表面活性剂胁迫对小球藻吸收氮磷的影响及分子机制

Algae is ubiquitous in aquatic environment, and algal biofilm system can be utilized in removal of nitrogen and phosphorus in municipal waste water treatment. Though surfactants usually coexist with nitrogen and phosphorus in water treatment, the effect of surfactants on the sorption of nitrogen and phosphorus is very limited. This proposal aims to investigate the effect and its molecular mechanism of surfactant stress on sorption of nitrogen and phosphorus with selecting Chlorella vulgaris (a single-celled green alga) as model. Based on the acquaintance of dynamic characteristics in sorption of nitrogen and phosphorus with different forms, the sorption rate will be investigated under the stress of surfactants with different kinds of charge. Meanwhile, the variation of algal cell (cell membrane and cell nucleolus, chondriosome and chloroplast, content of chlorophyll and net rate of photosynthesis) will be detected. Furthermore, the key genes of Chlorella vulgaris, which are related to metabolism of nitrogen and phosphorus, will be identified by sequencing and databases searching of isolated Expressed Sequence Tag (EST）from the constructed suppression subtractive cDNA library induced by nitrogen and phosphorus.The transcription differences of the key related genes in the sorption of nitrogen and phosphorus under the stress of surfactants will be analyzed, which can elucidate the stress mechanism at molecular level. The results are important to enhance the sorption theory of nitrogen and phosphorus by algae in environment, meanwhile are important to guide the application of algae in removal of nitrogen and phosphorus in water treatment.

藻类广泛存在于水环境，其生物膜体系在城市污水脱氮除磷过程中具有良好运用前景。水处理中与氮磷共存表面活性剂等有机污染物，但目前关于表面活性剂胁迫对藻类吸收氮磷的影响缺乏深入认识。本项目以小球藻为代表，研究表面活性剂胁迫对藻类吸收氮磷的影响及分子机制。在了解其吸收不同形态氮磷动力学特征的基础上，考察表面活性剂胁迫下小球藻吸收氮磷的效率。通过测定细胞膜性状，细胞核、线粒体及叶绿体的形态，以及叶绿素含量和净光合作用速率，明确表面活性剂胁迫下氮磷吸收过程中藻细胞性状的变化。构建氮磷诱导小球藻抑制性差减文库，通过全文库测序进行表达序列标签的同源比对和功能分类，筛选出小球藻氮磷吸收的关键基因，并以此为靶基因采用Real-time PCR技术分析表面活性剂对其转录量的影响，从分子水平上深入阐明胁迫机制。研究成果可丰富水环境中藻类对氮磷的吸收理论，对指导藻类脱氮除磷的实际运用具有重要意义。

利用藻类进行污水脱氮除磷已引起广泛的关注。然而污水中一些共存的表面活性剂等有机污染物会影响藻类对氮磷的吸收去除，但目前关于表面活性剂胁迫对藻类吸收氮磷的影响缺乏深入认识。因此本项目研究了不同电荷表面活性剂对小球藻生长动力学及氮磷吸收动力学的影响，同时探究了不同碳链长度的表面活性剂对小球藻氮磷吸收的影响，并从细胞性状以及蛋白水平和基因水平上深入探究了表面活性剂胁迫下小球藻对氮磷的吸收机理。主要结果如下：（1）阳离子表面活性剂（QACs）相对于阴离子和非离子表面活性剂对小球藻生长及氮磷吸收的抑制作用最为明显，且随着QACs碳链长度的增加抑制作用增强。（2）低剂量QACs可增强藻细胞的光合活性，从而诱导藻体产生兴奋效应，促进对氮磷的吸收。且随着QACs碳链长度的增加，使小球藻产生兴奋作用的浓度越低。（3）高剂量QACs改变了细胞表面的光滑程度，随着CTAC浓度增加(0-0.5 mg/L)，细胞表面逐渐向内凹陷，细胞分泌的胞外聚合物EPS含量降低，致使CTAC穿过细胞膜，造成细胞膜损伤（膜通透性由1增加至2.89倍），且降低了小球藻光合活性（叶绿素含量，光合荧光强度和ATP合成量下降），从而抑制藻细胞的生长和对氮磷的去除。（4）蛋白组学和同位素分馏的研究表明，小球藻对氨氮的吸收主要与谷氨酸代谢，谷氨酸代谢可直接将吸收的氨氮转化为谷氨酸和谷氨酰胺中间代谢产物；其次，小球藻对磷的吸收转化主要与光合作用中ATP的合成相关，能在ATP酶的作用下将磷转化为ATP维持细胞代谢所需的提供能量。而CTAC的加入，使小球藻氮磷代谢均受到抑制。主要表现为 CTAC吸附于小球藻表面后，小球藻摄取氨氮的流速下降，吸收进入细胞内的氨氮减少，且参与氮代谢的谷氨酰胺合成酶和谷氨酰胺还原酶的活性受到抑制。此外，CTAC抑制正磷酸盐的吸收，导致细胞内的酸性磷酸酶活性增加用以水解胞内储存的磷来维持生长。研究结果发表在Bioresource Technology和Aquatic toxicology等SCI学术期刊，参加四次国内外学术会议，进行口头汇报交流。