含藻人工多細(xì)胞體系的構(gòu)建及其在廢水處理中的應(yīng)用

王玉嬌,趙權(quán)宇

(南京工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院,江蘇 南京 211800)

合成生物學(xué)是生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域[1],合成生物學(xué)研究內(nèi)容包括元件挖掘、DNA合成、組裝和基因組編輯等,人工多細(xì)胞體系的研究也是合成生物學(xué)的重要部分。人工多細(xì)胞體系從細(xì)胞層面構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng),豐富合成生物學(xué)的內(nèi)涵與應(yīng)用。光合細(xì)菌或微藻利用光能,通過光合作用固碳、產(chǎn)糖或油脂。在厭氧條件下,光合細(xì)菌等可利用H2S、H2或者有機物等作為氫供體還原CO2;微藻等則利用水作為氫供體還原CO2,并放出O2。微藻具有比高等植物更高的光合固碳效率[2],因此,以微藻作為底盤或構(gòu)建含微藻的多細(xì)胞體系是合成生物學(xué)的重要研究方向。

在多細(xì)胞體系中引入光合微生物或微藻,可以部分?jǐn)[脫其對外源碳源的依賴,形成更為復(fù)雜的高效系統(tǒng),并具有部分自維持的功能,該變化引起研究人員越來越多的關(guān)注。微藻既包括原核生物,也包括真核生物,有異于細(xì)菌和酵母等微生物的代謝途徑,是具有自身特點的底盤。此外,活性污泥和高效藻類塘(HRAPs)[3]等都屬于多細(xì)胞體系,在廢水處理領(lǐng)域有著多年的應(yīng)用。雖然通過宏基因組等手段可以分析活性污泥和HRAPs的微生物構(gòu)成和動態(tài)變化,但仍需進(jìn)一步研究,從中獲得足夠的信息,以指導(dǎo)構(gòu)建新的、穩(wěn)定的多細(xì)胞體系[4]。從合成生物學(xué)角度來說,格物才能致知,造物才能致用：一方面,需要由下至上地深入了解這些方法,獲取相關(guān)生物學(xué)原理;另一方面,需要由上至下地設(shè)計更高效的多細(xì)胞體系用于廢水處理等體系的實際應(yīng)用[5]。所以,迫切需要厘清如何構(gòu)建含藻多細(xì)胞體系及其內(nèi)在作用機制等核心問題。本文綜述近年來包含微藻的人工多細(xì)胞體系構(gòu)建、廢水處理和形成機制等方面的進(jìn)展,并對其研究及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 人工光合多細(xì)胞體系的構(gòu)建

合成生物學(xué)具有典型的“工程學(xué)本質(zhì)”,自下而上地構(gòu)建新的“人造生命”[6]。傳統(tǒng)的合成生物學(xué)以具有特定功能的氨基酸或核苷酸序列——元件為基礎(chǔ),通過類似樂高搭建玩具的模式,由元件構(gòu)成途徑(模塊),再由途徑(模塊)構(gòu)建底盤細(xì)胞。借鑒這樣的概念,在多細(xì)胞體系中,每個微藻或微生物都是一個功能完備且可以獨立生存的元件,通過共培養(yǎng)等方式組成更為復(fù)雜的模塊,再形成生物群落——底盤。這些微藻或者微生物都是可以標(biāo)準(zhǔn)化的,更關(guān)鍵的是如何構(gòu)成新的多細(xì)胞模塊和底盤,因為模塊和底盤在尺度和復(fù)雜性上存在差別。需要指出的是,只有構(gòu)成光合多細(xì)胞體系的適配才能形成高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)。藻和菌都可直接應(yīng)用于構(gòu)建多細(xì)胞體系,與生物元件來構(gòu)建有本質(zhì)區(qū)別。

從多細(xì)胞體系的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性來講,光合多細(xì)胞體系可以分為簡單的共培養(yǎng)體系構(gòu)建和復(fù)雜的生物群落構(gòu)建(圖1)。共培養(yǎng)是微藻細(xì)胞游離化培養(yǎng),而生物群落具備一定的結(jié)構(gòu),比共培養(yǎng)更穩(wěn)定。

