微藻Dictyosphaerium sp. AM-2024a的环境适应性及其与微塑料相互作用的双重潜力：生物燃料生产与污染缓解的协同效应

《Biotechnology and Applied Biochemistry》：Adaptive and Biochemical Responses of Dictyosphaerium sp. AM-2024a to Environmental Conditions and Microplastic Interactions: Synergy of Biofuel Production With Pollution Mitigation

　　本文系统研究了新分离微藻Dictyoshaerium sp. AM-2024a对环境条件（pH、碳酸氢钠）及微塑料（MPs）胁迫的生理生化响应。研究发现该藻株在pH 9、50 mM NaHCO3条件下生物量、叶绿素a和碳水化合物分别显著提升3.55%、393.56%和146.42%；首次报道其能利用低密度聚乙烯（LDPE） MPs并引发浓度依赖性生长抑制（50 mg/L时生物量降低13.95），扫描电镜显示MPs表面出现降解特征；脂肪酸甲酯（FAMEs）分析显示C16-C18脂肪酸占比达84.75%，具备优异生物柴油潜力。本研究为微藻同步实现生物燃料生产和污染物修复提供了新策略。

　　

1 引言

二氧化碳（CO₂）作为温室效应的主要贡献者，推动了对可持续碳捕获技术的需求。微藻通过光合作用固定CO₂，不仅能转化为生物质和高价值产物，还可作为生物燃料生产的原料。其中，脂肪酸甲酯（FAMEs）是生物柴油的关键组分。然而，微藻的大规模培养面临环境优化和胁迫耐受性等挑战。与此同时，微塑料（MPs）污染对水生生态系统构成严重威胁，其与微藻的相互作用可能影响藻类生理并潜在促进塑料降解。本研究聚焦于从污水处理厂分离的新藻株Dictyosphaerium sp. AM-2024a，系统评估其在不同环境条件及LDPE MPs暴露下的生长、生化特性及生物燃料潜力。

2 材料与方法

2.1 微藻分离与培养

藻株源自印度尼赫鲁大学污水处理厂，通过BG-11培养基（pH 7.4）富集培养，经划线分离获得纯培养物，于25°C、3500 lux光照强度下振荡培养。

2.2 分子鉴定与系统发育分析

通过18S rDNA测序（引物NS1/NS4）鉴定藻株，系统发育树显示其与Dictyosphaerium sp. CCAP（GQ487254.1）亲缘关系最近（图1）。

2.3 不同培养条件下的生长评估

2.3.1 pH影响：比较pH 8-10对藻株生长的影响，通过OD₆₈₀监测21天生物量变化。

2.3.2 碳酸氢钠影响：添加50-200 mM NaHCO₃，分析生物量、色素、蛋白质、碳水化合物及胞外聚合物（EPS）含量。

2.3.3 光合色素测定：甲醇提取法测定叶绿素a、b和类胡萝卜素，计算公式参照Lichtenthaler方法。

2.3.4 总蛋白测定：Lowry法测定蛋白质含量，以牛血清蛋白（BSA）为标准曲线参照。

2.3.5 碳水化合物测定：蒽酮法检测总碳水化合物，葡萄糖为标准品。

2.3.6 EPS测定：异丙醇沉淀法提取EPS，干燥称重。

2.4 脂质提取与FAME分析

采用改良Bligh-Dyer法提取脂质，通过酯交换反应生成FAMEs，利用GC-MS（Rtx-5MS色谱柱）分析脂肪酸组成。

2.5 与LDPE MPs的相互作用

将藻株暴露于0-100 mg/L LDPE MPs（70%乙醇灭菌）28天，监测生长动力学及生化指标。

3 扫描电镜（SEM）分析

MPs样品经金涂层处理后，通过ZEISS EVO 18显微镜观察表面形态变化。

4 结果与讨论

4.1 藻株鉴定与系统发育分析

显微镜下藻细胞呈球形无鞭毛，18S rDNA序列比对确认其为Dictyosphaerium sp. AM-2024a（图1）。

4.2 不同条件下的生长评估

4.2.1 pH影响：pH 9时生物量最高（较对照提升3.55%），pH 8和10分别降低11.98%和0.30%（图2a）。碱性条件促进碳酸氢盐转化，增强碳可用性。

4.2.2 碳酸氢钠影响：50 mM NaHCO₃使生物量增加45.17%，但延长培养至28天出现抑制（图2b）。高浓度（200 mM）导致生长下降29.53%，可能因离子胁迫破坏光合系统。

4.2.3 光合色素：50 mM NaHCO₃下叶绿素a、b和类胡萝卜素分别提升393.56%、168.95%和866.67%，高浓度时显著降低（图3a）。

4.2.4 总蛋白：50 mM时蛋白含量增加172.73%，200 mM时降至96.30%（图3b），表明高碳胁迫抑制氮代谢。

4.2.5 碳水化合物：50 mM时碳水化合物积累提升146.42%，高浓度下效率下降（图3c）。

4.2.6 EPS：50 mM时EPS产量增加6.84%，100-200 mM时降低34.88%-46.07%（图3d），反映碳通量重分配。

4.2.7 总脂质与FAME谱：藻株脂质含量为20.23%，GC-MS显示FAMEs产量达84.75%，以十六烷酸甲酯（C16:0，42.69%）和十八碳三烯酸甲酯（C18:3，13.79%）为主（表1），符合生物柴油标准。

5 LDPE MPs对藻株的影响

5.1 生长抑制：MPs暴露导致浓度依赖性生长抑制，100 mg/L时生物量降低36.1%（图4），可能因MPs附着细胞表面阻碍营养吸收。

5.2 光合色素响应：低浓度MPs（10 mg/L）下叶绿素a增加29.61%，高浓度（100 mg/L）时降低9.04%（图5a），呈现应激补偿机制。

5.3 蛋白与碳水化合物代谢：蛋白含量在50 mg/L MPs时下降58.3%（图5b），碳水化合物在10 mg/L时仅降低14.96%，但高浓度下抑制加剧（图5c），显示能量代谢紊乱。

5.4 SEM分析：与对照组相比，MPs处理组表面出现裂纹、孔洞和粗糙化（图6），表明藻株通过EPS分泌及生物膜形成初步降解LDPE。

6 结论

Dictyosphaerium sp. AM-2024a在碱性及碳酸氢盐强化条件下展现优异生长和脂质积累潜力，其与LDPE MPs的相互作用提示其在生物修复领域的应用价值。该藻株的FAME谱以C16-C18脂肪酸为主，适于生物柴油生产。未来研究需聚焦其降解MPs的分子机制及工业化放大策略。