《Journal of Applied Phycology》：Biofilm-driven flocculation in microalgae-bacteria consortia: Mechanisms and biotechnological implications
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天然筛选的微藻-细菌共生体（Microalgae-Bacteria Consortia, MBC）形成永久性絮体（Floc）的能力使其可通过重力实现快速沉降，从而在光合生物反应器中实现低成本的生物质收获。尽管具有此潜力，其潜在的絮凝机制——特别是胞外聚合物（E
天然筛选的微藻-细菌共生体（Microalgae-Bacteria Consortia, MBC）形成永久性絮体（Floc）的能力使其可通过重力实现快速沉降，从而在光合生物反应器中实现低成本的生物质收获。尽管具有此潜力，其潜在的絮凝机制——特别是胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）的作用——仍知之甚少。本研究深入揭示了EPS驱动絮凝的机制及其对生物质工程的意义。研究发现EPS基质主要由蛋白质和多糖组成（4.2 ± 2.6% EPS gTSS?1），对去除EPS后的絮体完整性及再絮凝（Reflocculation）至关重要。沉降特性分析显示，抗生素和酶处理显著抑制再絮凝，恢复率低于22%（对照组为87%），表明EPS产生菌的核心作用。此外，提取的EPS能诱导非絮凝性普通小球藻（Chlorella vulgaris）絮凝，粒径从5 μm增至97 μm，回收率从5%升至35%，凸显其作为天然生物絮凝剂的潜力。这些发现证明EPS适用于提高收获效率及构建具特定功能性状的定制共生体，增进了对MBC内协同互作的理解，为可扩展、可持续、选择性生物质生产开辟新途径。
论文解读：微藻-细菌共生体中EPS驱动絮凝的机制与生物技术应用
本文发表于《Journal of Applied Phycology》。微藻及蓝藻生物质市场需求持续增长，微藻-细菌共生体（Microalgae-Bacteria Consortia, MBC）因可形成快速沉降的絮体（Floc），能通过重力沉降实现低成本生物质收获，且对环境波动更具韧性，具备营养交换及水体修复潜力。然而MBC实际应用受限于内部演替导致的生物量组成波动，且MBC形成致密快沉性絮体的核心机制——特别是胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）在絮凝中的作用——尚未阐明。为优化MBC生物反应器系统，研究人员开展了EPS在MBC聚集与沉降中作用的研究，包括EPS组分定位与表征、EPS去除后再絮凝行为及抑制实验、提取EPS对非絮凝性普通小球藻（Chlorella vulgaris）的诱导絮凝能力评估，并结合宏基因组解析絮体形成的群落结构。研究证实EPS是MBC絮体形成与稳定的关键介质，提取EPS可作为天然生物絮凝剂，且MBC絮体能整合非絮凝藻种，对生物质工程及定制群落构建具重要意义。
主要关键技术方法：研究人员将经污水初筛并适应类污水培养基（Modified OECD Medium）的MBC每周选种快沉组分维持培养；采用物理法（超声-加热交替）提取EPS并进行重量法及分光光度法（Lowry法测蛋白、Dubois法测多糖、GC-MS鉴定单糖、LC-MS/MS鉴定蛋白）定量定性；通过去除EPS后将细胞重悬于蒸馏水（再絮凝对照）、抗生素混合液（青霉素G+氯霉素+多粘菌素B+新霉素）或酶混合液（蛋白酶+α-淀粉酶+脂肪酶+DNase）培养48 h评估再絮凝及抑制；将冻干EPS或非絮凝C. vulgaris分别与MBC共培养评估生物絮凝及异源细胞整合；以激光粒度仪测粒径、自制流态相机测沉速、分光光度法测回收率（Recovery Rate）、Zetasizer测Zeta电位、CLSM及明场显微镜观察、宏基因组测序分析菌群结构。
