成都生物所谭周亮团队在碳点强化微藻硝酸盐同化与生物质资源化研究中获进展

　　

硝酸盐氮（NO3?-N）是水体中广泛存在的氮污染物之一，主要来源于农业面源排放、城市径流、工业废水和部分养殖废水。传统NO3?-N去除技术多依赖外加电子供体和复杂运行管理，存在运行能耗和成本高、资源回收不足以及潜在二次污染等问题。微藻可利用光合作用将无机氮高效同化为蛋白质、脂质、色素等高值生物质，为同步实现水体脱氮和生物资源回收提供了绿色低碳资源化路径。

然而，微藻的NO3?-N硝酸盐同化并非简单的“吸收—转化”过程。一方面，微藻叶绿素主要吸收蓝光和红光，而对部分可见光，尤其是绿光区域利用效率相对有限，导致入射光能难以充分转化为光合电子。另一方面，NO3?-N同化需经过硝酸还原、亚硝酸还原和铵同化等连续过程，其中硝酸还原过程对光合电子和还原力需求较高，常成为限制微藻高效脱氮和氮素资源化的关键步骤。特别是在高硝酸盐负荷或光能利用不足条件下，微藻光能捕获、光合电子传递与氮同化之间容易失配，导致脱氮效率和生物质资源化水平受限。因此，如何协同提升微藻光利用效率和光合电子向硝酸盐同化的供给，是微藻低碳污水处理与资源化利用领域亟待解决的重要科学问题。

针对这一问题，中国科学院成都生物研究所谭周亮研究员团队联合四川师范大学田婧副教授团队，利用天然多酚单宁酸制备了单宁酸衍生碳点（Tannic-acid-derived carbon dots, TA-CDs），并以重离子突变小球藻藻株HM-3（Chlorella vulgar）为研究对象，系统揭示了TA-CDs通过“光转换—光电子调控”协同强化微藻硝酸盐同化和生物质资源化的作用机制，并取得如下进展。

1.?TA-CDs制备及其光谱转换与光电响应特性

本研究所制备TA-CDs具有良好的可见光响应特性，可吸收培养光源中的部分可见光，并发射与叶绿素吸收区域相匹配的红橙光，从而将部分低效光能转化为更有利于小球藻光合作用的光信号（图1）。进一步实验表明，单纯补偿外源红光不能完全复制TA-CDs对微藻生长和NO3?-N去除的促进效果，说明光转换是TA-CDs发挥作用的重要组成部分，但并非唯一机制。

在光转换作用基础上，TA-CDs还表现出光电流响应和电化学活性，具备参与光诱导电子过程的物理化学基础。研究表明，TA-CDs可进入小球藻细胞并分布于叶绿素富集区域附近，提高光系统II实际光化学效率和相对电子传递速率，增强细胞NADPH等还原力供应。当采用DCMU阻断光系统II向质体醌池的电子传递后，TA-CDs诱导的光合性能提升和NADPH积累明显减弱，表明其促效作用依赖光系统II电子传递过程（图2）。

图1 制备的 TA-CDs 的结构与性质（a）TEM 图像及粒径分布（插图）；（b）HRTEM图像和（c）FFT图；（d）UV-vis 吸收光谱和荧光发射光谱；（e）XRD图谱；（f）Raman光谱；（g）TA和TA-CDs的FTIR光谱；（h）XPS全谱；（i）TA和TA-CDs的循环伏安曲线；（j）光电流响应

2.?TA-CDs介导的光电子调控及硝酸盐同化强化机制

与此同时，TA-CDs能显著提高硝酸还原酶（Nitrate reductase, NR）活性，较对照组活性最高提升约14倍。当采用钨酸盐抑制NR后，TA-CDs促进藻体生长、NO3?-N去除和TN去除的效果明显减弱，进一步证明TA-CDs强化硝酸盐同化主要依赖NR介导的NO3?-N还原过程。上述结果表明，TA-CDs不仅具有光转换功能以提升光能利用效率，还能通过光电子调控增强光合电子传递速率及还原力供应，进而促进硝酸盐向藻体生物质中转化（图2）。

3.?TA-CDs促进硝酸盐去除与藻体生物质资源化利用

基于上述材料特性和光电子调控结果，本研究构建了TA-CDs介导的“光谱转换—光电子调控—硝酸盐同化—生物质资源化”作用路径。

图2 TA-CDs通过光转换与光电子调控协同强化小球藻硝酸盐同化和生物质资源化机制示意图

在最优碳点投加量条件下，TA-CDs使NO3?-N去除速率较对照组提高9.2倍，生物质氮固定量提高3.4倍；同时藻体生物量提高66.7%，蛋白质积累提高71.6%，脂质和多糖等生物质组分也同步增加（图3）。多组学分析进一步表明，TA-CDs处理后，小球藻细胞内与光合电子传递、中心碳代谢、物质转运和氨基氮汇相关的基因和代谢物发生协同变化。据此，本研究创新提出，TA-CDs通过“光转换—光电子调控—碳氮代谢耦合”机制，增强光能利用和光合电子传递效率，强化NR介导的硝酸盐还原过程，并促进还原态氮向蛋白质和氨基酸等生物质组分转化，从而突破微藻硝酸盐同化的动力学瓶颈。

图3不同TA-CDs投加浓度下小球藻的生长和生物质组成（a）生长曲线（OD680）；（b）细胞蛋白质、多糖和脂质含量；（c）总色素含量；（d）第10天生物质氮增加量

本研究从纳米材料光电子调控角度出发，为提高微藻脱氮效率和生物质资源化水平提供了新思路，也为发展低碳、资源化污水处理技术提供了理论依据和材料策略。相关成果可为农业面源污染、工业废水和高硝酸盐废水的低碳生物处理提供技术参考，并为构建污染物去除—藻类生物质生产绿色工艺提供支撑。未来，该策略有望与光生物反应器、藻菌协同体系及污水资源化利用场景结合，进一步推动微藻污水处理从污染削减向营养回收和高值生物制造升级。

相关成果以“Photoelectronic mediation by tannic-acid-derived carbon dots reprograms photosynthetic electron allocation for enhanced nitrate assimilation in Chlorella vulgaris”为题，发表于Chemical Engineering Journal。四川师范大学与中国科学院成都生物研究所联合硕士研究生熊欣为第一作者，中国科学院成都生物研究所谭周亮研究员和四川师范大学田婧副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、四川省及川渝区域科技计划、教育部重点实验室开放基金、四川师范大学重点实验室基金等项目资助；研究所用突变藻株HM-3依托国家大科学装置兰州重离子加速器（HIRFL）浅层TR4终端辐照诱变获得。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178263