圖1 光合多細(xì)胞體系的構(gòu)建Fig.1 Construction of photosynthetic multiple cell system

1.1 共培養(yǎng)體系的構(gòu)建

共培養(yǎng)是最簡單的多細(xì)胞體系,通常是不同微生物在液體培養(yǎng)基中混合培養(yǎng)。在實驗室內(nèi)共培養(yǎng)可以評價微藻與其他微生物的相互作用,探索構(gòu)建光合多細(xì)胞體系的可能性。此外,在廢水處理等實際應(yīng)用中,高效藻類塘中微藻和微生物也是以共培養(yǎng)的游離形式存在。微藻和微生物能否共培養(yǎng),有眾多制約條件。一方面,藻菌共培養(yǎng)后生物量如果優(yōu)于純培養(yǎng),則說明藻和菌之間無抑制作用。另一方面,面向廢水處理的需要,共培養(yǎng)體系去除目標(biāo)污染物的能力應(yīng)優(yōu)于純培養(yǎng)體系。

構(gòu)建微藻和微生物的共培養(yǎng)體系,除了要考慮選擇藻和菌的種類外,溫度、光照等培養(yǎng)條件和藻-微生物的比例也非常關(guān)鍵。如,Gon?alves等[7]將集胞藻(Synechocystissalina)與小球藻(Chlorellavulgaris)、羊角月牙藻(Pseudokirchneriellasubcapitata)或銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),當(dāng)將集胞藻和小球藻共培養(yǎng)后,生物質(zhì)產(chǎn)率和氮去除率顯著高于其他共培養(yǎng)組合以及純培養(yǎng)組,但是集胞藻-銅綠微囊藻共培養(yǎng)組的磷去除率和油脂產(chǎn)率最高,可見藻種是影響共培養(yǎng)的關(guān)鍵條件之一。Arias等[8]將藍(lán)藻和柵藻等綠藻共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),藻的組成處于動態(tài)變化中,主要受到操作條件和營養(yǎng)條件的影響。Silaban等[9]研究發(fā)現(xiàn),碳源、碳氮比和光條件也會影響纖發(fā)鞘絲藍(lán)細(xì)菌屬(Leptolyngbyasp.)與小球藻的共培養(yǎng)情況。Huo等[10]發(fā)現(xiàn),添加不同比例的弗留明拜葉林克氏菌(Beijerinckiafluminensis),污染物的處理效果不同,其中添加10%的B.fluminensis效果最好。García等[11]在養(yǎng)豬廢水中分別接種極微小球藻(Chlorellaminutissima)、富油柵藻(Acutodesmusobliquus)和顫藻(Oscillatoriasp.),連續(xù)觀察半年后發(fā)現(xiàn)：接種小球藻和富油柵藻的實驗組中均出現(xiàn)了小球藻、富油柵藻和雜藻Aphanothecesp.;接種顫藻的實驗組中以小球藻和富油柵藻為主,而未接種的實驗組中小球藻是主要的微藻。該結(jié)果表明,在開放式培養(yǎng)過程中主導(dǎo)微藻與接種微藻并不一致,有些雜藻會進(jìn)入系統(tǒng),同時由于廢水中含有微生物,實際上是藻-菌的混菌培養(yǎng)。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對環(huán)境壓力的耐受性,藻菌復(fù)合體的適應(yīng)性實驗室進(jìn)化是可行的方法[12-14]。

1.2 有序多細(xì)胞體系的構(gòu)建

合成生物學(xué)的根本目標(biāo)是應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)和組合策略構(gòu)建新途徑和生命體。在攪拌的條件下,簡單的共培養(yǎng)體系中藻菌均勻分布,對環(huán)境的耐受性差,采收困難。而構(gòu)建具有一定結(jié)構(gòu)的有序多細(xì)胞體系,可以提高對環(huán)境的耐受性和采收效率,降低生產(chǎn)成本,更重要的是可以通過構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu),精準(zhǔn)調(diào)控其功能。已經(jīng)構(gòu)建的含藻有序多細(xì)胞體系包括微藻固定化、藻菌絮體(Mab-flos)、含藻顆粒污泥和含藻生物膜等。