研究结果
Analysis of extracellular polymeric substances in MBC cultures（MBC培养物中胞外聚合物的分析）
研究人员通过共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）荧光染色定位EPS组分，发现絮体内蛋白与多糖信号最强，DNA微弱，无脂质信号。物理提取EPS后重量法测得含量为4.2 ± 2.6% EPS gTSS?1，光度法测得蛋白占65.4 ± 13.1%、多糖8.7 ± 2.6%、DNA 1.0 ± 0.3%，无脂质。LC-MS/MS鉴定出赖氨酰内切肽酶、Fe(III) ABC转运蛋白底物结合蛋白及别藻蓝蛋白α亚基；GC-MS鉴定出核糖、木糖、果糖、N-乙酰葡糖胺及来苏糖为主要单糖。结论：MBC絮体EPS基质以蛋白和多糖为主。
Reflocculation process after biofilm extraction（生物膜提取后的再絮凝过程）
EPS提取后细胞重悬培养48 h，蒸馏水组再絮凝恢复率约87%，而抗生素与酶处理组恢复率分别低于22%和约10%；蒸馏水组粒径与沉速显著恢复，处理组无明显恢复甚至下降。Zeta电位显示处理组正值偏移（—9 mV左右），表明EPS缺失削弱表面电荷中和/架桥作用。显微镜观察处理组絮体少且小。宏基因组显示抗生素抑制EPS产生菌活性。结论：MBC具可逆再絮凝能力，依赖活EPS产生菌及完整蛋白-多糖聚合物网络，抗生素或蛋白酶/糖酶处理破坏该网络从而抑制再絮凝。
Induction of the bioflocculation process（生物絮凝过程的诱导）
向非絮凝C. vulgaris中添加提取的MBC EPS（51.3 mg），48 h后C. vulgaris粒径由5 μm增至97 μm，沉降回收率由5%升至35%，沉速出现可测值；MBC原有絮体与C. vulgaris共培养可将C. vulgaris整合入絮体（宏基因组确认占藻类序列69.58%）。结论：提取EPS可作为天然生物絮凝剂诱导非絮凝微藻聚集；完整MBC絮体具物理裹挟与生化粘附双重能力，可整合外源非絮凝微藻。
Species composition and variance（物种组成与变异）
宏基因组显示MBC以细菌（~95%）为主，优势微藻为Minutocellus spp.、Ochromonas spp.，蓝藻为Leptolyngbya spp.，优势菌为Shinella spp.、Pseudoxanthomonas spp.、Aeromonas spp.。再絮凝水组部分恢复初始菌群结构，抗生素与酶处理组群落显著偏离，Pseudomonas spp.在抑制组中占比超80%。C. vulgaris共培养组确认C. vulgaris成功整合且原有菌藻结构基本保持稳定。结论：稳定絮凝依赖功能完整的EPS产生菌群（如Aeromonas、Shinella、Nostoc等）；MBC絮体能耐受外源功能微藻整合而不瓦解原有架构。
讨论与结论总结
讨论指出蛋白与多糖是MBC絮体EPS主要组分，松散结合蛋白与紧密结合结构多糖共同维持基质；再絮凝受活菌EPS分泌及完整聚合物网络调控，抗生素或酶解破坏之；Zeta电位变化表明EPS通过中和静电排斥或架桥促进凝聚；Aeromonas、Shinella、Nostoc、Leptolyngbya等具EPS分泌或生物膜形成能力，是絮凝功能核心类群；提取EPS可作绿色生物絮凝剂但需关注批次差异与毒理；MBC絮体可作模块化支架整合高附加值微藻。
结论：本研究明确胞外聚合物（EPS）以蛋白质和多糖为主的生物膜基质对微藻-细菌共生体（MBC）絮体形成、稳定性及再絮凝具核心作用；破坏EPS（抗生素/酶处理）抑制再絮凝并改变菌群结构；提取EPS可诱导非絮凝性Chlorella vulgaris絮凝，完整MBC絮体能整合非絮凝藻种。EPS具双重用途——作为天然生物絮凝剂及定制微生物群落构建工具，未来应关注EPS标准化、毒理学验证及放大策略。
