关于Porphyridium purpureum在海洋环境中通过KNO?介导的锶生物积累的机制学研究

《Biochemical Engineering Journal》：Mechanistic insights into KNO 3-mediated strontium bioaccumulation by Porphyridium purpureum in the marine environment

微藻Porphyridium purpureum COE1通过正交实验证实KNO3浓度显著提升海水锶去除效率（最大62.03%），锶主要富集于细胞内多聚磷酸盐颗粒，机制与离子通道相关。

　　

陈浩伟|王振尧|吴胜山|林文基|秦子豪|Anita Ramli|Carol Sze Ki Lin|曾贤海

厦门大学能源学院，固体表面物理化学国家重点实验室，中国厦门361102

摘要

沿海核电站的运营常常会向海洋环境中释放低水平的放射性锶，由于其生物累积潜力和致癌性，对生态和健康构成严重威胁。传统的海水修复方法面临可扩展性和成本方面的挑战，因此需要可持续的方法，如藻类生物修复。Porphyridium purpureum可以在不进行海水淡化的情况下在海洋水中快速生长，显示出其在海水中的锶去除潜力。本研究设计了一个L₈ (2⁷)正交实验阵列，以量化无机盐成分（CaCl₂、MgCl₂、Sr²⁺和KNO₃）及其相互作用对Porphyridium purpureum COE_{1去除Sr²⁺效率的影响。结果表明，KNO3浓度起主导作用，并与Sr²⁺去除效率呈正相关（第10天的皮尔逊相关系数r = 0.66，第20天至第100天的相关系数r > 0.80），在KNO3浓度为2.0 g/L时，达到了最大的生物量（4.17 g/L）和Sr²⁺去除效率（62.03%，相比未添加KNO3时提高了21.2%）。傅里叶变换红外光谱结合透射电子显微镜分析表明，Sr²⁺主要积聚在细胞内的多磷酸盐颗粒中，这表明主要的去除机制是通过非选择性阳离子通道的生物累积，而KNO3增强了Sr²⁺的吸收。总体而言，Porphyridium purpureum COE1是一种有前景的环保修复方法，可用于集中处理受Sr²⁺污染的海水，但其对锶的固定机制仍需进一步研究。}

引言

大多数核电站位于沿海地区，在运行过程中使用海水作为主要冷却剂，持续向海洋生态系统排放含有多种放射性核素的低水平废水，如氚、¹⁴C、碘-131、铯-137和锶-90 [1]。海上核设施和核武器试验活动也是放射性核素污染的主要人为来源，增加了海洋环境中的辐射污染风险 [2]。在核废料中存在的39种人为放射性核素中，⁹⁰Sr的半衰期超过20年，这些放射性核素需要很长时间才能自然从环境中清除。⁹⁰Sr可以在骨骼中积累，对健康造成严重风险，包括造血功能障碍、β辐射引起的DNA损伤以及癌症风险增加 [3]。

目前的修复方法，包括离子交换、膜过滤和化学沉淀，由于成本高昂、二次污染风险以及与海洋环境的不兼容性，面临可扩展性挑战 [4]。相比之下，植物修复提供了一种有效且可持续的“绿色”解决方案，通过使用绿色植物及相关微生物、土壤改良剂和有针对性的农业实践来去除土壤、沉积物、地下水和地表水中的污染物 [5]，从而不仅恢复了生态平衡，保护环境免受污染物的危害，还为大规模海洋和陆地去污提供了一种经济高效且生态友好的方法。

微藻是光合微生物，包括原核和真核形式，在水生环境中通过光合作用固定二氧化碳（CO₂）而繁衍，某些物种还具有极端环境适应性 [6]。作为可再生生物资源，微藻由于在光照和CO₂存在下能在水生环境中快速生长，并能将污染物转化为有价值的生物质 [7]，因此为生物修复提供了可持续的平台。此外，它们已证明具有重金属的吸附能力，这表明微藻在放射性核素浓缩方面具有潜力。此外，将水污染物修复与基于微藻的碳封存技术相结合，可以提高微藻生物燃料产业的可持续性和经济可行性 [8]。

微生物在锶污染修复方面表现出多种机制。绿色微藻Tetraselmis chui [9]和Bacillus licheniformis K-1 [10]可以诱导Sr²⁺转化为SrCO₃沉淀物，而乳酸菌和双歧杆菌可以通过细胞表面的功能基团吸附Sr²⁺ [11]。此外，微生物细胞中的多磷酸盐也被证明具有金属矿化的功能。多磷酸盐是含有大量残留物的磷酸聚合物，在重金属胁迫下具有解毒作用 [12]。研究表明，高浓度的Cd²⁺可以与Nitratiruptor sp. SB155-2中的多磷酸盐结合形成金属-磷酸盐复合物 [13]。Xu等人 [14]还报告称，Escherichia coli在Cu²⁺作用下可以从细胞内的多磷酸盐中释放磷酸根离子，形成铜磷酸盐纳米颗粒。与生物吸附相比，多磷酸盐诱导的生物矿化对离子浓度的敏感性较低。因此，这种机制在处理复杂海水环境中的Sr²⁺污染方面具有更大的潜力。此外，形成的金属-多磷酸盐沉淀物通常具有较高的稳定性，可以实现重金属的长期固定。然而，目前尚无关于多磷酸盐固定锶的研究，还需要探索类似的机制是否适用于海洋锶污染的处理。

