一种源自污染物的蓝细菌（Sodalinema sp. ZYS）的分离、鉴定及其生物技术潜力

《Bioresource Technology》：Isolation, characterization and biotechnological potential of a contaminant-derived cyanobacterium Sodalinema sp. ZYS

光合微生物对可持续资源生产至关重要，但开放型螺旋藻（Spirulina）系统易受污染且工业菌株多样性不足。本研究从高盐污染跑道池中分离出嗜盐蓝藻Sodalinema sp. ZYS，基因组学分析确认其分类地位且不含藻毒素基因。该菌株耐盐性极强（总盐度1.9 M），在盐胁迫下高效产葡萄糖基甘油（286.1 mg/g DCW），标准培养下高产食品级藻蓝素（153 mg/g DCW）。其强生长能力与快速自沉淀特性为高效生物量回收和低成本生产奠定基础，成为可持续多产品开发的可靠平台。

　　

杨 Zhao|张志超|乔月|李一辰|刘翔|刘燕|朱涛|卢学峰

哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，中国哈尔滨 150025

摘要

光合微生物对可持续资源生产至关重要，目前商业化的培养主要依赖于Limnospira（通常称为螺旋藻）。然而，开放的螺旋藻系统容易受到生物污染，且工业菌株的多样性仍然有限。本研究采用“变废为宝”的理念，从受污染的高盐度螺旋藻养殖池中分离出一种丝状蓝细菌Sodalinema sp. ZYS。基于16S rRNA基因的初步系统发育分析表明，它属于新近建立的嗜盐属Sodalinema。随后的测序获得了高质量的完整基因组，从而精确地确认了其分类地位，并关键地证实了该菌株不含已知的蓝藻毒素基因。该菌株具有极强的耐盐性（最高可达约1.9 M总盐度）。从功能上看，ZYS表现出良好的产品特性：总蛋白质含量与商业螺旋藻相当；在盐胁迫条件下能高效生产葡萄糖基甘油（GG，286.1 mg/g DCW）；在标准培养条件下可高产食用级C-藻蓝蛋白（C-PC，153 mg/g DCW）。重要的是，ZYS在开放、非无菌的培养系统中表现出强劲的生长能力和快速自沉降现象，这些特性凸显了其高效回收生物量的潜力，包括可能实现低成本收获。这些综合特点使Sodalinema sp. ZYS成为可持续生产多种高价值化合物的理想新平台。

引言

全球对可持续资源需求的增长，以及减少碳排放的紧迫性，加速了可再生生物系统的探索。由于微藻和蓝细菌具有快速生长、高光合效率以及能够利用非耕地、咸水和废水流的能力，从而减少了对淡水资源的依赖，它们在这一领域发挥了核心作用（Dawiec-Lisniewska等人，2022年；He等人，2024年；Mastropetros等人，2022年；Rossi等人，2020年）。除了生物质外，它们还产生多种有价值的生物活性物质，如色素、脂类和可溶性化合物，在营养保健品、化妆品、制药和功能性食品领域有广泛的应用（Klhn等人，2024年；Park等人，2022年）。然而，大规模培养的经济可行性往往取决于能否从单一菌株中生产多种有价值的成分，而不仅仅是关注单一产物的模式（Hussain Rittmann，2023年）。

在这一背景下，丝状蓝细菌Limnospira（商业上称为螺旋藻）是一个成功的例子，它支撑了一个价值数十亿美元的产业，主要集中在健康补充剂领域（Nowicka-Krawczyk等人，2019年；Papini，2023年；Pinchart等人，2025年；Roussel等人，2023年；Sinetova等人，2024年；Soni等人，2017年）。一个典型的例子是从螺旋藻中商业生产2-α-GG（葡萄糖基甘油），青岛中科智诺生物科技有限公司等企业已实现了大规模生产，这突显了从这种蓝细菌中生成高价值化合物的潜力（Luo等人，2022年）。这种蓝藻衍生的GG价格昂贵，反映了其卓越的立体化学纯度和作为高端化妆品优质成分的日益增长的需求。然而，这一成熟平台面临两个相互关联的制约：传统上产品范围较窄，导致生物质成分未被充分利用（Kurpan等人，2024年；Villaró-Cos等人，2024年）；其开放池塘系统（包括用于GG生产的系统）极易受到生物入侵。这些系统经常被细菌、食草生物和竞争性浮游植物的混合物污染。传统上，这些入侵者被视为损害培养纯度和生产力的有害因素，需要通过昂贵的干预措施进行清除，最终被丢弃，这一过程忽视了它们的潜在生物价值（Choi等人，2008年；Shiraishi，2015年；Vonshak等人，1983年；Yu等人，2025年）。这种观点忽略了一个关键的生态学见解：能够在如此动态、高压力生产环境中持续生存的生物很可能具有适应性强的特征，如快速生长和竞争优势。基于从废物流中获取价值的概念（Leong等人，2021年），一种范式转变正在出现，将开放培养系统重新定义为发现具有工业相关性的强健菌株的富集环境。虽然从污染物中获取价值的概念在其他领域已有先例，但其应用于高价值、商业化的光合生产系统的探索仍然不足，尤其是在发现具有多重产品潜力的菌株方面。

