《Journal of Environmental Sciences》：Gibberellic acid enhances cadmium tolerance and metabolic resilience in
Chlorella sp.: Physiological and untargeted metabolomic evidence
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镉污染对微藻生理代谢的影响及赤霉素缓解机制研究。实验表明，4 mg/L镉显著抑制Chlorella sp.生长、光合效率和叶绿素合成，同时引发氧化损伤。外源赤霉素（5-30 mg/L）通过增强光合功能（Fv/Fm值提高）、激活抗氧化酶（SOD和CAT活性提升）及调控碳氮代谢（Calvin循环、三羧酸循环关键代谢物增加），协同提升镉去除效率至86%。分子层面观察到胞外聚合物（EPS）合成增强及细胞膜完整性改善。
Fengyi Chang|Yingzhi Song|Yifei Leng|Xi Zou|Wen Xiong|Zhu Li
湖北工业大学土木工程、建筑与环境学院，武汉，430068，中国
摘要
重金属污染对水生生态系统构成了重大威胁，了解藻类对镉（Cd(Ⅱ)的生理和代谢反应有助于开发生物修复策略。本研究探讨了外源赤霉素（GA?）对小球藻（Chlorella）在Cd(Ⅱ)诱导下的应激影响。Cd(Ⅱ)暴露（4 mg/L）显著抑制了藻类生长、光合作用效率和叶绿素合成，同时增加了氧化损伤。添加GA?（5-30 mg/L）部分缓解了这些效应，提高了生物量以及Fv/Fm值，并在测试的培养条件下将Cd(Ⅱ)的去除效率提高到86%，这可能反映了快速生物吸附和随后代谢相关过程的共同作用。显微镜观察和三维激发-发射矩阵荧光分析表明，GA?处理后的培养物中细胞外聚合物生成增加，细胞表面完整性得到改善。GA?处理过的细胞还表现出更高的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性以及更低的丙二醛水平，这与抗氧化能力的增强一致。非靶向代谢组学分析显示，Cd(Ⅱ)暴露与氨基酸、脂质和碳代谢的广泛紊乱有关，而GA?的共同处理则与卡尔文循环、戊糖磷酸途径和核苷酸代谢中间体的增加有关，这表明中心碳通量和氧化还原能力部分得到恢复。总体而言，这些结果表明外源GA?可以缓解小球藻因Cd(Ⅱ)引起的生理损伤，代谢组学特征表明其通过多条代谢途径调节，有助于改善氧化还原平衡，支持激素辅助藻类去除Cd(Ⅱ)的潜力。
引言
近几十年来，工业的迅速扩张加剧了全球水污染，对人类健康和水生生态系统产生了深远而持久的影响。大约一半的工业废水未经充分处理直接排放到地表水中（Shemer等人，2023年）。在各种污染物中，来自工业排放的重金属（HMs）因其毒性、持久性和生物累积潜力而成为重大的环境和公共卫生问题（Almomani等人，2020年）。“重金属”包括难以降解的金属和类金属元素，能够对生物系统产生慢性毒性作用。这些元素既来自自然来源，也来自采矿、电镀和化肥生产等人为活动（Sutar等人，2022年）。因此，控制和水环境中去除重金属污染物仍然是一个紧迫的全球性挑战。
从自然和人工水系统中去除重金属仍然是可持续污染控制的一个持久性挑战。传统的物理化学方法，包括化学沉淀、电化学处理和吸附到活性炭或壳聚糖上，通常存在能耗高、产生二次废物和选择性有限的缺点。近年来，开发了工程纳米材料——特别是金属氧化物纳米酶和生物聚合物支持的吸附剂，利用其可调的表面催化和吸附性能来增强重金属的检测或去除。例如，Sun等人（2025年）证明Au/CoOOH纳米酶在检测敏感霉菌毒素方面表现出显著增强的过氧化物酶样活性，展示了金属氧化物纳米酶在复杂环境基质中的更广泛分析潜力。然而，这类无机材料通常通过固定的催化或吸附位点发挥作用，可能面临长期稳定性、成本和纳米颗粒释放等挑战。与此同时，微藻作为一种环境友好且成本效益高的重金属修复生物吸附剂脱颖而出（Sarma等人，2024年）。它们的去除能力源于细胞壁上的表面生物吸附和细胞外聚合物的结合，以及细胞内的吸收和隔离，这些机制与纳米酶或生物聚合物基系统根本不同。除了金属结合外，微藻还通过光合作用代谢吸收二氧化碳和氮、磷等营养物质，产生可用于生物燃料和其他增值产品的生物质，支持循环生物经济（Jaiswal等人，2023年）。与物理化学或纳米材料处理相比，微藻工艺具有产生较少污泥、改善营养循环和降低能源需求的优势，使其在可持续废水处理中具有吸引力（Kumar Sharma等人，2021年）。然而，它们在高金属负荷下的修复效率高度依赖于细胞的耐受性，这突显了需要改进藻类耐受性的策略，同时保持金属去除效果。
