研究进展微藻对硼胁迫的耐受性及其在硼

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研究亮点:

l微藻对硼(B)的耐受能力很强,可以在B≤25mg/L的条件下正常生长;

l在硼胁迫下,油脂产量增加50%,淀粉产量提高3倍;

l微藻具有较强的B去除能力(3.35mg/g),主要通过细胞吸收的方式除B;

l微藻通过MAPK信号通路上调B转运和碳代谢等方式缓解B胁迫。

研究背景:

硼(B)及其化合物在工业生产中广泛应用,如,玻璃、半导体、催化剂、药物、能源等行业。工业活动贡献了地球上90%的B通量,B的排放量约为2.3Tg-B/年。硼是一种微量元素,对于动植物的生命活动具有重要作用,但是B过量会抑制植物细胞分裂和叶绿素合成,从而影响光合作用;引发动物和人类心血管、神经和消化系统疾病,并且危害生殖系统。世界卫生组织和很多国家要求饮用水中的B浓度低于2.4mg/L和1.0mg/L。目前,含B废水的处理以物理化学方法为主,如,化学沉淀法、离子交换树脂法、反渗透膜技术、电混凝法、吸附法等,或多种方法组合联用,但是需要消耗大量的化学试剂、电能、膜材料、吸附剂等。由于B具有杀菌特性,生物法除B受到一定限制。

微藻是制备生物柴油的绝佳原料,同时具有去除重金属、药物、染料等有毒污染物的能力。研究发现,微藻对硼的耐受能力远高于陆生植物(4.5vs.1,mg/L),暗示微藻具有除硼的潜力。B作为一种污染物,同时也是群体感应信号分子(AI-2)的核心元素,参与多种生物活性物质的合成,因此B胁迫可能通过诱导信号系统调节生物除硼过程。因此,我们提出假设:微藻可以用于生物除硼同时生产生物质资源。然而,微藻响应B胁迫调节细胞生长代谢及其除B机制目前尚不清楚。本研究选取富油小球藻Chlorellaregularisvar.minimaFACHB-为模式藻种,探究B胁迫下微藻的生长、B的去除,以及生物资源累积等,揭示了微藻对B的耐受机制和信号调控路径。

研究结果:

(1)微藻可以耐受高浓度的B胁迫,在B浓度≤25mg/L条件下,细胞生长无明显下降,并且最大生物量达到4.5g/L;

(2)微藻生长过程中污水中的B浓度逐渐降低,B去除速率为1.08mg/(L·d),微藻对B的最大去除能力可达3.35mg/g;

(3)微藻主要通过细胞吸收的方式去除污水中的B,胞内过量的B与蛋白、含碳组分结合。在过量B的胁迫下,微藻细胞的油脂和淀粉含量增加,两者的产率分别为.65mg/(L·d)和.35mg/(L·d);

(4)B胁迫诱导MAPK信号路径促进B外排和糖酵解代谢,增强了微藻对B的耐受能力。然而,B浓度达到50mg/L超过微藻的调节范围,会导致细胞中毒和生长抑制。

本研究发现了信号调节对有毒污染物生物去除的重要作用,为含硼废水的资源化提供了新的思路。

研究团队:

东北师范大学环境学院周丹丹课题组,主要从事废水处理与资源化方向的科学研究与技术开发工作。周丹丹,教授/博导,环境学院院长,吉林省水污染控制与资源化工程实验室主任,国家级人才、吉林省突出贡献专家。团队近年来主持国家级、省部级等科研项目20余项,在环境领域权威期刊发表论文余篇,授权发明专利20项,转化专利技术2项。

通讯作者:

付亮,东北师范大学环境学院副教授,研究方向为废水生物处理与资源化。

第一作者:

闫阁,东北师范大学环境学院博士研究生,研究方向为污水培养微藻及污染物去除。

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