現(xiàn)有的固定化方法中,既有純藻的固定化,也有藻-菌共固定化[15-16]。海藻酸鈉包埋法是常見的微藻固定化方法。Hu等[17]通過調(diào)控藻菌的接種量、海藻酸鹽濃度及制備方法等來調(diào)控藻菌的包封率以及顆粒大小,一般尺寸在毫米尺度。雖然海藻酸鈉包埋法固定的優(yōu)點是抗剪切能力提高,但是隨著微藻生長和多次培養(yǎng),膠球容易破碎,同時包埋法需要海藻酸鹽等,操作成本也較高。

與之相比,藻菌絮體、顆粒污泥和生物膜屬于自固定化。Mab-flos是藻和菌等形成的絮狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)松散,尺寸為100～1 000 μm[18-19]。白天在光生物反應(yīng)器內(nèi)懸浮,晚上則沉在光生物反應(yīng)器底部。van den Hende等[20]直接從廢水處理廠采集部分Mab-flos,最終發(fā)現(xiàn),Mab-flos的人工構(gòu)建研究還不完善。合成生物學(xué)的觀點認(rèn)為,只有制造它才能充分認(rèn)識它,所以需要從Mab-flos的藻和微生物組成、形成條件、結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化等方面深刻認(rèn)識光合多細(xì)胞體系的構(gòu)建條件。Loria等[21]將藻和活性污泥按照一定比例混合培養(yǎng)2 h就可獲得Mab-flos,其中,柵藻和活性污泥形成的Mab-flos脫磷的效果顯著好于小球藻的。可見,Mab-flos除了便于采收優(yōu)點外,藻和菌的接觸比單細(xì)胞的游離培養(yǎng)要緊密,有利于藻-菌之間物質(zhì)和能量的傳遞。

由于藻菌絮體的結(jié)構(gòu)較為松散,所以在廢水處理等過程中,藻菌絮體的結(jié)構(gòu)一直處于動態(tài)變化中,藻菌絮體中的菌可以是純菌,也可以是多種微生物混合體。Yang等[22]發(fā)現(xiàn),含藻顆粒污泥是微藻和活性污泥形成的顆粒狀多孔結(jié)構(gòu),尺寸比藻菌絮體更大,達(dá)0.5～2.5 mm,或者更大。在含藻顆粒污泥的形成過程中,一般先形成藻菌絮體,再經(jīng)過絲狀藻或菌的交纏,形成更大且更穩(wěn)定的顆粒[23-24]。He等[25]先將微藻與活性污泥混合,在一定條件下培養(yǎng)后,制備得到含藻顆粒污泥,其中,光強等會影響含藻顆粒污泥的形成。Zhang等[26]利用菌絲球包裹微藻形成菌絲球裹藻凝結(jié)核,快速構(gòu)建自維持菌藻共生好氧顆粒污泥,將顆粒污泥的制備時間控制在12 d以內(nèi),粒徑約為3.3 mm。Dong等[27]研究發(fā)現(xiàn),鹽度等條件也會影響含藻顆粒污泥的穩(wěn)定性。

