从蛋白质组学的角度探讨不同铁价状态对微藻培养水质及溶解有机物分泌的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Proteomic perspectives on the effects of different iron valence states on the culture water quality of microalgae and the secretion of dissolved organic matter

　　

林琴|尹志宏|孙子英|吴振宁|朱连东|周少琪

资源与环境工程学院，教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，贵州大学，贵阳550025，中国

摘要

铁源对微藻的影响已得到广泛研究。本研究具体探讨了不同铁价态对培养水质以及微藻分泌溶解有机物质（DOM）的影响，并利用蛋白质组学进一步阐明了其背后的分子机制。结果表明，纳米级的零价铁（Fe⁰）和三价铁（Fe³⁺）均增加了蛋白质含量，浓度分别达到98.43 mg/L和99.40 mg/L。此外，亚铁（Fe²⁺）和Fe³⁺在早期显著提高了光合作用效率，但其后续效率下降是由于LHCB1、LHCA2和LHCA4蛋白的表达下调，从而降低了微藻的光捕获能力。添加Fe⁰显著增强了化学需氧量的去除效率，达到60.93%。在Fe³⁺的作用下，氨氮的去除率达到了88.05%，这得益于CAH蛋白的表达显著上调。不同铁价态诱导微藻分泌的DOM主要由蛋白类物质、腐殖质和色氨酸组成。DOM的减少以及某些成分在标准光谱库中的缺失，很可能是由于蛋白质折叠缺陷，这些缺陷降低了参与内质网活动和蛋白质输出的蛋白质（如HUGT、HSPA5、SRPRB和SPC2蛋白）的表达。研究不同铁价态对微藻净水和DOM分泌的影响有助于开发微藻-水相互作用模型，为微藻在水生态修复中的应用提供理论基础。

引言

微藻生物技术是环境治理和水污染处理领域的前沿技术，具有推动绿色和可持续转型的巨大潜力[1]。这些光合微生物既能进行自养代谢也能进行异养代谢，主要通过吸收氮和磷等营养物质来参与废水处理，这一功能在环境修复领域受到了广泛关注[2]。然而，随着工业废水的复杂性增加，仅依靠微藻的代谢能力已难以满足高效处理的需求[3]。因此，研究人员探索了外源添加剂与微藻之间的协同作用，以提高废水处理效率并扩大微藻资源的利用[4]。

铁对微藻的生命活动起着关键调节作用，是光合作用电子传递和呼吸代谢不可或缺的成分[5]。作为光合作用系统I和II的核心成分，铁（主要以Fe²⁺/Fe³⁺的形式存在）对叶绿素合成、电子传递链的组装以及微藻中氮代谢的调节至关重要[6]。研究表明，外源补充可利用铁可以提高微藻的环境适应性和处理性能。例如，Torres-Franco等人（2025年）发现纳米级零价铁在基于微藻的废水处理过程中促进了病毒RNA和大肠杆菌的去除[7]。另一项研究显示，在市政废水中添加6 mg/L的铁和0.5 mg/L的锌后，微藻生物量增加了72%，化学需氧量（COD）、总氮和总磷的去除效率分别提高了96.4%、99.8%和98.4%[8]。这些研究强调了铁在促进微藻生长和增强废水修复方面的显著作用。

然而，铁存在多种价态，这些不同的价态可能通过不同的机制调节微藻的生长。近年来的大量研究表明，铁的生物有效性与其化学形式密切相关[9][10]。铁的主要形式包括零价铁（Fe⁰）、亚铁离子（Fe²⁺）和三价铁离子（Fe³⁺），它们在微藻代谢中表现出显著的生物学差异。零价铁（nZVI）由于体积小且表面积大，容易吸附在微藻表面，其高生物相容性使其易于被微藻吸收和利用[5]。据报道，亚铁离子（Fe²⁺）因溶解度较高而更容易被微藻细胞吸收，但过量的Fe²⁺会引发芬顿反应，导致氧化损伤[11][12]。研究表明，三价铁（Fe³⁺能够通过诱导微藻细胞分泌铁载体而进入细胞[13]。这种价态依赖性效应不仅影响微藻的生长动力学，还可能通过调节细胞外聚合物（EPSs）的分泌来改变水柱中的有机物组成，进而影响修复系统的长期稳定性[14]。然而，大多数现有研究仅关注单一铁形式的剂量效应。缺乏对不同铁价态诱导的分子响应机制的系统解析，严重限制了铁调控策略在基于微藻的水处理系统中的精确应用。

