金屬離子對產(chǎn)油微生物油脂積累影響的研究進展

李濤，紀曉俊，吳娜，宗嘉駿，黃和，俞亞東（南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京211816）

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金屬離子對產(chǎn)油微生物油脂積累影響的研究進展

李濤，紀曉俊，吳娜，宗嘉駿，黃和，俞亞東
（南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京211816）

摘要：利用產(chǎn)油微生物合成含量豐富的油脂，對于解決石化能源日益緊缺問題，改善人類生活水平具有重要意義。金屬離子能影響產(chǎn)油微生物生長形態(tài)、細胞內(nèi)外滲透壓和油脂合成關鍵酶活力等，對產(chǎn)油微生物油脂合成有重要的調(diào)控作用。本文首先介紹了產(chǎn)油微生物的產(chǎn)油機制，隨后重點闡述了金屬離子對產(chǎn)油微生物油脂積累的影響及其分子機理，最后對進一步探討金屬離子在產(chǎn)油微生物發(fā)酵過程中的作用研究提出一些建議。文章指出由于產(chǎn)油微生物油脂合成途徑不盡相同，在工業(yè)上利用產(chǎn)油微生物生產(chǎn)油脂時，應從該微生物油脂合成的主要途徑入手，找出該途徑中的關鍵酶，隨后充分考慮不同微生物對金屬離子的耐受性、不同金屬離子對微生物形態(tài)和胞內(nèi)關鍵酶活力的影響，以及不同金屬離子之間對同種關鍵酶的活性中心是否存在競爭或協(xié)同的關系等，從而制定可行的金屬離子添加控制策略。

關鍵詞：金屬離子；酶；產(chǎn)油微生物；代謝；發(fā)酵；多不飽和脂肪酸；油脂

第一作者：李濤（1991—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：俞亞東，助理研究員，研究方向為產(chǎn)油微生物生理特性研究。E-mail yadongyu@ njtech.edu.cn。

隨著石油等資源緊缺問題日益突出，多渠道開發(fā)可再生油脂資源已成為大勢所趨。微生物油脂具有油脂含量高、碳源利用廣、生產(chǎn)周期短等特點，工業(yè)化開發(fā)潛力巨大。此外，產(chǎn)油微生物還能合成對人體生長和健康十分有益的功能性油脂，如花生四烯酸（arachidonic acid）、γ-亞麻酸（linolenic acid）、二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid）、二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid）等。因而開發(fā)利用產(chǎn)油微生物合成油脂，具有重要的社會和經(jīng)濟價值。

在適宜條件下，某些微生物能合成并儲存的油脂占其生物總量的20％以上，具有該特征的菌株稱為產(chǎn)油微生物[1-2]。已知細菌、酵母、霉菌、藻類中都有能產(chǎn)生油脂的菌株，但以酵母菌和霉菌為主。微生物油脂合成過程中，碳源和氮源是影響微生物代謝的兩種重要因素。事實上，除了碳源和氮源外，還有多種其他外界因素能影響產(chǎn)油微生物，其中即包含各種金屬離子。研究者早已發(fā)現(xiàn)，添加一定量的金屬離子對于產(chǎn)油微生物完成正常代謝活動和合成油脂是必要的[3]。然而金屬離子超過一定濃度后，即對產(chǎn)油微生物產(chǎn)生不利影響[4-5]。不幸的是，工業(yè)化生產(chǎn)中的一些金屬離子在發(fā)酵培養(yǎng)基中往往是超量的。這主要是由于：①工業(yè)生產(chǎn)中，很多發(fā)酵裝置都不可避免地由金屬制成，當這些金屬發(fā)酵裝置腐蝕時，金屬離子勢必會進入到發(fā)酵液中；②發(fā)酵用水、發(fā)酵原料中也可能會含有一些金屬離子。特別是近年來為了應對環(huán)境污染問題和降低發(fā)酵成本，許多企業(yè)采用一些金屬離子含量高的工業(yè)廢水、廢棄物作為生產(chǎn)原料[6]。這些超量的金屬離子嚴重影響了產(chǎn)油微生物的正常代謝過程，造成油脂合成量顯著下降，限制了微生物油脂的開發(fā)和利用。

