效性，促进微藻生长；微藻通过光合作用释放氧气并合成有机碳源，为细菌代谢和增殖提供底物。这些相互作用的代谢活动可能共同增强废水净化和生物质生产[9]、[10]。以往研究表明，合适的藻菌配对可显著提高系统的污染物去除效率和微藻生物质，而共培养体系的效能直接取决于微藻种类、细菌菌株及其种间相容性[11]、[12]。
藻菌共培养体系内的功能互作主要涉及三个核心机制：第一，营养互补同化，微藻和细菌可互补利用水中氮磷营养物质，调节系统营养化学计量平衡，提高整体营养去除效率[13]、[14]；第二，代谢交换与信号调控，细菌分泌的吲哚-3-乙酸和群体感应分子等信号物质可调控微藻细胞分裂和营养吸收，微藻光合代谢物也可为细菌提供能量，形成双向代谢互作[15]、[16]；第三，环境适应性增强，藻菌群落可能通过种间互作表现出对复杂废水环境的增强耐受性，维持培养系统的稳定性[17]、[18]。然而，不同藻菌组合的互作效应差异显著：有益互作可改善系统性能，而代谢竞争将抑制微藻生长，降低共培养体系的处理效果[19]、[20]。
以往研究普遍关注单一藻菌对，而各研究中微生物菌株、废水成分和培养条件的差异阻碍了对共生组合性能的直接比较。因此，在标准化废水和培养条件下，对合适的藻菌组合进行系统的首轮筛选仍然有限[21]、[22]。现有研究尚未明确城市废水环境中优势微藻与功能促生长细菌之间的最佳匹配模式，也缺乏对不同组合污染物去除效果和生物质生产力的全面比较评价。此外，关于接种比优化、微观形态结构表征以及最佳共生体系分子互作机制分析的研究更为稀缺，无法为藻菌共生技术的实际应用提供全面支撑，成为限制该技术实施的关键障碍[23]、[24]。
基于上述研究空白，本研究结合前期研究基础进行了菌株筛选。所选的五种微藻菌株，即衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、小球藻（Chlorella vulgaris）、钝顶螺旋藻（Desmodesmus armatus）、海洋栅藻（Nannochloropsis oceanica）和斜生栅藻（Tetradesmus obliquus），已获文献确认具有对废水环境的优异适应性，能在城市废水中稳定生长，并具有较强的氮磷去除和生物质合成能力[25]、[26]、[27]。所选的两种细菌菌株副伯克霍尔德氏菌（Paraburkholderia sp.）和中慢生根菌（Mesorhizobium sp.），已被多项研究证明能与微藻形成稳定的互利共生关系，可通过分泌促生长物质、活化营养、固氮等方式有效促进微藻生长和增殖，是理想的藻际促生长菌株[28]、[29]、[30]。
本研究以上述五种微藻和两种细菌构建了10组藻菌共生组合，以模拟城市废水作为培养基。首先筛选出兼具高效污染物去除和高生物质生产力的最佳组合。进而优化了该最佳组合的藻菌接种比，通过扫描电子显微镜（SEM）观察了最佳共生体系的微观形态结构，并进行多组学分析深入解析其增强污染物去除和提高生物质生产力的分子调控机制。本研究旨在全面探索适用于城市废水的藻菌共生体系的应用潜力，为该技术在水资源处理中的工程应用提供详细的实验依据和系统的理论支撑。
节选
微藻和细菌菌株
微藻物种来自中国湖北省武汉市中国科学院水生生物研究所淡水微藻培养保藏中心。本研究使用的五种微藻分别为衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、小球藻（Chlorella vulgaris）、钝顶螺旋藻（Desmodesmus armatus）、海洋栅藻（Nannochloropsis oceanica）和斜生栅藻（Tetradesmus obliquus）。这些物种在特定控制条件下使用BG11培养基进行培养，恒温25°C，光照强度2000 lx，常规12 h
最佳共培养组合的筛选
培养结束时，测定了五种纯培养微藻培养和10组藻菌共培养组合的生物质积累和培养液中残余营养浓度。进一步基于残余营养含量计算营养去除效率（公式(1)）。所有检测和计算结果汇总于表1。所有处理组均观察到显著差异。DP组合（钝顶螺旋藻–副伯克霍尔德氏菌
钝顶螺旋藻–副伯克霍尔德氏菌共培养中的生物质积累和代谢响应
本研究表明，在特定接种比下，添加副伯克霍尔德氏菌增强了共培养生物质积累，其效应大小取决于初始藻菌体积比。某些微藻物种可在光自养、混合营养和异养条件下增殖，而异养培养可显著提高生物质生产力[39]。以往研究指出，藻类色素如叶绿素和类胡萝卜素可以
结论
本研究基于生物质组分产量和营养去除效率，从由五种微藻和两种细菌菌株组成的10组共培养组合中筛选出最佳共培养组合（钝顶螺旋藻-副伯克霍尔德氏菌）。在此基础上，从五种测试接种比中选出最佳藻菌体积比（50:1）。SEM观察显示，杆状细菌细胞在微藻表面紧密附着并局部聚集
作者贡献声明
刘伟兴：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、构思。李佳怡：撰写—审阅与编辑、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、构思。付大方：撰写—审阅与编辑、验证、指导、软件、资源、项目管理、调查、获取资金、数据整理、构思。严一馨
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由中国江苏省自然科学基金资助（BK20241360）。
刘伟兴|李佳怡|付大方|严一馨|Rajendra Prasad Singh
