小球藻（Chlorella sorokiniana）对高硫酸盐淀粉加工废水的综合生理和分子响应：在促进生长与代谢适应之间寻求平衡

《Bioresource Technology》：Integrated physiological and molecular responses of Chlorella sorokiniana to high-sulfate starch processing wastewater: Balancing growth promotion and metabolic adaptation

硫酸盐污染对微藻Chlorella sorokiniana的生理代谢及分子响应机制研究，发现其通过激活抗氧化防御系统（如PEX12基因）和抑制硫代谢通路（如cysA、cysC、met3基因）实现高效营养去除（氮去除105%，磷40%），同时促进硫酸化多糖合成（通过分子对接验证），揭示高硫酸盐条件下微藻通过代谢资源再分配实现生长增强（152% biomass）和工业废水处理的适应性策略。

　　

严瑞新|邱双|李晓凡|阿耶莎·阿尔加德·阿马杜|葛世坚

南京科技大学环境与生物工程学院，中国江苏省南京市210094，小灵威200号

摘要

淀粉加工废水（SPW）中较高的硫酸盐（SO₄^2-）浓度对基于微藻的生物修复构成了显著限制，但其背后的分子机制仍不清楚。本研究系统地阐明了Chlorella sorokiniana在高SO₄^2-浓度（124.8 mg SO₄^2-/L）下的响应情况，该浓度代表了SPW的实际水平。结果表明，生物量增加了152%，同时氮（105%）和磷（40%）的去除效果也得到了增强。转录组分析显示，硫同化途径受到反馈调节而下调，包括硫酸盐转运蛋白（如）和关键同化基因（如、）的表达受到抑制。这种代谢调整被SO₄^2-依赖性的抗氧化防御机制所抵消，表现为过氧化物酶体合成基因（如）的诱导以及活性氧水平的降低，同时关键营养物质的同化途径得到增强，从而共同维持了高效的营养物质去除。此外，细胞外聚合物物质的分泌和细胞内蛋白质含量也有所增加，而碳水化合物代谢则受到抑制。值得注意的是，分子对接分析显示硫酸化多糖的合成能力增强，表明细胞能量资源发生了重新分配。综上所述，这些发现揭示了SO₄^2-通过增强能量代谢和抗氧化防御促进生长，同时通过负反馈调节吸收途径优化了资源分配，为基于微藻的SPW处理提供了机制基础。

引言

基于微藻的生物修复已成为处理淀粉加工废水（SPW）的一种有前景且可持续的替代方法，能够有效去除废水中的化学需氧量（COD）、氮和磷，并产生适合生物燃料生产的富含脂质的生物质，实现了环境修复和可再生能源生产的双重效益（Mohamadnia等人，2023年；Li等人，2025年）。然而，SPW中较高的硫酸盐（SO₄^2-浓度（通常为100–150 mg SO₄^2-/L）（Hetta等人，2021年）给生物修复带来了挑战。如果未经适当处理直接排放，这种富含硫酸盐的废水可能导致严重的生态后果，如富营养化和硫化氢的形成。虽然硫是微藻中关键代谢过程（包括光合作用、氨基酸生物合成和含硫次级代谢产物的合成）所必需的营养素（Lv等人，2017年；Sakarika和Kornaros，2017年；Salbitani等人，2022年），但其过量存在可能会产生抑制作用。迄今为止，大多数微藻生物修复研究主要集中在硫酸盐含量相对较低的废水流中，例如生活污水（通常为11–87 mg SO₄^2-/L）（Zhang等人，2020年）。因此，微藻对工业废水（如SPW）中典型的高硫酸盐条件的生理和分子适应机制尚未得到充分探索。

微藻中的硫代谢途径最早在2014年得到系统研究（Prioretti等人，2014年），随后在缺硫条件下通过转录组研究得到了进一步阐明（Xu等人，2022年）。在硫限制的情况下，微藻会进行代谢重组，表现为细胞内硫储备的耗尽和高亲和力硫酸盐转运蛋白的上调（Kharwar等人，2021年；Salbitani等人，2022年）。然而，这一机制在微生物持续面临高SO₄^2-压力的工业废水生物修复中适用性有限。虽然这一框架阐明了微藻对硫缺乏的响应，但对于高硫酸盐条件下的适应机制了解甚少。微藻在这种持续高SO₄^2-压力下的生理表现、适应机制和分子韧性仍不完整，这突显了可持续废水处理中的关键概念和实际差距。

