《Bioresource Technology Reports》：From blooms to bioprocesses: Temperature and light modulate growth, protein and carbohydrate content, and metabolome of
Aphanothece strains
编辑推荐：
为了优化非产毒水华蓝藻的生物技术应用潜力，本研究通过全因子设计，评估了温度（12, 20, 28 °C）与光照强度（60, 120, 180 μmol m-2s-1）对两种Aphanothece菌株生长、大分子组成和代谢组的交互影响。研究发现温度是主导因子，而光照强度及其与温度的互作定义了物种特异性的最适生长与代谢累积模式，为实验室定向筛选以优化生物质和目标代谢物产量提供了可操作的培养参数。
在南巴西南部的帕托斯潟湖河口，水体富营养化与频繁的蓝藻水华长期困扰着当地生态系统。其中，以Aphanothece属为代表的蓝藻会形成黏稠的团块，聚集在岸边，虽然不产生毒素，但其快速增殖会导致水体变色、产生异味，并分解释放氨气、甲烷等有害气体，造成生物多样性下降，被列为“死亡区”。然而，这些在自然环境中令人头疼的“藻华制造者”，因其快速生长和代谢灵活性的特质，恰恰也可能成为生物技术领域的“宝藏资源”。如何将这种环境挑战转化为可持续的生物技术机遇，成为研究人员关注的核心问题。关键在于理解并操控影响其生理的关键环境因子——温度和光照。为此，一项发表在《Bioresource Technology Reports》上的研究，深入探究了温度与光照如何协同调控两种Aphanothece蓝藻的生长、生化组成及代谢网络，以期找到实验室条件下优化其生物质和目标产物产量的“密码”。
为了系统回答上述问题，研究团队采用了几个关键的技术方法。首先，研究采用了全因子实验设计，设置了三个温度（12, 20, 28 °C）和三个光照强度（60, 120, 180 μmol m-2s-1）的九种组合，对两种从帕托斯潟湖分离的蓝藻菌株（Aphanothece microscopica RSMan92和A. stagnina RSMan2012）进行了为期24天的培养。其次，通过定期细胞计数评估生长动态，并使用Lowry法和苯酚-硫酸法分别测定总蛋白质和总碳水化合物含量。最后，在培养结束时，研究人员应用了非靶向1H核磁共振（NMR）代谢组学技术，对稳定期的水相提取物进行分析，并结合主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和层次聚类分析（HCA）等多变量统计方法，解析菌株间及不同处理下的代谢谱差异。
研究结果揭示了温度和光照对两种Aphanothece菌株生理与代谢的深刻影响。
3.2. 生长
温度是影响两种菌株细胞密度的主要驱动因子。在最低温度（12 °C）下，两种菌株的生长均受到显著抑制。相比之下，在20 °C和28 °C下获得了更高的细胞浓度。响应面分析显示，两个物种对光照的偏好不同：A. microscopica在高温（28 °C）结合较低光照（60 μmol m-2s-1）时达到最高细胞密度；而A. stagnina则在高温（28 °C）和高光照（180 μmol m-2s-1）的组合下表现出最佳生长。
3.3. 总蛋白质含量
在整个培养期间，A. microscopica的总蛋白质含量始终高于A. stagnina。对于A. microscopica，蛋白质合成在28 °C结合120-180 μmol m-2s-1，以及20 °C结合180 μmol m-2s-1的条件下增强。A. stagnina的蛋白质含量则在28 °C和180 μmol m-2s-1的组合下从第20天起显著增加。响应面分析表明，温度、光照强度及其交互作用对两种菌株的蛋白质累积均有显著线性影响。
3.4. 总碳水化合物含量
两种菌株的碳水化合物积累模式呈现温度依赖性。A. microscopica在12 °C和180 μmol m-2s-1时碳水化合物含量最高，而A. stagnina在12 °C和60 μmol m-2s-1时出现最显著的碳水化合物累积。相反，在28 °C时，两种菌株的碳水化合物含量均为最低。响应面图证实，A. microscopica的碳水化合物水平主要由温度驱动（低温下更高），光照影响较小；而A. stagnina则在低温和低光下碳水化合物积累增强。
3.5. Aphanothece属的代谢谱
通过1H NMR代谢组学分析，研究人员检测到了氨基酸、有机酸、核苷酸和相容性溶质（如甜菜碱、胆碱、葡糖基甘油）等多种代谢物。PCA和HCA分析显示，处理间的分离主要沿温度梯度发生。PLS-DA模型成功区分了两个物种，其差异主要由氨基酸、核苷酸和相容性溶质等代谢物的相对丰度贡献。热图分析进一步确认，低温处理（12 °C）导致尿苷、UXP（尿苷单/二/三磷酸）、谷胱甘肽、组氨酸和胆碱等代谢物的水平普遍降低。然而，也观察到物种特异性反应：例如，在12 °C和高光（180 μmol m-2s-1）下，A. microscopica中的苏氨酸、亮氨酸、苯乙酸和酪氨酸等氨基酸显著积累，而A. stagnina中的胆碱积累则在多种处理下受到抑制。
在讨论与结论部分，研究强调了其发现的多重意义。首先，该研究证实温度是调控Aphanothece菌株生长、大分子分配和代谢物组成的首要环境因子，而光照强度通过与温度的交互作用，定义了物种特异性的最适条件。A. microscopica和A. stagnina展现了截然不同的生态生理最适性：前者在温暖-低光条件下达到高细胞密度，并在温暖-中高光下优先积累蛋白质；后者则在温暖-高光下生长更优，并倾向于在低温-低光下储存碳水化合物。这种差异反映了两者不同的生态适应策略，可能解释了它们在变化河口环境中的分布与竞争优势。
其次，代谢组学证据与宏观生理指标相互印证并提供了机制性见解。低温处理一致性地降低了核苷酸、谷胱甘肽和胆碱等需要高能量投资的含氮代谢物和渗透保护剂的库容，这表明在寒冷胁迫下，细胞代谢转向生存模式，下调了生物合成投入。而在更适宜的温度-光照组合下，细胞则能够积累氨基酸和相容性溶质，体现了更高的代谢灵活性和可塑性。物种间的代谢差异，例如A. microscopica在冷胁迫下特定氨基酸的积累和A. stagnina在渗透调节物投资上的相对保守，进一步凸显了种内代谢策略的多样性。
最重要的是，这项研究为将非产毒水华蓝藻转化为生物技术资源提供了坚实的科学依据和可操作的培养参数。研究结果表明，通过精细调控温度和光照，可以定向引导Aphanothece菌株的代谢流向，从而优化目标产物（如蛋白质、特定氨基酸或相容性溶质）的产量。A. microscopica在高温-中低光下表现出的高蛋白质产量和高细胞密度，使其适合用于室内可控培养系统，以生产高营养价值生物质。而A. stagnina在高温-高光下的生长优势，则暗示其可能更适合热带或亚热带地区的户外规模化培养。这些发现不仅深化了对蓝藻环境适应性的理解，也为应用藻类学和可持续生物技术的发展提供了新的菌株选择和工艺优化策略，有望将生态系统的挑战转化为具有经济和社会价值的生物技术机遇。