為解決上述問題，一方面需要改進生產(chǎn)工藝，減少因設備腐蝕等原因造成的金屬離子含量升高；另一方面急需了解金屬離子影響產(chǎn)油微生物代謝的分子機制，從而有望改造現(xiàn)有產(chǎn)油微生物，以提高其對金屬離子的耐受性。鑒于此，本文對產(chǎn)油微生物油脂合成積累的機制以及金屬離子影響產(chǎn)油微生物研究作一綜述，以期幫助產(chǎn)油微生物油脂的工業(yè)化生產(chǎn)。

1　微生物產(chǎn)油機理簡介

經(jīng)過幾十年的研究，目前人類已經(jīng)對產(chǎn)油微生物油脂合成的機制有了較多的認識。在大多數(shù)產(chǎn)油微生物中，油脂合成分為4個階段：乙酰-CoA的形成、脂肪酸的合成、脂肪酸碳鏈的延長和去飽和、甘油三酯合成。在油脂合成最初階段，線粒體內(nèi)會通過檸檬酸循環(huán)（TCA）合成檸檬酸，積累的檸檬酸會通過線粒體膜上的蘋果酸/檸檬酸轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)運進入細胞質(zhì)中，然后再在ATP-檸檬酸裂解酶（ATP-Citrate lyase）的作用下裂解生成乙酰-CoA和草酸乙酸。乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶催化下轉(zhuǎn)化為丙二酰單酰-CoA。之后，由脂肪酸合酶復合體的催化下，經(jīng)過合成、還原、脫水、再還原反應實現(xiàn)鏈的延長，直到達到微生物普遍具有的脂肪酸長度（一般在C16～C18）見圖1[7-8]。在產(chǎn)油微生物中更長鏈的脂肪酸或不飽和脂肪酸等大都以軟脂酸為前體，經(jīng)過碳鏈延長（增加兩個碳原子）和脫飽和（引入一個雙鍵）兩個主要反應最終形成ω-3和ω-6系列的長鏈飽和與不飽和脂肪酸見圖1[9-12]（以產(chǎn)油酵母為例）。合成的脂肪酸長鏈大多會以甘油脂或磷脂的形式存儲。

在整個脂肪酸的合成代謝過程中涉及到多種酶的調(diào)節(jié)，這些酶大多數(shù)是可以結合金屬離子的金屬蛋白酶，為了使碳源更多的流向油脂合成方向，微生物油脂合成中需要不同酶的協(xié)同作用[13]。

2　金屬離子對產(chǎn)油微生物的影響

對微生物生長影響較大的幾種是鈉、鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅、銅等金屬離子。研究發(fā)現(xiàn)，這些金屬離子能夠?qū)Ξa(chǎn)油微生物的微生物形態(tài)和生長、胞內(nèi)外滲透壓和酶活力產(chǎn)生作用，從而影響產(chǎn)油微生物的油脂合成能力。以下將從微生物形態(tài)和生長、滲透壓和酶活力3個方面闡述金屬離子對產(chǎn)油微生物的影響機制。