值得注意的是，目前关于微藻对SO₄^2-响应的机制框架主要基于低SO₄^2-浓度（通常< 60 mg SO₄^2-/L）的研究（Zhang等人，2020年）。在这些条件下，适应机制通常包括吸收动力学的增强、O-乙酰丝氨酸的短暂积累以及优先进行抗氧化合成（如谷胱甘肽）以减轻氧化应激（Apodiakou和Hoefgen，2023年；Mulo等人，2012年）。然而，这些在低浓度下研究明确的机制可能无法充分代表或在持续高SO₄^2-压力下发生逆转。尽管提出了几种机制假设来解释高SO₄^2-条件下的耐受性，例如SO₄^2-主动运输的反馈调节抑制（Prioretti等人，2014年）和由于腺苷5′-磷酸硫酸盐（APS）积累导致的同化限制（Mohammadi等人，2018年），但这些假设仍具有推测性，且在SPW等工业废水中的硫酸盐浓度下缺乏验证。此外，从这些低浓度研究进行外推的可靠性还受到现有结果内在不一致性的影响。例如，关于生长的最佳SO₄^2-浓度的报道存在显著差异。以C. sorokiniana为例，Mera等人（2016年）的研究表明其最佳生长浓度为9.6 mg/L，而Zhang等人（2020年）则报告了一个更高的最佳值58.8 mg/L。这种经验上的变异性强调了这些生理响应的情境依赖性，从根本上质疑了将这些发现外推到测试浓度范围之外的有效性，尤其是在明显不同的高SO₄^2-条件下。关键的是，虽然在高硫酸盐限制下SO₄^2-的吸收通常会增强，但在更高SO₄^2-暴露下（例如240 mg SO₄^2-/L）可能会被主动抑制（Mera等人，2016年）。同样，硫依赖性抗氧化系统的作用和调节需求在从硫酸盐稀缺到丰富的转变过程中也可能发生显著变化。因此，将这些低浓度模型的见解直接应用于高SO₄^2-环境是受到根本限制的。因此，进行专门的机制研究以阐明微藻在现实高SO₄^2-条件下的独特代谢策略是必要的，包括吸收调节、同化效率和系统性氧化管理。

本研究旨在系统地研究微藻对实际SPW中高SO₄^2-浓度的多种响应，包括与生长性能、光合活性、营养代谢、氧化应激响应和生物组成变化相关的参数。此外，还进行了综合转录组分析以阐明微藻适应高SO₄^2-条件的分子机制。总体而言，这项工作为提高废水生物修复的稳定性奠定了科学基础，同时为这些废水的可持续生物能源生产潜力打开了大门。

部分摘录

微藻种类和培养条件

微藻菌株C. sorokiniana来自中国科学院水生生物学研究所（中国武汉）。细胞在严格控制的环境条件下（即恒定温度25.0 ± 0.2°C、连续光照3000 lx和14小时/10小时的光周期）用合成市政废水（MW）进行预培养。接种前，细胞通过8000 rpm离心5分钟离心三次并冲洗。

结果与讨论

初步筛选实验确定S-320组的SO₄^2-浓度最适合促进微藻生长（见补充材料）。该浓度不仅位于SPW的典型SO₄^2-范围内，还引发了最显著的生长促进作用，因此成为后续机制研究的生理相关条件。据此，选择S-320组进行深入的分子分析以阐明其潜在响应。

结论

含有高SO₄^2-浓度的废水排放通常会对微藻造成生理压力，可能影响基于微藻的生物废水处理系统的实际应用性能。本研究使用代表SPW的SO₄^2-浓度和组成，证明了高SO₄^2-浓度促进了微藻生长并增强了营养物质的吸收，但同时减弱了硫代谢途径。

CRediT作者贡献声明

严瑞新：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。邱双：撰写——审稿与编辑，监督。李晓凡：数据管理。阿耶莎·阿尔加德·阿马杜：数据管理。葛世坚：撰写——审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52470038、52370040和52570041）的支持。