在自然水體中的固體表面上,就存在生物膜。同時,包埋顆粒、藻菌絮體和顆粒污泥需要攪拌才能在光生物反應(yīng)器中懸浮起來。所以,針對面源污染時,雖然常規(guī)處理方法的應(yīng)用受到一定限制,但是生物膜法可以穩(wěn)定發(fā)揮作用。Liu等[28]發(fā)現(xiàn),生物膜的形成與藻菌的種屬特性、支撐材料表面性質(zhì)和培養(yǎng)基組成等相關(guān)。Barros等[29]在考察銅、玻璃、AISI316不銹鋼、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯等材料作為微藻生物膜的載體時發(fā)現(xiàn),不銹鋼作為支撐材料有利于微藻生物膜的形成,銅綠微囊藻容易貼壁,而羊角月牙藻的貼附性差。Zhao等[30]以棉布、尼龍過濾布、紗布、絨布、海綿和土工布作為貼附材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),柵藻在土工布上貼附后生物量最高。Cheng等[31]發(fā)現(xiàn),如果貼壁基質(zhì)是醋酸纖維素/硝酸膜,在12種微藻中小球藻形成生物膜的能力最強。小球藻是常見的固碳和廢水處理微藻,會分泌胞外多糖,有利于形成生物膜。Zheng等[32]發(fā)現(xiàn),柵藻與鐮形纖維藻(Ankistrodesmusfalcatus)可以先共絮凝,這加快了生物膜的生成速度。

此外,通過3D打印等新型技術(shù)手段來理性合成具有精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的多細(xì)胞體系,可以提升穩(wěn)定性[33]。Zhao等[34]將藻3D打印后形成的多細(xì)胞體系固定化單元,可以作為微小的多細(xì)胞工廠,應(yīng)用于環(huán)境治理等領(lǐng)域。3D打印與包埋固定化方法接近,成品的形狀多樣。目前,3D打印的成本還較高。

2 人工光合多細(xì)胞體系的解析

人工光合多細(xì)胞體系的構(gòu)建目前還處于發(fā)展階段,因此,需要綜合考慮體系內(nèi)微藻與微生物的適配性、多細(xì)胞體系的穩(wěn)定性及功能。一方面,可以通過擾動等手段獲取已經(jīng)建立的多細(xì)胞體系對外部脅迫的響應(yīng),分析生物群落的組成變化以及內(nèi)部的相互作用,這是由上至下的研究方法;另一方面,可以將多細(xì)胞體系作為整體考慮,選擇適當(dāng)?shù)奈⒃搴臀⑸?實現(xiàn)響應(yīng)功能,由于微藻和微生物均是獨立個體,具有各自的代謝系統(tǒng),這是由下至上的研究方法。

2.1 已知體系的組學(xué)分析(自上而下)

實驗室規(guī)模的共培養(yǎng)往往僅有幾種藻或微生物,而高效藻類塘等水體中含有的微生物種類繁多,通過高通量測序可以獲得體系內(nèi)的主導(dǎo)微藻和微生物信息以及生物群落動態(tài)變化。

Mark Ibekwe等[35]研究處理農(nóng)業(yè)廢水的高效藻類塘中發(fā)現(xiàn)：占優(yōu)勢的微生物是藍(lán)藻,α-、β-、γ-、ε-和δ-變形菌,擬桿菌,厚壁菌和扁平菌;水力停留時間、總氮(TN)、總無機氮、總磷(TP)、堿度、pH、總懸浮固體和揮發(fā)性懸浮固體等環(huán)境變量均會影響微生物群落。Trebuch等[36]發(fā)現(xiàn),雖然水力停留時間會影響廢水處理中光合顆粒的組成和功能,但對顆粒形成最關(guān)鍵的兩個因素是胞外多糖的分泌和微生物組成,起到關(guān)鍵作用的微生物包括湖絲藻(Limnothrix)和生物膜生成菌等。He等[25]用自然光誘導(dǎo)形成顆粒污泥,結(jié)果發(fā)現(xiàn),占主導(dǎo)地位的微藻從硅藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G藻。Zhang等[37]發(fā)現(xiàn),為響應(yīng)溫度的波動,顆粒污泥中會富集β-和γ-變形菌以及黃桿菌、綠藻和硅藻等,而藍(lán)藻占比低。一般來說,生物群落包含的微生物種類多有利于提高系統(tǒng)的魯棒性,但是為達(dá)到廢水處理的目的,現(xiàn)在還沒有理性途徑輔助選擇藻種和細(xì)菌等微生物的種類以及確定藻菌的比例。

2.2 基于相互作用的分析(自下而上)