2.1金屬離子對產(chǎn)油微生物形態(tài)和生長的影響

在產(chǎn)油真菌發(fā)酵方面，菌絲體形態(tài)可以影響到細胞氧氣傳質(zhì)、營養(yǎng)物傳遞和發(fā)酵液黏度等。因此，微生物形態(tài)的好壞對產(chǎn)油的高低起著至關重要的作用。例如，在高山被孢霉發(fā)酵產(chǎn)花生四烯酸中，培養(yǎng)基成分能很大程度上影響菌絲體形態(tài)，進而改變產(chǎn)物產(chǎn)率。其中鎂離子、鈣離子等金屬離子的添加，對于高山被孢霉的最佳菌絲體形態(tài)的形成尤為重要[14]。當鎂離子、鈣離子少量添加時，會使菌絲體成球狀，增加了氧的傳質(zhì)，同時避免了剪切力增加對菌絲體的傷害。但當添加比例過高時，會使菌絲體形態(tài)成糊狀，不利于氧傳遞[14]。BRAUN等[15]也證實鈣離子能導致菌絲聚集和菌球形成，推測可能是鈣離子能改變了孢子和菌絲的表面電荷。HIGASHIYAMA等[16]在發(fā)酵高山被孢霉（Mortierella alpina）中添加鈣離子、鎂離子發(fā)現(xiàn)金屬離子可以改變菌絲體形態(tài)促進菌體成球，影響氧的傳遞效率進而影響油脂產(chǎn)量。雖然目前已發(fā)現(xiàn)金屬離子對產(chǎn)油微生物菌絲體的形態(tài)有顯著影響，但其影響機理尚未完全探明，更沒有建立恰當?shù)男螒B(tài)學參數(shù)來指導金屬離子的添加。

圖1　產(chǎn)油酵母油脂合成的一般途徑

2.2金屬離子滲透壓對產(chǎn)油微生物油脂積累的影響

產(chǎn)油微生物種類繁多，挖掘自不同的生長環(huán)境，有些微生物對滲透壓有著特殊的要求。例如，從海水中篩選出來的產(chǎn)油菌株對滲透壓的要求很高，恰恰是一些金屬離子（Na+、K+）可以改變滲透壓以適應菌株生長需要。另一方面，隨著工業(yè)利用金屬離子含量高的廢水、廢棄物發(fā)酵，使得工業(yè)生產(chǎn)中，許多產(chǎn)油微生物培養(yǎng)基中鹽度大大增加，滲透壓的這一變化嚴重影響了微生物生長。因此，在金屬離子對產(chǎn)油微生物酶活影響之外，還存在著金屬離子濃度通過產(chǎn)生的不同滲透壓來影響產(chǎn)油微生物生長。目前探討滲透壓對產(chǎn)油微生物影響時，主要針對鈉離子、鉀離子，而其他金屬離子是否通過改變滲透壓影響產(chǎn)油微生物，已有文獻中探討較少。

研究發(fā)現(xiàn)，在外加金屬離子（鈉離子、鉀離子）滲透壓脅迫下，微生物可以通過合成一定量兼容的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來調(diào)整細胞的滲透勢和膨壓，以適應外界環(huán)境的滲透勢變化，這種機制普遍存在于所有生物之中。這類滲透調(diào)節(jié)物被稱為“相容性溶質(zhì)”，目前發(fā)現(xiàn)的相容性溶質(zhì)可以分為3種：氨基酸（如Pro）、季胺類化合物（如甜菜堿）以及多元醇或多元糖（ 如甘油、甘露醇、山梨醇和蔗糖）[17]。本文作者課題組在考察了不同滲透脅迫（0、10g/L、20g/L、30g/L和40g/L NaCl）對裂殖壺菌（Schizochytrium sp.）HX-308發(fā)酵產(chǎn)DHA及脂肪酸構成的影響。結果表明：20 g/L NaCl最有利于裂殖壺菌生長和DHA積累，此外，在低滲（10g/L NaCl）和高滲（40g/L NaCl）條件下，外源添加相容性溶質(zhì)也能有效促進裂殖壺菌積累DHA[18]。

BOROWITZKA等[19]發(fā)現(xiàn)添加NaCl改變杜氏鹽藻（Dunaliella）滲透壓情況下，可以影響甘油酯的合成。HO等[20]在研究滲透壓對海洋產(chǎn)油微藻影響時，發(fā)現(xiàn)添加NaCl濃度為1mol/L時，微藻油脂含量較0.5mol/L提高10％左右。FUJII等[21]在產(chǎn)油菌株布朗尼葡萄藻（Boekelovia hooglandii）發(fā)酵中，加入不同濃度的NaCl，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)NaCl濃度的提高，有助于脂肪酸鏈的延長和不飽和程度的提高。這些例子均可能是微生物自身產(chǎn)生相容性物質(zhì)來抵消滲透壓變化的結果，不同微生物產(chǎn)生的相容性物質(zhì)不同（裂殖壺菌是甘氨酸甜菜堿），因此，通過了解相容性溶質(zhì)對微生物的影響機理，在改變滲透壓的同時配合添加特定的相容性溶質(zhì)，也會有助于微生物生長性能提高。

