通过转录组分析揭示了小球藻（Chlorella sorokiniana）对联合抗生素胁迫的耐受策略

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《Environmental Pollution》：Tolerance strategy of Chlorella sorokiniana to combined antibiotic stress revealed by transcriptomic analysis

【字体：大中小】 时间：2026年02月14日 来源：Environmental Pollution 7.3

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　　本研究以耐抗生素微藻Chlorella sorokiniana为对象，通过梯度联合抗生素压力（KAN和TET）探究其适应机制。生理分析表明耐受阈值为60 mg L?1，呈现“防御-生长”协调响应；转录组揭示代谢重编程（抑制合成途径、强化卡尔文循环、上调糖酵解及TCA循环）及防御机制（主动外排、抗氧化酶网络增强、分解代谢酶激活），形成多层次防御系统。该模型为工程化强化生物修复菌株设计提供理论依据，证实微藻可作为复杂抗生素污染的活性生物修复剂。

中国海洋大学海洋生命科学学院，进化与海洋生物多样性国家重点实验室，以及深海多圈层与地球系统前沿科学中心，青岛 266003，中国

摘要

在水生环境中，不同类别的抗生素普遍共存，这需要我们了解微藻在复合压力下的适应策略。这种知识空白在单一抗生素的研究中仍然存在。本研究重点关注了一种耐受性强的小球藻（Chlorella sorokiniana）的适应反应。该菌株被分离出来后，暴露于氨基糖苷类抗生素卡那霉素（KAN）和四环素（TET）的复合应力下。生理分析显示，每种抗生素的耐受阈值为60 mg L^-1，其特征是初期生长和光合作用受到抑制，随后部分恢复，表明该菌株具有主动的适应过程。转录组分析揭示了“防御优先于生长”的分子重编程现象。该菌株的代谢反应表现为合成途径的策略性抑制、卡尔文循环的加强，以及糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化的显著上调，共同构成了多层次的防御系统。为了应对抗生素压力，Chlorella sorokiniana在其防御系统中采取了多重策略：主动外排（ABC转运蛋白）、增强的抗氧化酶网络，以及拟议中的分解代谢酶（如醛脱氢酶）的上调。我们提出了一种新的综合模型，认为Chlorella sorokiniana的耐受性源于一个关键系统的协同调节，该系统协调了光合作用、能量代谢和解毒过程，以对抗复合抗生素压力。这些发现阐明了微藻在复合抗生素压力下的耐受性和潜在适应机制。这项工作为工程化改良的植物修复菌株提供了遗传蓝图，并强调了微藻作为能够利用复杂生化机制减轻复杂抗生素污染的活跃生物修复剂的作用。