多細(xì)胞體系的構(gòu)建雖基于細(xì)胞水平,但比底盤或路徑的構(gòu)建更復(fù)雜。葉綠體是微藻進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器,也是胞內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化器。微藻在人工多細(xì)胞體系中也發(fā)揮光能轉(zhuǎn)換的作用。從功能來說,微藻是整個體系中可以進(jìn)行光合作用的部分。引入微藻后,多細(xì)胞體系就可以利用光能作為部分能源來源。構(gòu)建人工光合多細(xì)胞體系的關(guān)鍵之一就是要選擇合適的微藻,如藍(lán)藻等原核微藻,或者綠藻等真核微藻。除了光合作用外,微藻和微生物的代謝有不少差異,可以互相補充和協(xié)作(圖2)。微藻和微生物都可以獨立存活,環(huán)境和營養(yǎng)條件的脅迫等對微藻和微生物的調(diào)控可能是不同的,所以需要具體分析詳細(xì)的作用機制。只有深入理解這些相互作用,才能有助于基于合成生物學(xué)原理構(gòu)建高效的人工光合多細(xì)胞體系。

AHLs—N-酰化高絲氨酸內(nèi)酯圖2 藻菌之間的相互作用Fig.2 Interactions between microalgae and microorganisms

2.2.1 代謝互補

微藻以自養(yǎng)生長為主,而細(xì)菌多數(shù)是異養(yǎng)生長,因此利用兩者之間的代謝互補可以拓展含藻光合多細(xì)胞體系的底物利用范圍。一般來說,微藻不能利用甲烷,而噬堿甲烷菌可以固定甲烷,并產(chǎn)生CO2,因此通過藻菌共培養(yǎng)就可以減少甲烷排放[38]。雖然部分微藻可以異養(yǎng)生長,但是只能利用少數(shù)有機碳源。如,小球藻不能利用蔗糖,而黏紅酵母可將蔗糖分解為葡萄糖和果糖,小球藻再利用葡萄糖和果糖,從而形成了藻菌異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)。Wang等[39]對比了共培養(yǎng)與純培養(yǎng)工藝后發(fā)現(xiàn),共培養(yǎng)后微藻細(xì)胞數(shù)量提高了45%。Xie等[40]將小球藻和纖維弧菌(Cellvibriopealriver)共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),纖維弧菌可以利用木聚糖,并分泌促進(jìn)小球藻和衣藻生長的物質(zhì),因此整個多細(xì)胞體系可以木聚糖作為碳源,這是微藻純培養(yǎng)無法實現(xiàn)的。

2.2.2 代謝協(xié)同

代謝協(xié)同表現(xiàn)在調(diào)控基因表達(dá)、促進(jìn)絮凝和消除氧化壓力等方面。藻與菌的相互作用可以通過顯著提升相關(guān)基因的表達(dá),最終促進(jìn)某些產(chǎn)物的合成。微藻在生物群落中可以提供有機碳,或者其他物質(zhì),促進(jìn)微生物的生長[41]。Ashtiani等[42]將黏紅酵母和小球藻以2∶1的比例接種共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),小球藻內(nèi)的乙酰輔酶A羧化酶和甘油-3-磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶相關(guān)基因表達(dá)顯著上調(diào),同時神經(jīng)酸和正二十二烷酸的含量也大幅增加。Xue等[43]將念珠藻和魚腥藻共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻生長、胞外多糖和胞外蛋白生產(chǎn)、固氮能力和光合活性等方面都產(chǎn)生顯著改變。因此,共培養(yǎng)體系中微生物之間的相互作用規(guī)律是復(fù)雜的,需要通過代謝組或代謝指紋圖譜等手段進(jìn)行全面分析[44]。Lakshmikandan等[45]利用鏈霉菌Streptomycesrosealbus分泌的吲哚乙酸促進(jìn)微藻生長、脂類富集以及藻類絮凝,這樣有利于藻的采收。利用微生物促進(jìn)藻類絮凝,不僅可以降低采收成本,而且更有利于工程化放大和大規(guī)模應(yīng)用[45-46]。

