啤酒废水中培养的 Chlorella fusca LEB 111 与 Spirulina sp. LEB 18：植物激素谱及其在干旱下对种子萌发与生菜生长的影响

《Algal Research》：Chlorella fusca LEB 111 and Spirulina sp. LEB 18 cultivated in brewery effluent: Phytohormonal profiles and associated effects on seed germination and lettuce performance under drought

　　

研究人员将 Chlorella fusca LEB 111 与 Spirulina sp. LEB 18 在啤酒废水（brewery effluent）中培养，表征其生物质内源植物激素组成，并评价水提物对大麦（Hordeum vulgare）与生菜（Lactuca sativa）种子萌发、根发育及生菜干旱胁迫下生理表现和鲜重的影响。结果显示，Spirulina sp. LEB 18 富含生长促进类激素，尤其是生长素（auxin，如 IAA）、赤霉素（gibberellin，如 GA1、GA3）；Chlorella fusca LEB 111 富含水杨酸（salicylic acid，SA）与茉莉酸（jasmonic acid，JA）等胁迫相关信号物质。在萌发筛选中，Spirulina sp. 提取物使大麦萌发率提高 58%，浸泡条件下胚根长度近似翻倍；Chlorella fusca 提取物在重度干旱下使生菜鲜重提高 46.5%。两种微藻在相同废水中形成不同的激素分配策略：Spirulina sp. 偏向细胞分裂、胚乳活化和伸长生长，Chlorella fusca 偏向氧化/碱胁迫感知、气孔功能维持与水分亏缺下的生物量保持。研究人员认为，啤酒废水可作为产高值生物刺激素的培养基质，微藻生物质激素谱可与作物需求和施用方式相匹配，为循环生物经济下的定制化微藻生物刺激素提供化学画像与功能验证基础。

《Algal Research》刊发的该项研究围绕循环生物经济背景下工业废水高值化利用展开。酿造行业每生产 1 L 啤酒可产生 7–10 L 废水，该类废水含碳、氮和微量元素，既是污染负荷，也可作为微藻培养资源。已有研究证明 Chlorella fusca LEB 111 与 Spirulina sp. LEB 18 能在废水中积累吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）和反式玉米素（trans-zeatin，tZ）等植物激素，但多数工作未把“生物质激素化学画像—种子萌发生物测定—全株生理与农艺响应”整合起来；尤其在工业废水培养的生物质中，激素组成、萌发效应和干旱下生理响应很少被同步分析。研究人员因此开展该项研究，目的是用专业激素定量手段解释为什么不同微藻提取物对大麦和生菜作用不同，并为废水源微藻生物刺激素（microbial/algal biostimulant）的定向应用提供依据。

关键技术方法方面，研究人员使用来自巴西南里奥格兰德当地微酿厂发酵罐清洗后的啤酒废水作为培养基质，培养 Chlorella fusca LEB 111 与 Spirulina sp. LEB 18 两株微藻。激素分析采用甲醇提取干生物质后经固相萃取（solid-phase extraction，SPE）净化，再用超高效液相色谱串联质谱（UPLC-MS/MS）定量细胞激动素、赤霉素、生长素、乙烯前体 ACC、褪黑素（melatonin，MLT）、SA、JA 与脱落酸（abscisic acid，ABA）。萌发实验以大麦和生菜为模型，设浸泡与非浸泡处理，用蒸馏水、Chlorella 或 Spirulina 水提物处理种子。农艺实验以生菜为对象，设充分灌溉、中度干旱停水 5 天和重度干旱停水 7 天，叶面喷施水、Chlorella 或 Spirulina 水提物，测定 SPAD 叶绿素指数、蒸腾速率（transpiration rate，E）、水汽气孔导度（stomatal conductance to water vapor，g_sw）、光系统 II 有效量子产额（effective quantum yield of photosystem II，ΦPSII）、电子传递速率（electron transport rate，ETR）及收获鲜重，统计采用单因素方差分析与 Tukey 多重比较，置信水平 90%。

3.1 植物激素组成

研究人员通过 UPLC-MS/MS 分析发现，两株微藻总激素量接近，但组成迥异。细胞激动素（cytokinin）占比最高，其中 Spirulina sp. 的异戊烯基腺嘌呤（isopentenyl adenine，iP）更高，Chlorella fusca 的反式玉米素更高。Spirulina sp. 的 IAA、GA₁ 和 GA₃ 明显更高；Chlorella fusca 的 SA 与 JA 更高；ABA 在两株中均未检出。该结果说明，相似总激素含量下，生长促进型与胁迫信号型物质的分配差异可导出不同农艺功能。

