磷对Monoraphidium sp. QLZ-3微藻生长、脂质生物合成及营养物质去除效率的促进作用：对生物燃料生产和高磷废水处理的启示

过量磷导致水体富营养化，本研究揭示Monoraphidium sp. QLZ-3在50 mg L-1磷浓度下实现最高生物质（2.85 g L-1）和碳固定（504.07 mg CO? L-1d-1），同时显著提升氮去除效率，磷残留仅0.1 mg L-1。分子机制表明高磷通过激活糖酵解、脂肪酸合成等代谢通路，协同Ca2?信号和MAPK级联增强生长与脂质积累，为高磷废水处理和生物燃料开发提供新策略。

　　

林世宇|尤金坤|赵永腾|王庆伟|齐颖|黄飞燕|余旭娅|余磊

中国云南省昆明市昆明大学农学与生命科学学院，云南省城市农业工程技术研究中心，粘菌生物学重点实验室，650214

摘要

过量的磷会导致富营养化，引发藻类大量繁殖、生态系统退化以及人类健康风险。本研究探讨了高磷水平对微藻生物量和脂质产生的影响，并评估了磷和氮的去除效率。在磷浓度为50 mg L^?1的条件下，Monoraphidium sp. QLZ-3在生物量（2.85 g L^?1）和碳固定率（504.07 mg CO₂ L^?1d^?1）方面表现出最佳性能，分别比对照组提高了1.41倍和1.50倍。最终实现了0.1 mg L^?1的残余磷浓度。氮的去除率也显著高于对照组。添加50 mg L^?1的磷通过多种机制显著增强了生物量生产、脂质积累和能量产出（75.28 kJ L^?1），包括提高光合作用效率、加速磷和氮的吸收以及增加活性氧水平。转录组分析表明，磷通过上调关键代谢途径（如糖酵解、脂肪酸合成和三酰甘油生产）促进了细胞生长和脂质生物合成，同时激活了钙信号传导和丝裂原活化蛋白激酶级联反应。总体而言，这些发现强调了磷在促进微藻生产力和营养物质去除中的关键作用，为生物燃料生产和高磷废水处理提供了宝贵的见解。

引言

含过量磷的磷化工厂排放物对城市地表水系统构成严重生态威胁，可能导致长期环境退化[1]、[2]。例如，中国市政污水处理厂污染物排放标准（GB 18918–2002）规定排放物中的总磷浓度不得超过0.5 mg L^?1[3]。因此，开发先进的磷去除技术对于缓解水体富营养化和由过量磷排放引起有害藻类繁殖至关重要。

虽然物理化学处理方法（如膜过滤和高级氧化工艺）在废水处理中能有效去除污染物，但其广泛应用受到非特异性去除机制和高运行成本的限制[4]。一种更可持续的策略是利用微藻进行生物修复，这些微藻是具有多重功能的光合微生物，能够在定制的培养系统中同时回收高浓度的氮和磷，并从周围空气和工业烟气中捕获二氧化碳[5]、[6]。这些多用途微生物可以通过光自养或混合营养培养方法进行培养，为碳封存和废水生物修复提供综合解决方案。微藻将废水处理过程转化为循环系统，以污染物为养分的同时产生氧气和可收获的生物质。传统方法需要化学药剂和加热/过滤所需的能量，而藻类系统则通过自然光合作用实现自我调节[6]、[7]。这种以微藻为主的方法不仅符合排放标准，还能产生碳信用和生物肥料。此外，微藻生物质衍生的脂质是生物柴油生产的可行可再生原料，为交通运输领域提供了可持续的替代方案[6]、[8]。

