英文标题：Carbon distribution and metabolism mechanism of a novel mixotrophic Chlorella in municipal wastewater
发表期刊：Bioresource Technology
影响因子：9.0
客户单位：北京林业大学
百趣提供服务：AQ能量代谢高通量靶标定量
研究背景
近年来城市污水已取代工业废水成为主要富营养化来源，其富含的碳、氮、磷等营养物质具有资源化潜力，但传统处理技术聚焦有机物降解回收，忽视了有机物矿化产生的溶解性无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)等小分子物质的处理；而混合营养型微藻可通过自养和异养代谢同步利用有机碳与无机碳、去除污水中氮磷等营养元素，还能转化为高附加值产品，契合循环经济与碳中和目标，微藻-细菌共生系统更能提升处理效率、降低能耗，不过目前微藻碳代谢转化路径、不同碳源的调控作用等关键问题尚未明确，且微藻-细菌共生系统规模化应用仍面临挑战，因此本研究旨在筛选城市污水中高效固碳的微藻菌株，探究其混合营养型碳代谢机制，为污水资源化与碳负技术提供理论支撑。
研究结论
01.城市污水中优势微藻的筛选
通过紫外(ultraviolet, UV)诱变结合高碳培养基驯化，从6种常见小球藻和栅藻中筛选出3株高效固碳突变株( MIHQ61、MIHL4、MICV101)，将其接种至真实城市污水中培养后发现，3株菌株生长均符合S型曲线，生长速率排序为：MIHL4＞MIHQ61＞MICV101；其中MIHQ61脂质产率达21.4%，且对NH3-N和TP去除效率突出，6天培养期内污水净化综合表现最优（图1a-c）。转录组分析显示，MIHQ61与野生株相比存在36668个上调基因和20313个下调基因，61.3%的差异表达基因(DEGs)富集于碳代谢通路，且在氮磷代谢中呈现独特调控模式，最终被选定为核心研究菌株（图1d-f）。
图1.三种优势小球藻突变株在城市污水中的作用
02.小球藻MIHQ61碳固定效率与碳转化动态结果
在真实城市污水培养体系中，MIHQ61的碳固定效率于第6天达到峰值，总碳固定率为73.0%，DIC去除率超50.0%，此时污水中碳向微藻细胞的迁移量达到最大值，且全程未检测到CO2释放，碳主要转移至微藻-细菌共生系统（微藻为主要贡献者）（图3g）。三维激发发射基质荧光(three-dimensional excitation emission matrix fluorescence, 3D-EEM)分析显示，MIHQ61对城市污水中溶解性有机碳DOC的分解同化随培养时间逐步增强，4-10天进入平台期后分解速率放缓；其分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)以结合态EPS(B-EPS)为主，可溶性EPS(S-EPS)含量显著更低，且两者均含酪氨酸类和色氨酸类物质荧光峰（图3a-e）。
图2.小球藻MIHQ61菌株转录组表达变化对应的核心KEGG通路示意图
图3.以城市污水为培养基时，小球藻MIHQ61菌株对水体中碳元素的影响
03.小球藻MIHQ61光合特性与碳代谢通路特征结果
MIHQ61在城市污水中保持稳定的光合性能，叶绿素a浓度在对数期快速升高后趋于平稳，光系统II(photosystem II，PS II)最大潜在量子效率(Fv/Fm)维持稳定，第4天PS II反应中心活性达到峰值（图4b-c）。培养过程中，类卟啉化合物浓度随微藻快速生长呈线性累积，为叶绿素合成提供关键前体（图4a）。碳代谢通路分析显示，中心碳代谢中磷酸戊糖途径显著增强，糖酵解和三羧酸循环通路基因表达有升有降；TCA循环受抑制，但C4/CAM互补通路激活促进草酰乙酸积累，形成独特的光合碳固定调控模式（图2）。
图4.小球藻MIHQ61菌株在城市污水中的光合性能
04.不同碳源对MIHQ61生长及碳固定的影响结果
设置4种碳源组合（M1：葡萄糖、M2：乙酸钠、M3：葡萄糖+NaHCO₃、M4：乙酸钠+NaHCO₃）进行混合营养培养，10天培养后生长情况排序为M1＞M3＞M4＞城市污水＞M2，有机碳（葡萄糖）为碳源的组别生长显著优于自养代谢主导（乙酸钠）组别（图5a）。碳源互作特征表现为：NaHCO₃促进M4生长但抑制M3生长；M2和M4全程无CO2释放，M1和M3仅在培养早期释放CO2（图5c）。酶活性检测显示，Rubisco（自养代谢标志酶）在M4中10 天活性较4天提升两倍，CA（无机碳利用酶）在NaHCO₃添加组活性较低，CS（异养代谢标志酶）在M3前期活性领先（图5d-f、h）。
图5.M1-M4中MIHQ61的固碳性能
05.小球藻MIHQ61碳代谢分子机制结果
转录组与代谢组联合分析显示，不同碳源组合不影响差异代谢物(DMs)的KEGG富集类型，仅改变其浓度水平（图6）。M1组三羧酸循环中间产物（柠檬酸、异柠檬酸）积累较多，M3组磷酸戊糖途径中间产物（景天庚酮糖-7-磷酸）显著富集，M4组较M2组代谢物水平上调，证实NaHCO₃对乙酸盐代谢的促进作用。中心碳代谢通路中，葡萄糖-1-磷酸（糖酵解途径）、景天庚酮糖-7-磷酸在M3中积累显著，碳水化合物代谢的正负相关性在NaHCO3添加后有所减弱； 通过重构中心碳节点和调控甘油脂合成等次级代谢分支，建立了适用于工业应用的碳固定-储存模块。
图6.M1-M4参与的不同微藻细胞器中碳代谢相关途径的整合机制
研究总结
本研究通过UV诱变与高碳培养基筛选，获得了在真实城市污水中表现优异的高效固碳小球藻突变株Chlorella sp. MIHQ61。通过转录组、代谢组及碳源组合实验等多维度分析，明确了其混合营养型碳代谢机制：培养前期异养代谢活跃，后期自养代谢占优，中心碳代谢通路通过重构磷酸戊糖途径、糖酵解和三羧酸循环节点，建立了高效碳固定-储存模块；不同碳源对菌株生长和代谢的调控作用存在差异，NaHCO3可促进乙酸盐利用、抑制葡萄糖代谢，且不改变差异代谢物的富集类型，仅影响其浓度水平。这些发现系统揭示了城市污水中混合营养型微藻的碳分配与转化规律，填补了相关代谢机制的研究空白，为污水资源化回收、碳负技术开发及微藻的规模化工业应用提供了关键菌株、理论依据与技术支撑。