3.2 微藻生物刺激素对种子萌发的影响

3.2.1 萌发率

生菜非浸泡条件下两提取物均显著提高萌发率，但浸泡与否无显著差异。大麦中两提取物均提升萌发率，Spirulina sp. 在浸泡条件下提升最大，相对对照提高 58%，且浸泡显著优于非浸泡。研究人员据此判断大麦胚乳激素调控更敏感，尤其赤霉素介导的储藏物质动员可能被外源 GA 类物资增强。

3.2.2 根长

生菜根长受处理影响较小，非浸泡略有下降。大麦胚根在两种提取物下均伸长，Spirulina sp. 在浸泡条件下胚根长度较对照提高约 111%。该结论与 Spirulina sp. 高 IAA 与高 GA 的激素画像一致，支持其在禾本科作物早期根系建成的优势。

3.3 生菜植株农艺与生理响应

3.3.1 叶绿素含量指数（SPAD）

第 3 周重度干旱下，对照与 Spirulina 处理生菜 SPAD 升高，反映组织脱水导致单位面积叶绿素浓度上升；Chlorella 处理未出现该浓缩效应。复水第 4 周各处理趋同，说明复水恢复叶肉膨压后脱水浓缩假象消失。

3.3.2 蒸腾速率与气孔导度

水分胁迫越强，E 与 g_sw 越低。充分灌溉下两微藻处理均比对照有更高气体交换能力；重度干旱下 Chlorella 与 Spirulina 处理维持较高 E，Spirulina 处理 g_sw 也高于对照。研究人员认为微藻处理有助于在干旱高峰维持部分气孔功能。

3.3.3 光系统 II 与电子传递速率

ΦPSII 在各处理间稳定，说明水分胁迫未显著破坏 PSII 光化学效率。重度干旱下 Chlorella 处理 ETR 高于对照与 Spirulina 处理，研究人员将其解释为叶倾角与冠层受光改变带来的下游光合参数变化，而非 PSII 本身效率改变。

3.3.4 鲜重

充分灌溉下各处理鲜重最高且差异不显著；中度干旱下鲜重下降但处理间无统计差异；重度干旱下 Chlorella fusca 处理鲜重最高，显著优于对照与 Spirulina sp.，对应其高 SA/JA 的胁迫适应画像。

讨论部分中，研究人员指出细胞激动素、生长素和赤霉素关联初级代谢与器官建成，SA 与 JA 关联碱/氧化胁迫感知和资源重分配。Spirulina sp. 的高 iP、IAA、GA₁/GA₃ 与其较高生物质生产力和促萌发、促根伸长表现一致；Chlorella fusca 的高 tZ、SA、JA 与其在碱性啤酒废水中的适应策略及干旱下保生物量表现一致。作者提醒，激素定量在甲醇提取物中进行，而田间/盆栽施用的是超声水提物，因此不能把生物质激素浓度直接等同于施用到植物体内的激素剂量。讨论还强调，微藻种类、废水基质、提取溶剂、剂量和施用模式共同决定生物刺激素效果，未来可把两物种提取物复配或调比例，以匹配波动水分条件。

结论部分翻译如下：

本研究显示，在啤酒废水中培养的 Chlorella fusca LEB 111 与 Spirulina sp. LEB 18 产生了不同的植物激素谱，并与干旱胁迫下种子萌发和生菜表现上的互补性生物刺激效应相关。Spirulina sp. 与较高的赤霉素含量相关，并在促进早期植物生长方面更有效，在大麦中观察到最高的萌发率和胚根伸长。相反，Chlorella fusca 生物质富含茉莉酸和硫酸素等胁迫相关植物激素，在其水提物与重度干旱下生菜较高鲜重相关；由于这些激素是在干生物质而非施用于植物的水提物中定量，该关联应谨慎解释。两物种在批次培养条件下均有效生长于啤酒废水，Spirulina sp. 生物质生产率高于 Chlorella fusca；结果表明使用啤酒废水作为培养基质具可行性，但经济可行性与放大规模未在本文评估。总体而言，结果提示啤酒废水来源的微藻源生物刺激素具有独特且互补的农艺功能，为循环生物经济框架下定制施用策略与提取方法研究提供依据。