非靶向代谢组学揭示共培养黑曲霉与粘红酵母在锂云母生物浸出中的协同机制

《Biochemical Engineering Journal》：Untargeted metabolomics reveals the synergistic mechanism of co-cultured Aspergillus niger and Rhodotorula mucilaginosa in lepidolite bioleaching

　　

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  黑曲霉（A. niger）与黏红酵母（R. mucilaginosa）混合培养体系被构建用于锂云母的生物浸出。
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  混合培养实现了6.48%的锂浸出效率，分别比单培养高出51.0%和73.7%。
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  非靶向代谢组学揭示支链氨基酸和色氨酸代谢上调是关键协同通路。
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  一个整合了酸解作用、胞外聚合物络合、氨基酸溶解和菌丝穿透的多机制模型。

引言

随着新能源技术的快速发展，锂作为关键战略资源，其重要性日益凸显。它在电动汽车、电子设备、储能系统和航空航天等多个领域被广泛使用，在推动全球能源转型和技术创新方面发挥着不可或缺的作用[1]。全球锂产量已从2010年的约2.8万吨激增至2023年的超过18万吨，全球储量估计为2600万吨。预计到2030年全球电动汽车数量将迅速增长至4000万辆，这进一步加剧了锂的需求。与此同时，锂离子电池消费量的激增产生了大量废旧电池废弃物，预计到2030年废弃锂离子电池的积累量将达到1100万吨。然而，许多地区的回收率仍低于5%，凸显了可持续锂回收技术的迫切需求。然而，全球锂需求的激增已远远超过供应，导致全球范围内对潜在资源短缺的普遍担忧。因此，开发高效、经济且可持续的锂提取技术已成为锂资源开发领域的关键研究重点和重要挑战[2]。锂主要来自盐湖和硬岩矿床，但仅依靠盐湖卤水提取无法满足市场需求[3]。锂硅酸盐矿物近年来成为研究热点。其中，锂云母是一种重要的含锂矿物[4]。传统的锂提取方法如矿石焙烧、酸浸和氢氧化锂沉淀法已经成熟稳定，但会污染环境且能耗较大[5]。相比之下，生物湿法冶金因其能耗低、成本可控、工艺流程简单和环境友好等优势，已成为关键的锂提取方法[6]。

真菌在风化非硫化物矿物方面发挥着重要作用，它们通过分泌代谢产物，借助生化机制（酸解作用、螯合作用）和生物机械机制（菌丝穿透）促进金属溶解[7]。黑曲霉（A. niger）因其旺盛的菌丝生长和代谢活性，是一种有效的生物浸出剂，但其有限的胞外聚合物（EPS）分泌限制了菌丝与矿物的黏附[8]。相比之下，黏红酵母（R. mucilaginosa）能产生丰富的EPS，促进微生物与矿物的接触并形成有利的界面微环境[9]。目前，真菌从硅酸盐矿石中提取锂仍受限于适应性低、效率不高和处理周期长等问题。将代谢特征不同的真菌（如A. niger和R. mucilaginosa）进行混合培养，是利用协同相互作用并增强生物浸出性能的一种有前景的策略。

与单菌株培养相比，微生物混合培养体系在复杂环境中表现出更强的环境适应性和代谢活性，以及对多种环境胁迫的更大韧性[10]。在这类体系中，不同微生物之间的有益协同相互作用是微生物群落稳定性和发展的关键。这些种间相互作用不仅促进代谢产物的互补分泌，还可能由于生存和营养竞争而诱导应激相关成分的产生，从而提高矿物浸出效率[11]。代谢组学通过分析生物样本来处理来自生物体的高通量数据，鉴定和定量微生物代谢物，深化我们对代谢调控的认知[12]。然而，应用代谢组学阐明微生物协同浸出硅酸盐矿物的机制的研究仍相对较少。

本研究利用多细胞真菌A. niger和单细胞酵母R. mucilaginosa的混合培养体系调查锂云母的生物浸出，假设协同相互作用能够增强该过程。为此，进行了平行浸出实验，比较代谢物谱、残余物特性和Li?释放情况。进一步应用非靶向代谢组学阐明混合培养诱导代谢物分泌的分子机制。研究目标为：1) 比较单培养与混合培养系统中的代谢通路；2) 分析两种真菌之间的协同或互补效应；3) 阐明它们在硅酸盐矿物风化中的联合机制。本研究旨在推进对真菌-酵母共生的理解，并为构建高效的微生物联合体提供参考。

章节摘要

矿石

本研究使用的锂云母样品来自中国新疆阿勒泰地区的一处矿床（坐标：北纬47°14'，东经89°50'）。该材料呈淡紫色，具有珍珠光泽，具有明确的化学结构，表示为KLi_1.5Al_1.5Si₃O₁₀F₂。为定量其元素组成，我们使用X射线荧光（XRF）进行分析，主要显示52%的SiO₂、26.03%的Al₂O₃、7.75%的K₂O和3.79%的Li₂O。经过逐步纯化

pH值和Li⁺浸出浓度

pH的变化可间接反映真菌生长过程中酸性代谢产物的分泌情况。如图1所示，AN组在前7天内pH迅速下降，之后下降速率减缓，在第30天达到最低值1.98。在RM组中，前5天pH迅速下降，随后波动，在第30天左右达到约2.12的最低值，之后逐渐回升。AN+RM混合培养组的pH持续下降，达到

结论

本研究构建了黑曲霉与黏红酵母的混合培养体系，以增强锂云母的生物浸出并阐明真菌-酵母协同作用的代谢基础。混合培养将锂浸出效率提高至6.48%，分别比AN和RM单培养高出51.0%和73.7%。这种改善与柠檬酸产量更高（17.96 g·L^-1）、蛋白质类和腐殖酸类EPS组分增加以及矿物表面更强的

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本研究中报告的工作。

CRediT作者贡献声明

赵星清：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、获取研究资金、概念构思。张星怡：验证、软件、调查。郭宇文：验证、调查。顾伟：验证、调查、形式分析。邓英杰：验证、调查、形式分析。刘伟：验证、调查。卢现才：监督、项目管理、获取研究资金。张都：撰写——初稿、调查、形式分析。

致谢

本研究得到国家自然科学基金重大项目计划（编号：92062213）的资助。

张都|张心怡|赵星清|顾伟|郭宇文|刘伟|邓英杰|卢现才