Porphyridium purpureum（P. purpureum）是一种红色海洋微藻，具有相对较快的生长速度 [15]。这一特性使其能够有效适应高盐度的海洋环境并实现大规模繁殖，表现出显著的锶去除能力，显著降低了处理成本。同时，P. purpureum在生长过程中还会分泌大量细胞外聚合物 [16]，[17]，具有优异的金属结合亲和力 [18]，这可能也增强了其处理海水中的锶污染的能力。与淡水物种不同，这些海洋微藻在用于海水时无需淡化，从而降低了运营成本，提高了沿海核设施的可扩展性。然而，关于P. purpureum在环境修复中的应用，尤其是针对海洋锶污染的研究仍然有限。此外，金属与P. purpureum之间的相互作用机制也尚未得到充分探索。

培养基中的无机盐成分会影响微藻的金属吸附能力。Wang等人 [19]报告称，高磷培养基增加了Didymogenes palatina XR表面磷酸基团的数量，从而提高了其吸附能力。Li等人 [6]在研究不同无机盐对Suaeda salsa生长和镉（Cd²⁺生物累积的影响时发现，NaCl可以增强活细胞中对Cd²⁺的生物累积。培养基中的甘氨酸甜菜碱被报道可以改善Arthrospira platensis CBD05对铅（Pb²⁺的耐受性，通过上调光合作用、代谢途径和应激反应，以及调节细胞外聚合物（EPSs）和溶解有机物的分泌 [20]。先前的研究表明，培养基中NaCl [21]、氮 [22]和碳源 [23]的浓度对P. purpureum的生长有显著影响。然而，尚不清楚这些环境因素是否会影响P. purpureum的锶去除能力。

Sr²⁺浓度的变化显著影响吸附剂的去除效率，这受到浓度差异和吸附位点可用性的影响 [24]。此外，作为二价阳离子，Ca²⁺和Mg²⁺与锶属于同一类碱土金属，具有相似的化学性质。这种化学相似性导致Sr²⁺对各种吸附剂上的吸附活性位点的亲和力相当 [25]，[26]。尽管K⁺的价态不同，但它也可以与Sr²⁺竞争某些吸附剂上的吸附位点 [27]。此外，高浓度的K⁺可能会压缩某些吸附剂表面的扩散双电层，从而削弱其对Sr²⁺的静电吸附作用 [28]。还应注意的是，离子浓度的增加可能会通过影响氧化还原电位来削弱吸附剂的Sr²⁺去除能力 [29]。

因此，为了探索P. purpureum COE_{1在锶污染处理中的潜力及其锶固定机制，本研究采用了回归正交实验设计，对P. purpureum COE1的生物累积过程进行了表征：（1）研究培养基中无机盐成分及其相互作用对藻类生长和Sr²⁺去除效率的影响；（2）监测P. purpureum COE1细胞中Sr²⁺的位置和分布；（3）研究KNO3如何影响P. purpureum COE1的Sr²⁺固定性能。旨在探索P. purpureum COE1在集中处理受Sr²⁺污染的海水方面的潜力，期望提供一种经济高效且生态友好的生物工艺，能够有效处理海水中的锶污染。}

实验部分

微藻菌株

P. purpureum COE_{1是在厦门大学能源学院的生物质化学转化实验室筛选和保存的，用人工海水（ASW）培养基作为种子培养 [30]。}

对于实验培养，P. purpureum COE_{1在富含6.6 g/L MgSO4·7H2O、1.6 g/L MgCl2·6H2O、1 g/L KNO3、0.07 g/L KH2PO4、0.04 g/L NaHCO3和1 mL/L 0.5 M Na2的改良ASW培养基中生长（该培养基是从台湾海峡抽取并过滤后使用的）}

P. purpureum COE_{1的Sr²⁺去除效率的回归正交分析}

回归正交实验表明，无机盐成分显著影响P. purpureum COE_{1的Sr²⁺去除效率，不同实验条件下的去除率范围为8.39%至42.01%（表S3，图1）。结果表明，实验1、4、6和7的Sr²⁺去除效率最高。尽管在这些实验中分配给因素A、B和C的数值有所不同}

结论

总之，本研究证实P. purpureum COE_{1能够高效地从海洋环境中去除Sr²⁺，且去除效率依赖于KNO3浓度，其中KNO3浓度是提高Sr²⁺去除效率的主要因素（第20天至第100天的p < 0.01），超过了共存的Ca²⁺、Mg²⁺或Sr²⁺本身的影响。将KNO3浓度优化至2.0 g/L时，生物量浓度（4.17 g/L）和Sr²⁺去除效率（62.03%）达到最大。FT-IR和TEM-EDS成像提供了强有力的证据}

CRediT作者贡献声明

吴胜山：项目管理和概念构思。王振尧：撰写 – 审稿与编辑。秦子豪：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。林文基：监督，资源提供。陈浩伟：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，可视化，方法学研究，数据管理，概念构思。曾贤海：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Carol Sze Ki Lin：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Anita Ramli：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作

致谢

本研究得到了厦门大学研究成果商业化项目（编号20200098）的支持。