在富含氮和磷的废水中培养微藻已被证实是一种有效的生物修复策略，例如Chlorella sp.、Scenedesmus sp.和Spirulina sp.[3]、[9]、[10]、[11]。Monoraphidium sp.因其出色的营养物质去除和脂质生产能力而特别受到关注[12]、[13]、[14]。特别是Monoraphidium sp. QLZ-3，由于其生命周期短、生长迅速、脂质含量高以及适应多种培养模式和条件（包括混合营养和各种废水系统）的能力，被用作生物柴油生产和营养物质去除的可持续原料[12]、[15]、[16]。为了最大化微藻生物量生产力，已经证明了两阶段培养策略能有效优化细胞生长和营养物质去除效率[17]、[18]。气泡柱光生物反应器（BC-PBRs）在微藻培养中表现出优异性能，其特点是高效的气泡混合和最小的剪切应力，从而保持细胞完整性[19]、[20]。该系统实现了高氧气转移率，同时保持了最佳的CO₂溶解效率，这对最大化光合作用生产力至关重要[21]。然而，以往的研究主要集中在高磷条件下氮缺乏或受限情况下微藻脂质积累的增强[3]、[22]、[23]。更重要的是，微藻对高磷压力的响应存在明显矛盾，其背后的调控机制尚不明确。关于在高磷条件下微藻细胞生长的研究结果也存在矛盾[24]、[25]。因此，还需要阐明BC-PBRs中Monoraphidium sp. QLZ-3的磷介导的细胞生长、脂质积累和磷吸收效率的生理和分子调控机制。

本研究深入探讨了特定藻株Monoraphidium sp. QLZ-3在高磷压力下的独特生理反应，并通过转录组分析系统地阐明了高磷如何促进微藻生长、脂质合成和磷代谢的机制。研究了微藻的生化特性、能量产生、脂肪酸谱和活性氧（ROS），并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行分子表征。此外，还分析了高磷处理后微藻衍生的生物柴油的性质，以评估其作为高质量生物燃料可持续原料的潜力。我们的研究结果为开发一个整合微藻培养的生态经济框架提供了支持，该框架可用于同时处理富含磷的废水和生物能源生产。

实验设置

接种的微藻和实验装置

本研究选用了从贵州湖泊获得并保存在云南科技大学的Monoraphidium sp. QLZ-3菌株[26]。该菌株在含有10 g L^?1葡萄糖的标准BG-11培养基的500 mL锥形瓶中培养了8天。补充葡萄糖主要是为了促进种子细胞的积累。微藻在控制条件下（包括温度）在摇床上进行培养

磷对微藻生长和脂质生物合成的调控

高磷浓度显著促进了微藻细胞生长和生物量积累（图1A和C）。当磷浓度在50至200 mg L^?1范围内时，生物量和生产力显著增加。最佳磷浓度为50 mg L^?1，此时生物量（2.85 ± 0.06 g L^{?1?1d?1 ± 7.07）分别比对照组提高了1.41倍（p < 0.01）和1.5倍（p < 0.01）}

结论

本研究评估了一种用于处理模拟高磷废水的综合微藻培养系统，有效去除了磷，同时产生了有价值的生物质和脂质副产品。使用50 mg L^?1的磷进行处理时，取得了优异的性能指标：碳固定率为504.07 mg CO₂ L^?1d^?1，生物量生产力为275 mg L^?1d^?1，脂质产率为129.53 mg L^?1d^?1，能量输出为75.28 kJ L^?1

作者贡献声明

林世宇：撰写——初稿，研究，数据管理。尤金坤：研究，正式分析。赵永腾：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。王庆伟：研究，数据管理。齐颖：数据可视化。黄飞燕：正式分析。余旭娅：撰写——审稿与编辑。余磊：撰写——审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明与本研究无利益冲突。

致谢

本研究得到了多方面的资金支持：国家自然科学基金（编号：32560898）、云南省青年人才支持计划（编号：XDYC-QNRC-2024-176）、云南省高校服务重点产业科技项目（项目编号：FWCZ-ZNT2025014）、云南省基础研究项目（项目编号：202401AU070012和202501AT070064）、云南省教育厅科学研究基金（编号：2024J0768）