事實上，某些金屬離子還可以通過改變細胞通透性控制膜上的物質(zhì)轉(zhuǎn)運來影響產(chǎn)油微生物代謝活動，其中鈣離子是其中典型的例子。崔振陽[22]在皮狀絲孢酵母發(fā)酵中添加4.0g/L的CaCl2，發(fā)現(xiàn)酵母的生物量和油脂產(chǎn)量分別提高1.0g/L和0.1g/L，表明鈣離子雖然對油脂產(chǎn)量的影響不大，但可以提高皮狀絲孢酵母底物的轉(zhuǎn)化率。李靜[23]對斯達油脂酵母（Lipomycesstarkeyi）發(fā)酵產(chǎn)油脂中也發(fā)現(xiàn)添加一定量鈣離子可以提高底物轉(zhuǎn)化率。這可能是由于添加的鈣離子使營養(yǎng)物質(zhì)更易進入細胞，細胞代謝物也能及時排出胞外。

2.3金屬離子對產(chǎn)油微生物關鍵酶活力的調(diào)節(jié)

微生物發(fā)酵可分為兩個階段，即菌體增殖期和油脂積累期。發(fā)酵的前期為菌體增殖期，這個時期微生物要消耗培養(yǎng)基中的碳、氮源，以保持菌體旺盛的代謝和增殖過程。在油脂積累期，微生物將過量的碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂類。金屬離子對上述兩個時期的關鍵酶都有復雜的調(diào)控機制[24-25]。

在產(chǎn)油微生物培養(yǎng)基中，鈉離子是最常添加的金屬離子。鈉離子在一定程度上會提高油脂的不飽和度，使得油脂中多不飽和脂肪酸比例升高[20]。然而，JOHNSON等[26]發(fā)現(xiàn)過高濃度的NaCl會抑制戊糖磷酸異構酶、核酮糖二磷酸羧化酶、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶和磷酸己糖異構酶，從而限制油脂合成前體乙酰-CoA的合成。

鉀離子能參與細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成和能量代謝。例如細胞內(nèi)的蘋果酸脫羧作用、ATP的形成、磷的傳遞等，都需要鉀離子參與[27]。細胞膜上的鉀離子通道會受到來自胞外刺激物和胞內(nèi)脂肪酸如（花生四烯酸）的共同作用。在細胞接收外界或者自身內(nèi)源性刺激時，離子通道開放，能使鉀離子在細胞質(zhì)中的濃度迅速升高。隨后通過鉀離子敏感的酶和功能蛋白，改變細胞內(nèi)原有的代謝方式和基因表達模式，最終使得有機體更好地適應外界環(huán)境的變化[28]。在產(chǎn)油微生物發(fā)酵中，JIN等[29]發(fā)現(xiàn)在高山被孢霉（Mortierella alpina）產(chǎn)花生四烯酸的老化階段，添加一定量的KNO3，當KNO3濃度達到2.62 g/L時，使油脂產(chǎn)量提高了1.55倍。該作者認為這可能是由于添加鉀離子能提高了油脂合成的某些蛋白酶活性，使高山被孢霉的油脂合成速率加快。

