國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新型藍(lán)藻菌株有助于海洋和工廠固碳

藍(lán)藻是一種能夠進(jìn)行光合作用的微生物，它們利用二氧化碳作為碳源，光作為能量源，水作為電子供體，構(gòu)建復(fù)雜的生物材料，將普遍存在的材料轉(zhuǎn)化為多種底物。其通過(guò)高效的光合碳封存為生物制造和應(yīng)對(duì)氣候變化提供了潛在途徑。目前已有多種產(chǎn)品是在藻類中制造的，如歐米伽-3脂肪酸、抗氧化劑蝦青素和螺旋藻等。

但大多數(shù)藍(lán)藻研究都是在50多年前分離的模式生物中進(jìn)行的。近日，來(lái)自美國(guó)和意大利的國(guó)際研究人員聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了一種從火山海底噴口中分離出來(lái)的新型藍(lán)藻菌株“Chonkus”，這種菌株特別擅長(zhǎng)在二氧化碳存在的情況下快速生長(zhǎng)，并很容易沉入水中，使其成為生物碳封存項(xiàng)目和生物生產(chǎn)有價(jià)值商品的主要候選者。

據(jù)悉，此火山位于意大利西西里島武爾卡諾島沿岸，由于接近火山噴口，這里的海洋二氧化碳含量豐富。

“與海洋中的所有其他分子相比，溶解碳相對(duì)較稀，這限制了生活在那里的光合生物的生長(zhǎng)。我們決定研究一下如果去一個(gè)碳含量充足的地方緩解這個(gè)限制因素會(huì)發(fā)生什么，在那里一些生物可能已經(jīng)進(jìn)化出利用碳來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)的能力?！惫餐ㄓ嵶髡呤娌乇硎?，他在進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)還是哈佛大學(xué)威斯研究所的一名研究員，現(xiàn)在是“協(xié)同創(chuàng)新”的首席項(xiàng)目科學(xué)家。

他和通訊作者蒂爾尼于9年前相識(shí)。當(dāng)時(shí)，兩人都在美國(guó)遺傳學(xué)泰斗喬治·丘奇的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究工作，但直到2016年兩人都在哈佛醫(yī)學(xué)院（HMS）工作時(shí)才開(kāi)始合作。

舒伯特是一名微生物學(xué)家，他對(duì)構(gòu)建細(xì)菌及其基因組定向進(jìn)化的工具很感興趣，他向HMS空間遺傳學(xué)聯(lián)盟的2019年氣候變化研討會(huì)提交了一份提案，希望將這項(xiàng)工作應(yīng)用于藍(lán)藻。并獲得了相應(yīng)的資助。

與此同時(shí)，蒂爾尼受一篇淺層滲漏（淺層滲漏是海底氣體滲入水中但深度足夠接收陽(yáng)光的區(qū)域）論文的啟發(fā)，意識(shí)到在那些環(huán)境中可能生活著光合微生物，它們進(jìn)化得善于從水中捕獲溶解的二氧化碳。

于是，兩人組建了一個(gè)聯(lián)盟，最終包括來(lái)自威斯研究所、HMS、美國(guó)威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院、美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)、美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、美國(guó)麻省理工學(xué)院、美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和意大利巴勒莫大學(xué)地球與海洋科學(xué)系的科學(xué)家。該小組在武爾卡諾海岸附近的海洋進(jìn)行了實(shí)地考察，從富含二氧化碳的淺層滲漏中采集水樣，分離并鑒定了樣本中的微生物。

為了誘導(dǎo)目標(biāo)藍(lán)藻生長(zhǎng)，研究人員復(fù)制了快速生長(zhǎng)的藍(lán)藻生長(zhǎng)所需的條件：溫暖的溫度、充足的光照和大量的二氧化碳。從富集培養(yǎng)物中分離出來(lái)后，發(fā)現(xiàn)了兩種快速生長(zhǎng)的藍(lán)藻菌株：UTEX3221和UTEX3222。該團(tuán)隊(duì)選擇重點(diǎn)研究UTEX3222，因?yàn)樗菃渭?xì)胞生長(zhǎng)，這使得它更容易與現(xiàn)有的藍(lán)藻菌株進(jìn)行比較。

UTEX3222產(chǎn)生的菌落比其他已知的快速生長(zhǎng)藍(lán)藻菌株更大，其單個(gè)細(xì)胞也更大——因此得名“Chonkus”。它的生長(zhǎng)密度也比現(xiàn)有菌株更高，幾乎是最近報(bào)道的高密度生長(zhǎng)的Synechococcussp.PCC11901的兩倍。細(xì)胞中似乎含有含碳儲(chǔ)存顆粒，總體碳含量也高于其他菌株：所有這些特性對(duì)于碳封存和生物生產(chǎn)等應(yīng)用都具有潛在的價(jià)值。

最有趣的是，Chonkus迅速沉淀成類似于“綠色花生醬”的致密顆粒，位于其樣品管底部，而其他菌株則保持懸浮狀態(tài)。這種行為對(duì)于工業(yè)加工尤其有價(jià)值，因?yàn)闈饪s和干燥生物質(zhì)目前占生產(chǎn)成本的15%～30%。

“我們?cè)贑honkus身上觀察到的許多特性在自然環(huán)境中本身并不適用，但對(duì)人類卻非常有用。水生生物自然生長(zhǎng)的密度非常低，但能夠在較高溫度下生長(zhǎng)到高密度對(duì)我們用于制造許多商品和產(chǎn)品的工業(yè)環(huán)境非常有用，并且可以幫助封存更多的碳?！钡贍柲岜硎尽?/p>

“這項(xiàng)研究中描述的自然進(jìn)化藍(lán)藻菌株的固有特性有可能用于工業(yè)和環(huán)境，包括生物制造有用的碳基產(chǎn)品或?qū)⒋罅刻汲寥牒５?。雖然可以進(jìn)一步的修改來(lái)增強(qiáng)這些微生物的能力，但利用數(shù)十億年的進(jìn)化對(duì)于人類緩解和逆轉(zhuǎn)氣候變化的迫切需要來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的進(jìn)步?！鼻鹌嬲f(shuō)。

目前，UTEX3222和UTEX3221的樣本已冷凍保存，并可從美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的藻類培養(yǎng)物保藏中心公開(kāi)供其他研究人員使用。