《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Carbon sources regulate extracellular polymeric substance molecular architecture to alter antibiotic removal pathways and lipid accumulation in microalgae
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何红梅|刘芳园|卜卓宇|王淑莲|程龙|程凯|张一博湖北工业大学湖泊与河流环境地质技术与生态修复重点实验室；中国武汉430068摘要水生系统中的抗生素污染需要采用结合污染物削减、生物质回收和资源利用的处理策略。本研究探讨了两种外部碳源——碳酸氢钠和醋酸钠——如何调节小球藻（Chlo
何红梅|刘芳园|卜卓宇|王淑莲|程龙|程凯|张一博
湖北工业大学湖泊与河流环境地质技术与生态修复重点实验室；中国武汉430068
摘要
水生系统中的抗生素污染需要采用结合污染物削减、生物质回收和资源利用的处理策略。本研究探讨了两种外部碳源——碳酸氢钠和醋酸钠——如何调节小球藻（Chlorella）中对磺胺甲噁唑（SMX）的去除、胞外聚合物物质（EPS）的分子结构、生物质积累以及脂质积累。这两种碳源均能缓解SMX引起的生理压力，但它们的作用机制有所不同。碳酸氢钠主要促进EPS的聚集和沉淀，使平均沉淀率从对照组的16.54%提高到69.37%，并有利于形成结构紧密的EPS；而醋酸钠也增强了沉淀作用，使平均沉淀率升至65.71%，但其主要作用在于SMX的削减和资源回收。在2毫克/升（mg/L）的SMX浓度下，醋酸钠将SMX的去除效率从21.81%提升至58.15%，其中生物降解占总去除量的45.85%。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析显示，醋酸钠诱导了富含氮和硫的EPS分子结构，表明其胞外基质在SMX转化过程中发挥了更重要的作用。靶向转录组学分析进一步发现，醋酸钠上调了与谷胱甘肽介导的解毒、氧化还原代谢、氨基基团转化及碳重新分配相关的基因，包括GST/gst、GLO1/gloA、DLD、GLUD1_2/gdhA和ASP5/GOT1。此外，在2毫克/升的SMX浓度下，醋酸钠使脂质含量从55.01%增加到66.08%，并保持了适合生物柴油生产的脂肪酸组成。这些结果表明，碳酸氢钠主要通过EPS的聚集作用提高生物质的可回收性，而醋酸钠则更倾向于促进SMX的生物降解和脂质资源的回收。本研究为抗生素去除、生物质回收及微藻脂质转化提供了碳源调控策略。
引言
磺胺甲噁唑（SMX）是一种广泛使用的磺胺类抗生素，在水生环境和受废水影响的系统中经常被检测到，这引发了对其持久性、生态影响以及对水生初级生产者的潜在风险的担忧[1]、[2]。微藻作为抗生素削减的生物平台具有巨大潜力，因为它们可以通过生物吸附、生物积累和生物降解去除药物，同时产生可回收的生物质[3]、[4]。然而，抗生素压力会抑制光合作用、引发氧化损伤并减缓藻类生长，从而限制了污染物的去除和生物质的利用。
外部碳源的补充为克服这一限制提供了潜在途径。碳源可以调节微藻的代谢模式、耐受性、共代谢转化和脂质生物合成。特别是碳酸氢钠和醋酸钠代表了两种不同的碳吸收途径：碳酸氢钠主要支持无机碳的吸收和光合作用代谢，而醋酸钠可作为有机碳源促进混合营养生长和污染物的共代谢转化。先前的研究表明，碳源补充可以促进微藻对微污染物的去除、酶活性、胞外聚合物物质（EPS）的产生以及脂质的积累[5]、[6]、[7]。然而，无机碳源和有机碳源在调节抗生素去除途径和生物质利用方面的功能差异仍需进一步研究。
EPS是连接污染物相互作用、微藻聚集、沉淀和胞外转化的关键界面。大多数研究仅关注EPS的总量或一般功能基团，而EPS的分子结构及其依赖碳源的功能差异仍不甚明了。这一限制阻碍了人们对碳源如何影响抗生素去除途径和下游生物质回收机制的理解。高分辨率的EPS分子表征结合生理学检测和转录组学分析，可以更全面地了解碳源如何调节微藻的污染物去除和资源回收。
在本研究中，我们探讨了碳酸氢钠和醋酸钠如何调节小球藻（Chlorella）对SMX的耐受性、去除途径、EPS分子结构、生物质积累及脂质积累。具体目标包括：(i) 评估这两种碳源对藻类生理反应和SMX去除的影响；(ii) 确定碳源补充如何改变EPS的组成、分子特征、聚集和沉淀；(iii) 阐明EPS重构与抗生素转化和脂质积累之间的转录和代谢机制。这项工作为选择合适的碳源以耦合抗生素削减、生物质回收和微藻脂质转化提供了机制上的见解。
章节摘录
微藻培养和化学品
小球藻（Chlorella）（FACHB-5）购自水生生物学研究所的淡水藻类培养库，使用BG11培养基进行培养。光照培养箱内的条件设置为温度25±2°C，光照强度3000勒克斯（lx），光照周期为16小时光照/8小时黑暗。实验前进行了两周的预培养以适应实验室环境。SMX由上海源业生物科技有限公司提供。
不同碳源对微藻生长和抗氧化系统的影响
微藻生长是其对污染物压力耐受性的直接指标。在没有外部碳源补充的情况下，SMX暴露会抑制生物质积累；而在SMX压力下，醋酸钠处理的组别表现出更高的最终生物质量（图1a）。通过双因素方差分析（two-way ANOVA）和Tukey多重比较测试发现，醋酸钠处理组与0毫克/升（mg/L）SMX处理组相比，最终生物质量没有显著差异。
结论
增强污染物去除和增加脂质产量的双重优势使得这种方法在环境修复和生物燃料生产中具有应用前景。本研究表明，向小球藻培养物中添加醋酸钠和碳酸氢钠可显著提高抗生素去除效率、生物质回收率和脂质产量。其中，醋酸钠在SMX去除方面表现出更优异的效果，生物降解是主要去除途径。
作者贡献声明
刘芳园：数据验证、方法学设计、数据分析。何红梅：初稿撰写、方法学设计、概念构思、资金申请。王淑莲：数据分析、审稿与编辑。张一博：初稿撰写、项目监督、资金申请。程凯：审稿与编辑、数据分析。程龙：审稿与编辑、数据分析。卜卓宇：审稿与编辑、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号31800457）和湖北工业大学湖泊与河流环境地质技术与生态修复重点实验室开放项目资金（HJKFYP202502）的支持。此外，还得到了中央高校基本科研业务费（YCJJ20230106）的资助。计算工作在华中科技大学的高性能计算平台上完成。
