重庆大学晏鹏课题组CEJ：聚集形式对微藻光生物产氢及其代谢的影响

图文摘要

成果简介

近日，重庆大学环境与生态学院晏鹏课题组在环境领域期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“New insights into microalgal photobiological hydrogen production: Potential role of aggregation forms in modulating the hydrogenase activity and metabolic properties of microalgae during hydrogen production”的研究论文。该文探究了不同聚集体形式（自絮凝、生物膜附着和凝胶固定）对原核和真核微藻（Synechocystis sp.和Chlamydomonas reinhardtii）光生物产氢的影响。结果表明：微藻的凝胶固定聚集体具有更低的孔隙率和氧气扩散系数等优于其他形式聚集体的理化特征，为增强氢化酶活性创造了有利条件。与其他聚集形式相比，凝胶固定聚集形式下微藻的氢酶活性、光合活性和胞内有机物消耗等代谢活性进一步增强，对微藻光生物产氢的促进效果更好。

微藻光生物产氢是一种无碳、绿色、可持续的清洁能源生产方法。然而，微藻光生物产氢易受环境影响，尤其是微藻氢酶对氧气的低耐受性，导致其产氢持续时间短、产量低，限制了微藻产氢的工业化发展。在自然水体或工程设施中，微藻可通过自发或人为操纵的方式形成不同形式的聚集体，这不仅提高了它们对外部环境胁迫的抵御能力，更好地应对营养缺乏、酸性PH值等问题，且聚集体内部的厌氧微环境也有利于微藻氢酶的表达，促进微藻的光生物产氢。因此，聚集体的形成有利于微藻克服环境限制，提高其产氢能力。由于不同形式微藻聚集体的结构稳定性和光透过率等理化特征各不相同，不同的微藻藻种（原核和真核）对不同聚集体形式的生理代谢响应也存在显著差异，这些因素影响了微藻的生长代谢和产氢能力。因此，有必要探究不同聚集体形式对微藻光生物产氢的影响，筛选出更适用于微藻产氢的聚集形式以提高其工程应用潜力。

图文导读

不同聚集体形式下微藻的光生物产氢特征

图1. 不同聚集体形式下Synechocystis sp.的产氢量、氢酶活性和氧气含量变化（a-c）。不同聚集体形式下C. reinhardtii的产氢量、氢酶活性和氧气含量变化（d-f）。

在三种聚集体形式下Synechocystis sp.和C. reinhardtii对氧气的消耗明显增强，光生物产氢量和氢酶活性因而得到显著提高。尤其是在凝胶固定聚集体形式下，两种微藻对氧气的消耗速率更快，产氢量分别提高到46.3和1226.4 µmol H₂/mg Chl，氢酶活性提高到2.07和32.9 μmol H₂/(mg Chl·h)。

不同形式微藻聚集体的理化特征差异

图2. Synechocystis sp.不同形式聚集体的光透过率、孔隙率和完整性（a）和氧气扩散系数（b），以及Synechocystis sp. 不同形式聚集体的产氢量与其理化特征的相关性分析（c）。C. reinhardtii不同形式聚集体的光透过率、孔隙率和完整性（d）和氧气扩散系数（e），以及C. reinhardtii不同形式聚集体的产氢量与其理化特征的相关性分析（f）。

相比于其他聚集体形式，Synechocystis sp.和C. reinhardtii的凝胶固定聚集体的完整性更高，孔隙率和氧气扩散系数更低，具有更有利于微藻光生物产氢的理化特征。通过相关性分析可知，不同聚集体形式下微藻的氢气产量与聚集体的完整性呈正相关，与聚集体的孔隙率呈负相关，这证实了凝胶固定聚集体在理化特征层面强化微藻光生物产氢的优势。

不同聚集体形式下微藻的光合活性及其他代谢活性变化

图3. 不同聚集体形式下Synechocystis sp.的相对光合活性（a）、糖原含量和ATP含量（b）以及TN和TP吸收（c）的变化。不同聚集体形式下C. reinhardtii聚集体的相对光合活性（d）、淀粉含量和ATP含量（e）以及TN和TP吸收（f）的变化。

