抗胁迫蓝藻菌株Synechocystis循环利用温室废液中的营养元素

《Bioresource Technology》：Recycling nutrients from greenhouse effluent with a stress-resistant cyanobacterial strain

　　

研究人员利用抗胁迫蓝藻菌株循环利用温室废液中的营养元素。Synechocystis能够在无土栽培温室废液中生长并回收营养元素。温室废液诱导胁迫反应，改变细胞生理和转录组。SigB过表达提高了生长、营养收集效率和胁迫抗性。研究人员利用Synechocystis生物质作为肥料成功栽培了生菜。

全球农业正面临人口增长、气候变化和肥料供应受限等挑战。无土栽培和垂直农业可在减少水、农药和土地使用的条件下提高作物产量，但水培温室产生含有过量盐分或病原体的废营养液，传统处理方法如磷沉淀无法回收养分，造成不可再生资源浪费。光养微生物如蓝藻可利用光能和CO₂进行生物修复，同时生产可用于饲料或肥料的生物质。基因工程可强化蓝藻的修复性能，其中胁迫响应型sigma因子SigB过表达（SigB-oe）菌株在热、氧化胁迫及有机溶剂条件下表现出更强耐受性。然而，模式蓝藻Synechocystis在温室废液营养回收和生物肥料方面的应用仍缺乏系统验证。为此，研究人员从生菜垂直农场采集温室废液（greenhouse effluent, GHE），考察Synechocystis能否通过藻类生物质将废液中的营养循环回新作物。

研究发现，温室废液诱导Synechocystis产生胁迫反应，而SigB-oe菌株可在高CO₂条件下快速生长并从废液中高效去除氮磷，其收获的生物质还可作为生菜肥料。该概念验证研究首次展示了完整的“生物修复—生物施肥”循环，证明改善蓝藻一般胁迫耐受性是提高生物修复效率的可行策略。

本研究温室废液样本来自Robbe’s Little Garden Ltd的生菜温室，其化学和生物需氧量、悬浮固体及多种元素浓度由Lounais-Suomen vesi- ja ymp?rist?tutkimus Oy按ISO/SFS标准方法分析。菌株为Synechocystis sp. PCC 6803 GT-T及其衍生株SigB-oe、RNAP-His和SigB-oe RNAP-His。主要技术方法包括：在BG-11或温室废液中培养并监测OD₇₃₀；用Spectroquant试剂盒测定硝酸盐、磷酸盐和铵浓度；通过Western blotting检测蛋白及RNA聚合酶（RNA polymerase, RNAP）结合的sigma因子；利用BGI DNBseq平台进行RNA测序（RNA sequencing, RNA-seq），经Chipster和DESeq2分析差异表达基因；用Clark型氧电极测定光饱和光合放氧；甲醇提取测定叶绿素a；酶法测定糖原；流式细胞术分析细胞聚集。生物肥生产中，GT-T菌株在2 L废液中培养收获，经热处理后施加到生菜（Lactuca sativa var. capitata）盆栽。

3.1 温室废液限制Synechocystis生长：未缓冲的废液pH为5.0，无法支持GT-T生长；缓冲至pH 7.5后，GT-T可生长，4天内去除9%硝酸盐和58%磷酸盐。但在3% CO₂条件下，废液中的生长并未比环境空气更快，提示废液组成限制了快速生长。

3.2 Synechocystis细胞在温室废液中调整基因表达：RNA-seq显示，暴露1小时后有806个基因差异表达，24小时后仅64个，表明细胞在初始阶段经历广泛的转录重组，随后趋于稳定。

3.3 温室废液诱导光合基因短暂下调和光合活性降低：大量编码光反应复合物（光系统I、光系统II、ATP合酶、细胞色素b6/f复合物）的基因在1小时下调，多数在24小时恢复；PSII活性降低，叶绿素a含量下降10%。同时，无机碳摄取相关基因SbtA和NDH-13上调，暗示从废液中获取无机碳的效率低于BG-11。

3.4 温室废液降低生长和储存化合物产生：细胞壁肽聚糖合成（mur）、菌毛合成（pil）和细胞分裂（sepF）基因下调；糖原合成基因glgC和glcP下调，糖原分解基因也下调