鈣離子能激活α-酮戊二酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶，使代謝向有利于油脂合成代謝的方向進行。但是鈣離子濃度過高會抑制脫不飽和酶活性，不利于多不飽和脂肪酸形成。另外，鈣離子還可以促使細胞線粒體內(nèi)ATP的合成，為微生物的生長提供能量，從而促進微生物生長和油脂積累[30]。最近，有文獻報道鈉離子可以調(diào)控鈣離子進入胞內(nèi)，胞內(nèi)鈣離子濃度上升從而激發(fā)油脂積累中的鈣調(diào)蛋白，促進油脂積累[31]。此外，XU等[31]對藥用真菌靈芝產(chǎn)次級代謝產(chǎn)物靈芝酸，當配合添加100mmol/L的鈉離子時，總靈芝酸的含量達到90.5mg/g干細胞，其產(chǎn)量達到1.58g/L±0.03g/L，比對照組提高了4.03倍，這可能是由于鈉離子的添加使得信號轉(zhuǎn)導和鈣離子通道蛋白有關基因上調(diào)，使胞內(nèi)鈣離子濃度上升，因為當加入環(huán)孢素A（可抑制鈣離子通道蛋白的功能）后，發(fā)現(xiàn)這種促進作用受到了抑制。

鎂離子是丙酮酸脫羧酶、丙酮酸激酶、己糖激酶、磷酸果糖激酶、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、檸檬酸裂解酶、異檸檬酸脫氫酶等的輔助因子，在糖酵解、呼吸作用、氧化磷酸化等過程中起著重要調(diào)節(jié)作用。鎂離子可以結合到油脂合成中的關鍵酶上，通過影響酶的結構完整性從而影響油脂的合成[32]。JERNEJC等[30]在黑曲霉添加鎂離子，發(fā)現(xiàn)蘋果酸酶活性得到提高，從而增加還原力（NADPH）的形成，提高了多不飽和脂肪酸的合成量。

一些微量金屬元素，如鐵、錳、鋅、銅等，也會對油脂合成酶有很大影響。例如，鐵離子存在于細胞色素、鐵氧還蛋白中，是氧化還原載體和電子傳遞鏈的組成部分，在有氧呼吸傳遞電子和檸檬酸循環(huán)催化琥珀酸生成延胡索酸的過程中起著重要的作用。蔣漢明等[33]在利用三角褐指藻發(fā)酵產(chǎn)油脂中，發(fā)現(xiàn)添加一定的鐵離子會影響三角褐指藻內(nèi)去飽和酶的活性，使得油脂中不飽和脂肪酸占總脂肪酸的比例升高。錳離子會提高酰基激酶和?；?CoA合成酶的活性，致使更多乙酰-CoA流向脂肪合成途徑。有研究表明，錳離子比鎂離子更能促進蘋果酸酶（malic enzyme）的活性，可以促進為油脂的合成提供還原力（NADPH）的蘋果酸脫氧反應[23]。然而，錳離子添加量過大可能會抑制其它酶的活性，不利于油脂積累。

王安琪等[34]對輪梗霉的研究表明，在Mn2+的添加濃度為5×10?4mol/L時，發(fā)現(xiàn)對生物量略有抑制，但是可以顯著提高花生四烯酸的積累。王莉等[13]在研究金屬離子對絲孢酵母（Trichosporon）發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響中，發(fā)現(xiàn)與僅添加錳離子相比，在低濃度錳離子、鎂離子共存的條件下，菌體的生物量、油脂產(chǎn)量和油脂系數(shù)均顯著增加。鋅離子也是油脂積累過程中酶的激活劑，適量添加鋅離子可以提高丙酮酸脫羧酶、蘋果酸脫氫酶及3-磷酸甘油醛脫氫酶的活性，促進糖酵解進行，進而調(diào)節(jié)細胞的代謝，從而促進油脂的合成和積累[35]。此外，楊革等[36]發(fā)現(xiàn)低濃度的鋅離子直接參與了脂肪酸的脫飽和作用，構成了脫飽和酶的催化活性部位。低濃度鋅離子對脫飽和酶是一種激活劑，高濃度鋅離子又能抑制該酶的活性，使菌體的脫飽和作用能力下降，造成菌體內(nèi)多價不飽和脂肪酸——花生四烯酸含量減少。對于銅離子而言，已有研究發(fā)現(xiàn)銅離子的添加，對大多數(shù)產(chǎn)油微生物的生長和油脂積累都會有副作用。原因可能是銅離子可以和鎂離子或錳離子等競爭性結合蘋果酸酶的活性位點，從而抑制蘋果酸酶的活性[30]。表1總結了典型產(chǎn)油微生物金屬離子較適宜的添加量；表2對金屬離子對產(chǎn)油微生物內(nèi)酶活力的影響作了總結。