相对于自絮凝和生物膜附着聚集体形式，Synechocysti sp.和C. reinhardtii在凝胶固定聚集体形式下具有更高的光合活性和电子传递速率，光合系统能够以相对更快地速率为氢酶提供更多电子以进行质子还原。此外，凝胶固定聚集体形式下Synechocysti sp.和C. reinhardtii的胞内糖原/淀粉消耗更多、ATP含量更高，可为氢酶提供更多的额外电子，并且更好地维持微藻产氢以及其他代谢的活性。与Synechocysti sp.和C. reinhardtii凝胶固定聚集体形式下更高的光合活性相一致，两株微藻对TN和TP的吸收也得到了进一步增强。

不同聚集体形式下微藻光生物产氢的电子来源比例变化

图4. 光合抑制剂DCMU和DBMIB对不同聚集体形式下Synechocystis sp.产氢的影响（a-c）。光合抑制剂DCMU和DBMIB对不同聚集体形式下C. reinhardtii产氢的影响（d-f）。

通过添加两种不同类型的光合抑制剂，验证了Synechocysti sp.和C. reinhardtii在三种聚集体形式下，由胞内有机物提供的额外电子供给占微藻所有产氢电子来源的比例升高。在凝胶固定聚集体形式下Synechocysti sp.和C. reinhardtii的额外电子供给占比更高，能够更好地弥补因光合活性降低而造成的电子供给下降，从而提高微藻产氢的持续性。

图5. 不同聚集体形式下与Synechocystis sp.产氢相关的代谢通路的上调基因数目和倍数变化（a）以及其他重要代谢通路基因表达倍数变化（b）。不同聚集体形式下与C. reinhardtii产氢相关的代谢通路的上调基因数目和倍数变化（c）以及其他重要代谢通路基因表达倍数变化（d）。

在三种聚集体形式尤其是凝胶固定聚集体形式下，与Synechocysti sp.和C. reinhardtii氢酶及其辅助因子表达相关的代谢通路中，不仅表达上调的基因数目更多且平均上调倍数更高，这有助于提高氢酶的活性。此外，在凝胶固定聚集体形式下，与Synechocysti sp.和C. reinhardtii光合作用代谢通路相关的基因以及糖酵解和PFOR通路相关的基因，平均上调倍数也高于其他聚集体形式，这证实了凝胶固定聚集体形式对微藻产氢电子供给更强的促进作用。值得注意的是，在凝胶固定聚集体形式下，C. reinhardtii的氧化磷酸化以及氧化应激相关通路的基因表达上调更显著，使得其能量代谢和过氧化物去除能力强于Synechocysti sp.，从而具有更强的持续产氢能力。

不同聚集体形式强化微藻光生物产氢的差异及机制

图6. 不同聚集体形式下与Synechocysti sp.（a）和C. reinhardtii（b）光生物产氢相关的生理代谢参数主成分分析。不同聚集体形式下与Synechocysti sp.（c）和C. reinhardtii（d）光生物产氢相关的代谢通路基因表达网络分析。不同聚集体形式促进微藻产氢的机制（e）。

主成分分析的结果表明，微藻在不同聚集体形式下的氢气产量与聚集体的完整性以及微藻光合活性参数（QY、QP、ETR）呈正相关，与聚集体的孔隙率和氧气扩散系数以及微藻的胞内有机物浓度和氧气含量呈负相关。微藻的凝胶固定聚集体以其更高的完整性和更低的氧气扩散系数，以及该聚集体形式对微藻光合活性、氧气和胞内有机物消耗更强的促进作用，而被证明更适用于增强微藻的光生物产氢。网络分析的结果进一步证实了凝胶固定聚集体形式对微藻的氢酶、光合系统以及胞内有机物降解等相关通路基因表达具有更强的上调作用。因此，综合上述分析可知，微藻在通过不同聚集方式形成聚集体后，聚集体内部的氧气和光传递等产生了明显的梯度差异。而随着微藻呼吸作用的进行，微藻的聚集体内部形成了有利于氢酶表达的厌氧微环境。同时，有机物的持续消耗进一步为氢酶提供了除光合电子以外更多的额外电子，从而促进了微藻的产氢。在三种聚集方式中，凝胶固定聚集体更有效地控制了氧气的扩散、提高了电子的供给和利用，从而成为更适用于增强微藻光生物产氢的聚集体形式。