其中，镉被认为是危害最大的金属之一，严重影响植物生长和人类健康（Alharby等人，2022年）。Cd(Ⅱ)暴露会损害光合作用和色素平衡，并且会引发过多的活性氧（ROS）形成，导致脂质过氧化、膜损伤和广泛的代谢紊乱。因此，有效的缓解措施应结合减少细胞外Cd(Ⅱ)的生物可利用性和增强细胞内的氧化还原缓冲能力（如超氧化物歧化酶（SOD）/过氧化氢酶（CAT）活性和谷胱甘肽相关代谢）。除了氧化损伤外，来自哺乳动物研究的机制证据进一步表明，生物可利用的Cd(II)会促进DNA损伤和氧化应激，激活炎性小体途径（AIM2和NLRP3），并触发IL-1β和IL-18的释放（Zhao等人，2024年）。尽管微藻没有完全相同的免疫信号框架，但这些发现强调Cd(II)的毒性与氧化和基因毒性应激级联反应密切相关。因此，评估修复策略时应考虑不仅从水中去除Cd(II)，还要考虑干预措施是否减轻了细胞内的氧化/DNA损伤。
植物激素是一类高生物活性的有机分子，即使在微量浓度下也能调节植物生长、代谢和应激反应。通过调节基因表达，它们协调广泛的细胞过程，在农业、园艺和环境生物技术中得到广泛应用（Li等人，2022年）。越来越多的证据表明，这些信号分子不仅存在于高等植物中，也存在于微藻中，在调节生长、代谢和应激适应中起着关键作用。例如，在普通小球藻（Chlorella vulgaris）中，脱落酸可增强耐受性，而细胞分裂素通过调节细胞周期促进细胞分裂和生长（Stirk和Van Staden，2020年）。在不同的植物激素中，赤霉素尤为重要，长期以来一直用于农业、发酵和食品生产。赤霉素（GA?）是最活跃的赤霉素衍生物之一，已被证明能显著影响微藻的生理代谢和生产力。先前的研究表明，GA?促进微藻生长和色素及脂质的积累（Xie等人，2023年），增强葡萄糖吸收，并刺激脂肪酸合成和甲瓦龙酸途径（Yu等人，2016年）。在非生物胁迫下，GA?激活抗氧化防御酶（SOD和CAT），提高抗坏血酸和谷胱甘肽水平，从而增强抗氧化能力和细胞耐受性（Zhao等人，2019年）。因此，阐明GA?在重金属胁迫下调节微藻生理和代谢反应的机制对于推进基于微藻的生物修复和扩展其环境应用至关重要。
尽管植物激素可以调节微藻的应激反应，但目前尚不清楚GA?如何协调（i）细胞壁保护特性、（ii）抗氧化防御和（iii）核心代谢重编程，以提高小球藻在受控暴露条件下的Cd(Ⅱ)耐受性和去除效率。以往的研究主要强调了GA?促进生长和增强色素的作用，而其在Cd(Ⅱ)胁迫下的抗氧化防御和全局代谢重编程中的调节作用受到的关注有限。特别是，GA?与Cd(Ⅱ)耐受性相关的生化基础及其相应的代谢特征尚未得到充分研究。选择4 mg/L的Cd(Ⅱ)浓度作为严重但具有机制信息性的暴露水平，这种浓度常见于高污染废水/渗滤液中，并常用于诱导微藻的明显生理和超微结构反应。根据（Zhang等人，2017年）的研究，工业废水中的镉浓度可达到3 mg/L或更高。所选GA?剂量基于早期的优化研究；（Gao等人，2022a）报告称，添加0-50 mg/L的GA?不仅可以避免细胞毒性效应，还能增强微藻的生理反应并提高污染物去除效率。为填补这些空白，本研究调查了在GA?补充下暴露于Cd(Ⅱ)胁迫的小球藻的生理和代谢反应。通过综合生理和生化测定、抗氧化酶分析、细胞壁特性分析、超微结构观察和基于LC-MS/MS的代谢组学研究，阐明了GA?如何恢复光合作用效率、维持氧化还原平衡并调节关键代谢途径。这些发现为微藻中的植物激素介导的应激抵抗提供了新的见解，并为基于微藻的重金属污染水体生物修复提供了理论基础。
部分内容
微藻培养和实验设计
本研究中使用的微藻株为小球藻（Chlorella）sp.（FACHB-1227），来自中国科学院水生生物学研究所的淡水藻类培养库（武汉，中国）。该菌株在BG11培养基中于25 ± 1 °C下培养，光照强度为2500 lx，光照周期为12小时/12小时黑暗，直到达到指数生长阶段。实验培养在含有150 mL培养基的250 mL Erlenmeyer烧瓶中进行。
生长和Cd(Ⅱ)去除效率
图1a展示了不同处理条件下小球藻（Chlorella）sp.的生长情况。未经GA?补充的Cd(Ⅱ)暴露显著抑制了藻类增殖，六天后生物量仅达到11.67 × 10?细胞/mL，证实了Cd(Ⅱ)对微藻生长的强烈抑制作用。相比之下，GA?的添加以浓度依赖的方式显著促进了藻类生长。在25 mg/L和30 mg/L GA?浓度下，生物量分别增加到16.29 × 10?细胞/mL。
结论
本研究表明，在实验室条件下，外源GA?有助于缓解小球藻（Chlorella）sp.因Cd(Ⅱ)引起的生理损伤并提高其应激韧性。通过整合生长、色素含量、叶绿素荧光和氧化应激生物标志物，我们提出了一种机制：GA?通过（i）改善光合作用功能（更高的色素和部分恢复Fv/Fm值）和（ii）增强氧化还原缓冲能力（更高的SOD和CAT活性）来支持Cd(Ⅱ)耐受性。
CRediT作者贡献声明
Fengyi Chang：撰写——初稿、方法学、研究、概念化。Yingzhi Song：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析。Yifei Leng：资源获取、研究、数据管理。Xi Zou：资源获取、方法学。Wen Xiong：监督、项目管理。Zhu Li：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