固氮螺菌Azospirillumbrasilense是植物促生菌。由于銅離子或氮缺乏會使微藻胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧(ROS),因此Peng等[47]將小球藻與固氮螺菌共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),固氮螺菌分泌的吲哚乙酸降低了小球藻內(nèi)活性氧的累積。大腸桿菌是非植物促生菌,而巨大芽孢桿菌B.megaterium是潛在的植物促生菌,Peng等[48]將兩菌共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),這兩株菌都可以促進(jìn)小球藻的生長。因此,除了分泌植物激素外,藻與菌之間的CO2與O2交換和維生素B的交換也是非常重要的。微藻的產(chǎn)氫酶對O2敏感,容易失活。利用微生物快速消耗O2的特性,可以形成厭氧環(huán)境,有利于微藻產(chǎn)H2[49]。Cho等[50]將生絲單胞菌Hyphomonassp.產(chǎn)生的二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和吲哚等揮發(fā)性物質(zhì)通入微藻培養(yǎng)裝置后發(fā)現(xiàn),這可促進(jìn)小球藻的生長,并改善了脂肪族化合物的組成。藻和菌在廢水處理中均可以發(fā)揮各自的作用。Nguyen等[51]研究發(fā)現(xiàn),小球藻和活性污泥共培養(yǎng)后提高了處理合成廢水的效率,其中,微藻主要去除總氮,而活性污泥主要是去除化學(xué)需氧量(COD)[51]。

2.2.3 代謝競爭

需要注意的是,在藻與菌之間也存在營養(yǎng)方面的競爭,如,氮磷是藻和菌均需要的營養(yǎng)物質(zhì)。Ferro等[52]用小球藻-根瘤菌共培養(yǎng)處理市政廢水時發(fā)現(xiàn),藻與菌會競爭利用廢水中的氮磷。Corcoran等[53]發(fā)現(xiàn),星空藻Coelastrellasp.分泌化感物質(zhì),在共培養(yǎng)時會抑制小球藻的生長。細(xì)菌等微生物的快速生長,也會造成培養(yǎng)基濁度上升,影響微藻對光的利用,特別是室外廢水處理過程,往往會存在雜藻,這種效應(yīng)更明顯。Liu等[54]在處理園藝廢水時接種絲狀的克里藻Klebsormidiumsp.和毛枝藻Stigeocloniumspp,結(jié)果發(fā)現(xiàn),毛枝藻在與廢水中微藻競爭時生長良好,但是同樣條件下的克里藻卻無法生長。

2.2.4 群體感應(yīng)

除了代謝水平的相互作用外,藻與菌之間也存在信號分子交流[55]和水平基因轉(zhuǎn)移[24]。細(xì)胞與細(xì)胞間的通信行為被稱為群體感應(yīng)。細(xì)菌分泌的信號分子包括N-酰化高絲氨酸內(nèi)酯(AHLs)、氨基酸和短肽類物質(zhì)以及呋喃酰硼酸二酯等。細(xì)菌的群體感應(yīng)主要調(diào)控生物發(fā)光、生物被膜形成、孢子形成以及產(chǎn)生毒力。相對來說,關(guān)于微藻群體感應(yīng)的研究還不多,現(xiàn)有研究表明,群體感應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在與微藻生長相關(guān)[56-58]、油脂合成[59]、促進(jìn)貼壁[60]和修復(fù)光合作用[61]等方面。