尽管这一策略具有很强的逻辑性，但系统地从螺旋藻培养物中筛选有价值的污染菌株的努力仍然很少。我们的研究通过从运营中的螺旋藻池塘中分离出Sodalinema sp. ZYS来填补这一空白。选择这一属尤为重要。Sodalinema是一个最近被划分出的分类群，它从多系的“marine Geitlerinema”群和形态相似的属中分离出来（Cellamare等人，2018年；Noonan等人，2024年；Samylina等人，2021年）。它包括严格的嗜盐碱性和嗜盐性丝状蓝细菌，模式种Sodalinema komarekii PMC 869.14来源于极端盐碱性的Dziani Dzaha火山口湖。Sodalinema物种的自然栖息地，如碱湖和咸水环境，表明它们具有对高盐度、高pH值和强光照的耐受性。这些压力因素与开放、浅水培养池中的条件非常相似（Cellamare等人，2018年；Noonan等人，2024年；Samylina等人，2021年）。然而，Sodalinema仍然是一个谜：它在培养物中较为罕见，且基因样本不足。迄今为止，只有少数基因组公开可用，其中大多数是不完整的（框架或contig级别），或者来自宏基因组数据，只有两个基因组被完全环化。这种高质量基因组序列的极度匮乏严重限制了对该属的功能基因组研究和应用探索。

在本研究中，我们假设从污染源中分离出的Sodalinema sp. ZYS结合了其属的固有韧性以及适合多产品开发的生物质组成。通过多方面的分析，包括系统发育学、生理特性（耐盐性）、基因组学（不含蓝藻毒素基因、GG合成的遗传基础）以及GG和C-PC生产力的定量评估，我们验证了这一假设。ZYS的完整、环化基因组使其能够被准确分类，并为这一研究不足的属提供了基础资源。最终，在开放、非无菌系统中观察到的强劲生长能力和快速自沉降现象为其适合大规模培养提供了初步证据，包括可能实现低成本收获。总体而言，我们的工作将Sodalinema sp. ZYS视为一个有前景且具有韧性的平台，适用于可持续的多产品应用，体现了蓝藻生物技术中的新型“变废为宝”策略。

部分摘录

蓝细菌菌株的采样与分离

为了探索微生物多样性并从商业螺旋藻培养系统中分离出新菌株，我们从青岛中科智诺生物科技有限公司运营的户外养殖池中采集了水样。样品在4°C下运输到实验室进行即时处理。为了富集蓝细菌群体，将样品无菌转移到含有Zarrouk培养基的50 mL烧瓶中。富集培养物在30°C下连续培养

从受污染的螺旋藻养殖池中分离菌株及实现可扩展生物质回收的形态特征

在用于GG生产的高盐度（约1 M总盐度）养殖池中常规培养螺旋藻的过程中，观察到混合微藻和蓝细菌的定期入侵，尤其是在宿主培养条件不佳时。2023年7月，培养物出现了明显崩溃，表现为悬浮液颜色从绿色变为黄绿色，同时出现絮凝和快速沉淀现象，从中采集了水样

结论

本研究表明，从崩溃的商业螺旋藻池塘中分离出的污染蓝细菌可以重新用作有价值的工业平台，体现了蓝藻生物技术中的“变废为宝”策略。通过完整的基因组测序和多方面的特性分析，Sodalinema sp. ZYS在分类上得到了明确界定，并确认其不含蓝藻毒素基因簇，证明了其作为安全生产菌株的适用性。

除了分类学和非蓝藻毒素方面的内容

CRediT作者贡献声明

杨 Zhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，资金获取。张志超：撰写 – 原稿，软件，方法学。乔月：可视化，软件，方法学。李一辰：资源，方法学，研究。刘翔：资源，方法学，研究。刘燕：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。朱涛：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFB4106501和2021YFA0909700）、中国科学院的战略重点研究计划（XDB1290103）、国家自然科学基金（32570172）、山东省重点研发计划（2025CXPT029）、哈尔滨师范大学的研究生创新基金（HSDBSCX2022-108）、QIBEBT国际合作项目（QIBEBT ICP202301）等项目的支持