引言

抗生素在人类医学、畜牧业和水产养殖中得到广泛应用，但其广泛使用导致它们持续侵入水生生态系统，成为一种普遍存在的新兴污染物（Li等人，2023年）。由于抗生素在废水处理过程中往往无法完全去除，它们在水生环境中持续存在并积累，从而对生态稳定性和公共健康构成重大威胁（Langbehn等人，2021年）。全球评估，包括联合国环境规划署的报告，指出抗生素污染是一个关键且普遍存在的挑战，尤其是在发展中国家（UNEP，2023年）。进入水生系统后，抗生素会破坏微生物群落结构、生物地球化学循环和生态系统可持续性（Yao等人，2025年）。初级生产者，如浮游植物，特别容易受到暴露的影响，这会抑制它们的生长和光合作用，并改变其物理化学特性。这最终破坏了水生食物网中的基础能量流动和元素循环（Wang等人，2024年）。由于微藻在环境中的普遍性和敏感性，它们已成为阐明微生物对水生污染物应激反应的关键模式生物（Calatrava等人，2024年）。抗生素污染对微藻的影响主要从生长抑制、光合作用性能和去除潜力的角度进行研究，通常是在单一化合物或相对简单的混合物暴露下（Chu等人，2023年；Dong等人，2025年；Li等人，2022年）。例如，Xiong等人（2017年）表明，经过适应的Chlorella vulgaris能够耐受高水平的氟喹诺酮类抗生素左氧氟沙星，并在盐度升高条件下通过生物积累和细胞内生物降解去除超过90%的化合物。Michelon等人（2025年）进一步报告，以Chlorella为主的菌群处理猪废水时，能够耐受高达100 mg L^-1的十种磺胺类抗生素，同时保持强劲的生物量和色素产量，并实现高效去除。此外，Bashir和Cho（2016年）研究了卡那霉素和四环素对绿藻Dictyosphaerium pulchellum和Micractinium pusillum的生长和光合作用活性的复合影响，提供了明确的证据表明混合抗生素暴露可以显著改变藻类的生理状态。抗生素以复杂的混合物形式进入水生环境，单细胞初级生产者如微藻对这种复合压力特别敏感（Danner等人，2019年；Sharma等人，2021年）。然而，微藻对机械作用不同的抗生素高浓度共污染的适应机制仍知之甚少，尤其是生长、光合作用和潜在分子途径的耦合调节。为了获得可解释且生态相关的评估，我们使用二元混合物模型作为最小系统，以量化非加性相互作用，而不涉及多组分混合物的复杂性（González-Pleiter等人，2013年；Magdaleno等人，2015年；Wang等人，2022年）。四环素（TET）和卡那霉素（KAN）在人类治疗、畜牧业和水产养殖中广泛使用。在欧洲，每年用于动物治疗的四环素消耗量接近2300吨，地表水中的浓度通常在0到20 ng/L之间（Amangelsin等人，2023年；Antos等人，2024年）。氨基糖苷类抗生素如KAN占总抗生素使用量的约3.5%，它们从制药和医院废水中释放出来，导致地表水和土壤的环境污染（Glinka等人，2020年）。鉴于它们的普遍性和环境持久性，TET和KAN被选为代表共污染情景中的不同作用模式。由于个别抗生素对微藻生长和光合作用的影响已有相对充分的记录（Chu等人，2023年；Dong等人，2025年；Li等人，2022年；Perales-Vela等人，2016年），我们使用单次暴露反应作为参考，以阐明混合物特有的相互作用和无法从单一抗生素数据中推断出的适应途径。因此，我们从高抗生素环境中分离出一种耐受性强的C. sorokiniana菌株，并将其暴露于分级的KAN–TET复合应力下。通过整合生长动力学、光合作用生理学和转录组测序的分析，我们的目标是：（1）确定耐受阈值和表型反应模式；（2）揭示适应的协调分子机制。这项工作阐明了微藻对复合抗生素压力的跨尺度耐受机制，为设计基于微藻的生物修复策略提供了分子基础，并为选择能够在水生环境中减轻抗生素污染的强健菌株提供了信息。

抗生素耐受性Chlorella菌株的分离与鉴定

为了获得具有内在抗生素耐受性的微藻菌株，我们将鸭场产生的沼气浆液用BG11培养基连续稀释。样品中添加了硫酸卡那霉素（KAN）和盐酸四环素（TET），每种浓度均为10 mg L^-1，并在受控条件下（25°C，4000 lux，12:12小时光:暗周期）在光照培养箱中培养20天。新出现的微藻菌落通过重复划线接种在含有相同抗生素的BG11琼脂上纯化。

耐受性C. sorokiniana菌株的分离

从高抗生素环境中分离出的微藻菌株表现出小球藻属（Chlorella）的特征形态（图1A）。细胞呈球形或近球形（直径2.5–5.0 μm），具有明显的杯状叶绿体和中央的吡啉体，细胞壁光滑且无黏液鞘，主要以单个细胞或松散的短暂聚集体形式存在。基于ITS测序的分子鉴定确认了100%的同一性。

结论

本研究阐明了C. sorokiniana对卡那霉素和四环素复合压力的综合跨尺度耐受机制。我们证明，在这种高水平的共污染下，其存活是通过一种“防御优先于生长”的策略实现的。该菌株主动将资源从增殖重新分配到加强多层次防御系统，这一过程由中心能量代谢的全面重编程驱动。转录组分析揭示了这种防御机制。

CRediT作者贡献声明

Bo Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Yongzheng Peng：研究。Haining Cao：资源支持。Shaohang Li：撰写 – 初稿、可视化、研究。Bowen Lian：撰写 – 初稿、方法学、研究、数据管理。Zhonghao Fan：可视化。Xinping Zheng：研究、正式分析。Hualong Wang：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、研究、资金获取、概念构思。