Das等[56]發(fā)現(xiàn),從厭氧活性污泥中提取的群體感應(yīng)信號分子可以將小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)率和油脂產(chǎn)率分別提高2.25和1.28倍。Pande等[57]從扁藻Tetraselmissuecica和牟氏角毛藻Chaetocerosmuelleri培養(yǎng)液中分別分離出可以產(chǎn)生AHL降解酶的假單胞菌和芽孢桿菌,研究發(fā)現(xiàn)：如果將假單胞菌或假單胞菌+芽孢桿菌加入扁藻培養(yǎng)液中,均促進(jìn)微藻生長;單獨加芽孢桿菌對牟氏角毛藻生長的影響不大,但是加入假單胞菌+芽孢桿菌,該藻的生長就被抑制,說明群體感應(yīng)信號分子對藻生長的影響存在種屬差異。N-己酰基-DL-高絲氨酸內(nèi)酯是C6-HSL群體感應(yīng)分子。Zhang等[58]發(fā)現(xiàn),C6-HSL會抑制小球藻和柵藻的生長,但是對共培養(yǎng)的小球藻+柵藻,C6-HSL的抑制作用會降低。Zhang等[59]發(fā)現(xiàn),在Chlorophytasp. FACHB-729的培養(yǎng)基中加入從活性污泥中提取的化感物質(zhì)會輕微抑制其生長,但是油脂含量提高了84%。Zhang等[60]發(fā)現(xiàn),AHLs會促進(jìn)胞外高聚物(EPS)的分泌,有利于含藻顆粒污泥的形成。Zhou等[62]研究發(fā)現(xiàn),在懸浮培養(yǎng)的Chlorophytasp.培養(yǎng)液中加入C6-HSL后,引起微量的蛋白分泌量增加,最終自絮凝成200 μm的絮體。AHLs通過促進(jìn)微藻分泌EPS從而實現(xiàn)藻體聚集的現(xiàn)象在顫藻[63]或顆粒污泥[64]中也存在。

由此可見,群體感應(yīng)在人工光合多細(xì)胞體系的構(gòu)建中能發(fā)揮重要作用,但是群體感應(yīng)信號分子眾多,相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入。

3 光合多細(xì)胞體系在廢水處理中的應(yīng)用

代謝過程包括合成代謝與分解代謝。光合多細(xì)胞體系可發(fā)揮合成和分解代謝的作用,分別用于化學(xué)品合成與環(huán)境治理,特別是在有機污染物、抗生素等有害污染物以及重金屬離子的去除中發(fā)揮重要作用。分解和合成代謝相輔相成,并不矛盾。如,微生物可以在修復(fù)環(huán)境的同時產(chǎn)生油脂等產(chǎn)品。因此,本文就光合人工多細(xì)胞體系在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行討論。微藻和微生物均可以去除廢水中的氮磷和重金屬,微藻還可以固定CO2。因此,光合多細(xì)胞體系已經(jīng)用于廢水處理、CO2固定等領(lǐng)域。一般來說,微藻和細(xì)菌等快速生長后,不僅可以獲得更多的生物量,更有利于去除廢水中的氮磷和重金屬,或者固碳。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少處理后出水中的微藻流失等問題,已經(jīng)開發(fā)了多種模式,包括普通的共培養(yǎng)體系、固定化、藻坪凈水系統(tǒng)(ATS)、HRAPs、藻菌絮體和生物膜,近些年相關(guān)的研究成果總結(jié)在表1中。

表1 光合多細(xì)胞體系廢水處理情況匯總

由表1可知：小球藻在廢水處理中應(yīng)用廣泛;而絲狀藻[66,75]的沉降較快,便于采收,也是應(yīng)用較廣的微藻;或者共培養(yǎng)的微藻和絲狀真菌,也有利于采收[76]?；钚晕勰喾ㄊ巧锓◤U水處理的最基本方法,也常與藻進(jìn)行共培養(yǎng)?；钚晕勰嗍禽^為穩(wěn)定的微生物多細(xì)胞體系,但是其組成復(fù)雜。Qi等[77]通過宏基因組分析活性污泥的組成后,挑選與其中豐度最高的微生物類似的菌種進(jìn)行人工模擬發(fā)酵體系處理廢水后發(fā)現(xiàn),3株菌與小球藻共培養(yǎng)比菌或藻的純培養(yǎng)處理效果要好,為合理構(gòu)建光合多細(xì)胞體系提供了有益的參考。但是共培養(yǎng)往往存在菌和藻的流失,系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。ATS也是藻與菌固定化的一種方式,一般漂浮在水體表面,對面源水體污染的處理具有一定優(yōu)勢。雖然ATS是由微藻、細(xì)菌和真菌等組成,但是人工誘導(dǎo)ATS的形成條件還不明確。利用藻和菌去除有機小分子、氮磷都是將其作為底物,因此構(gòu)建多細(xì)胞體系的重點是提高對污染物的耐受性,并使菌體快速生長。