3　總結與展望

表1　典型產(chǎn)油微生物金屬離子添加量

綜上所述，目前已發(fā)現(xiàn)金屬離子能顯著影響產(chǎn)油微生物的生理狀態(tài)，有些作用在微生物生長階段，有些作用在油脂積累階段。金屬離子不僅能調(diào)控酶的活性從而改變代謝途徑，而且能影響菌體細胞滲透壓、物質(zhì)運輸、微環(huán)境的酸堿性；甚至在一些金屬離子的添加下，菌絲體外觀形態(tài)也發(fā)生迥然的變化。在對產(chǎn)油微生物研究時，應基于整個代謝流的方向，通過調(diào)節(jié)金屬離子的添加量和不同金屬離子的添加配比實現(xiàn)代謝流向更有利于油脂積累方向進行。展望未來，針對產(chǎn)油微生物發(fā)酵生產(chǎn)中的金屬離子，應考慮以下問題。

（1）不同產(chǎn)油微生物的金屬離子添加策略應“因菌而異”。這是由于不同產(chǎn)油微生物的脂肪酸合成途徑不盡相同，如存在FAS和PKS等不同途徑，發(fā)揮關鍵作用的酶及其調(diào)節(jié)金屬離子有差異；再者，不同微生物對金屬離子產(chǎn)生的效應也不同，有些產(chǎn)油微生物可能對金屬離子異常敏感，添加金屬離子量稍高即會降低其生物量和油脂產(chǎn)量。因此，金屬離子對所有產(chǎn)油微生物不會有普遍的添加策略，必須先從分析該微生物代謝途徑入手，找出關鍵途徑，據(jù)此制定特定的金屬離子添加策略。

（2）不同的金屬離子可能會競爭同一個關鍵酶的活性位點，如銅離子和鎂離子會競爭性地與蘋果酸酶活性位點結合。因此，在金屬離子添加時，一定要弄清楚不同金屬離子的作用位點，考慮不同金屬離子間是否存在相互競爭作用，以保證關鍵蛋白酶能發(fā)揮正常功能。

表2　金屬離子對產(chǎn)油微生物酶的作用

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研究開發(fā)

Progress on effects of metal ions on lipid accumulation of oleaginous microorganism

LI Tao，JI Xiaojun，WU Na，ZONG Jiajun，HUANG He，YU Yadong
（State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering，College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，Jiangsu，China）

Abstract：Using oleaginous microorganism to produce lipid is meaningful for overcoming fossil-fuel shortage and improving human life quality. Metal ions can affect the growth morphology，intra-/extra-cellular osmotic pressure and the activity of the key enzyme during the oleaginous microorganism lipid accumulation. Therefore，metal ions are important regulators for oleaginous microorganism. In this review，we discussed the mechanism of oleaginous microorganism lipid accumulation and then explained which metal ions affected oleaginous microorganism and how. Finally，we gave some suggestions on the future studies in exploring the role of metal ions in oleaginous microorganism fermentation process. In order to develop feasible metal ion addition and control strategy for oleaginous microorganism，the following factors might need to be considered. First，we should find the key enzyme from various lipid synthesis pathway of oleaginous microorganism. Then we should fully consider the metal ion tolerance of the target oleaginous microorganism，the effects of different metal ion on the microorganism morphology and the activities of the key intracellular enzymes. Moreover，we should explore the competitive or collaborativerelationship among different metal ions when these metal ions could all affect the active centers of the key enzymes.

Key word：metal ions; enzyme; oleaginous microorganism; metabolism; fermentation; polyunsaturated fatty acids; lipid

中圖分類號：Q 936

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1173–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.033

收稿日期：2015-09-14；修改稿日期：2015-12-02。

基金項目：國家自然科學基金（21506096，21476111）、國家高技術研究發(fā)展計劃（2014AA021703）、江蘇省自然科學基金（BK20131405）、農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室開放課題（2015011）及江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目。