溶解有机物质（DOM）是一种由微生物产生并随后分泌到环境中的天然抗氧化剂[15]。DOM在微藻-水相互作用中起着关键作用，其组成特征直接影响水体的自净能力和修复效率[16]。微藻分泌的DOM富含蛋白质、多糖和腐殖质，可作为碳源促进异养微生物的生长，并通过络合作用改变重金属的生物有效性[17]。铁的价态可能通过影响微藻细胞膜的通透性和代谢途径来调节DOM的分泌模式。但目前大多数研究仅关注DOM总量的变化，对于DOM的分子组成特征与铁形态之间的构象关系以及相关蛋白质表达调控网络仍缺乏深入了解。

为了解决这些问题，本研究以普通小球藻（Chlorella vulgaris）为模型生物，将其暴露于Fe⁰、Fe²⁺和Fe³⁺下。系统研究了铁价态对微藻水处理性能和DOM分泌的影响，内容包括：（i）铁价态依赖性的氮和磷去除的动力学和机制；（ii）铁引起的DOM组成和分子特征的变化；（iii）差异表达蛋白与营养物质去除及DOM分泌之间的关系。这项工作深化了对微藻-铁相互作用的理论理解，为优化基于微藻的水处理系统中的铁补充提供了科学依据，并阐明了水修复过程中DOM分泌的分子机制。该研究结合了铁价态依赖性动力学、DOM分子表征和蛋白质组学分析，揭示了基于微藻的水处理的机制基础，从而扩展了传统营养物质去除研究的范围。

章节摘录

合成废水和药物制备

本研究中使用的废水为低浓度氨氮废水[18]。不同价态的铁源包括纳米级零价铁（nZVI，Fe⁰）、FeSO?·7H?O（Fe²⁺）和FeCl?·3H?O（Fe³⁺）（文本S1）。

微藻菌株和培养条件

本研究使用的微藻为普通小球藻（C. vulgaris），来自中国武汉大学。普通小球藻首先在含有BG-11培养基的锥形烧瓶中进行预培养，随后转移到光生物反应器中

水质分析

在探讨不同铁价态促进微藻生长的背景下，监测和分析废水质量至关重要。如图1所示，第14天时，微藻的COD去除率为50.23%，而添加Fe⁰后，微藻介导的COD去除率提高到60.93%。然而，Fe²⁺和Fe³⁺对微藻去除COD的影响不显著，分别为51.01%和54.88%。微藻对NH₄⁺-N的去除效果

培养水质参数去除机制分析

本研究表明，在促进微藻生长的最佳铁浓度下，不同价态的铁对水质参数的去除效果有所增强。添加Fe⁰实现了最高的微藻COD去除效率。最佳的铁剂量可能刺激了微藻生长，从而增强了直接的营养物质吸收和细胞内有机碳的矿化[38]。此外，3D荧光成像显示nZVI显著改变了DOM的组成

结论

蛋白质组学分析表明，在初始阶段，不同铁价态增强了微藻的光合作用活性，但在后期显著下降，这归因于微藻的光捕获能力降低。具体来说，零价铁（nZVI）使微藻的COD去除率提高了60.93%，而三价铁（Fe³⁺使NH₄⁺-N的去除率提高了88.05%。所有铁形式都略微促进了PO₄^3?-P的去除，整体呈现出去除趋势的增加

CRediT作者贡献声明

尹志宏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，软件使用，资源提供，实验设计，概念构思。林琴：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学设计，数据整理，概念构思。周少琪：撰写 – 审稿与编辑。朱连东：撰写 – 审稿与编辑。吴振宁：撰写 – 审稿与编辑。孙子英：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42307347和42567062）、贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号611）、贵州大学高层次人才研究与平台建设经费（项目编号600195233301）以及贵州省教育科技创新团队（项目编号Qian Jiao Ji [2023]056）的支持。

作者声明他们没有利益冲突。