在微藻和菌中含有降解酶,可以降解酮基布洛芬等[78]抗生素。藻與菌的共培養(yǎng),一方面可提高其對抗生素的耐受性,另一方面可以協(xié)同降解抗生素,并提高降解率。含藻生物膜系統(tǒng)在降解磺胺類抗生素的同時,還可以去除氮磷[79-80]。

鋅和鉻等重金屬離子是微藻或微生物生長所需的[81-82],但是被利用的總量有限。在利用微藻和微生物去除重金屬離子時,除了考慮其生物利用外,還要注意EPS吸附等作用。Makut等[83]比較了藻、菌以及藻與菌共培養(yǎng)對銅、鉻、鎘、鎳和鉛等重金屬離子的去除效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),共培養(yǎng)顯著優(yōu)于單一微藻或純菌的去除效果。因此,合理構(gòu)建多細(xì)胞體系需要明確藻和菌的單獨作用效果以及相互作用效果。

4 結(jié)論與展望

人工多細(xì)胞體系是合成生物學(xué)的重要研究方向之一。微藻作為可自養(yǎng)的光合生物,在人工多細(xì)胞體系中發(fā)揮獨特作用。光合人工多細(xì)胞體系需要借鑒HRAPs等,提出新的構(gòu)建策略,形成穩(wěn)定、高效的系統(tǒng),并在物質(zhì)、能量和信息等多個層面解析和揭示其分子機制。利用系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)最新的成果與工具,不斷豐富含藻光合人工多細(xì)胞體系理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

1)面向?qū)嶋H需要,構(gòu)建高效光合多細(xì)胞體系。在廢水處理過程中,微藻很難保證純種培養(yǎng),藻與菌的共培養(yǎng)是更現(xiàn)實的選擇。雖然活性污泥-微藻的集成過程優(yōu)于單獨的活性污泥法,但是微藻培養(yǎng)過程成本高、受環(huán)境影響大的問題仍需要克服。在廢水處理過程中,由于污染物眾多,對凈化效果的要求不斷提高,所以開發(fā)更全面的微藻光合多細(xì)胞體系仍然是艱巨的工作。

2)從過程工程角度,維持多細(xì)胞體系的穩(wěn)定運行。在構(gòu)建光合多細(xì)胞體系后,隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,藻與菌的比例會產(chǎn)生變化,所以需要從環(huán)境條件和營養(yǎng)條件等方面精準(zhǔn)控制多細(xì)胞體系的群落組成,使之穩(wěn)定運行。同時,由于微生物生長速度快,隨著培養(yǎng)時間的延長,培養(yǎng)基的光透過性降低,將會影響微藻的光合作用,因此需要設(shè)計更合理的光生物反應(yīng)器來提高微藻的光利用效率。

3)探究光合多細(xì)胞體系的形成機制,向定量化合成生物學(xué)邁進(jìn)。微藻與細(xì)菌構(gòu)成光合多細(xì)胞體系,不僅需要維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),還要精準(zhǔn)調(diào)控其功能。從基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組和微生物組等多層次,詳細(xì)分析其形成的基因、蛋白、代謝物及群落水平上的分子基礎(chǔ)。利用多尺度手段,從基因—細(xì)胞—群落水平構(gòu)建定量化模型,準(zhǔn)確解析其動態(tài)調(diào)控過程。

4)解析現(xiàn)有多細(xì)胞體系作用機制,以真正實現(xiàn)由格物致知到造物致用。分析藻菌絮體等現(xiàn)有多細(xì)胞體系的微生物組成和結(jié)構(gòu),模塊化構(gòu)建新的光合多細(xì)胞體系,根據(jù)實際應(yīng)用的需要,組裝這些結(jié)構(gòu)和功能的模塊——細(xì)胞層面的元件,構(gòu)建新的高效系統(tǒng)。