JHM专栏｜湖南科技大学任伯帜、彭亚洲团队：超声辐照铜绿微囊藻失活的生物学活性及分子机制
第一作者：彭亚洲副教授
通讯作者：任伯帜教授
通讯单位：湖南科技大学土木工程学院
论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2024.133742
图片摘要
成果简介
近日，湖南科技大学土木工程学院任伯帜、彭亚洲研究团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Biological activity and molecular mechanism of inactivation of Microcystis aeruginosa by ultrasound irradiation”的研究论文。该研究探讨了超声波照射在抑制有害藻华（HAB）中的有效性，并深入研究了不同频率超声波对铜绿微囊藻细胞的生物学活性及分子机制的影响。研究结果揭示了超声波照射通过破坏藻类的细胞结构和代谢途径使藻细胞失活，从而实现沉淀去除，为控制有害藻华提供了重要的科学依据。
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有害藻华（HAB）严重影响水质和生态平衡。超声辐照已被证明是控制藻类的有效方法。然而，超声辐射铜绿微囊藻失活的分子机制仍然未知。本研究对不同频率超声波作用下藻类细胞的生理活性和分子机制进行了研究。结果表明，高频、高剂量超声波可显着抑制藻类细胞的生长。此外，随着超声剂量的增加，藻类细胞膜破裂的比例更高。SEM和TEM观察到膜结构和内部基质明显破坏。高频超声波产生的羟基自由基对细胞膜造成严重损伤，而抗氧化酶活性的增加则增强了细胞抵抗氧化应激的能力。740kHz超声照射2分钟后，在能量代谢、碳水化合物代谢和环境信息处理途径等各个方面都出现了显着差异的基因表达。此外，超声波照射影响DNA修复和细胞凋亡，表明藻类细胞承受生物应激以抵消超声波造成的损伤。这些研究结果表明，超声波照射通过破坏藻类的细胞结构和代谢途径使藻细胞失活，从而达到抑制藻类的目的。
引言
全球范围内HABs的出现对内陆生态系统的水质构成了新的威胁。特别是在富营养化水体中，藻类通常可以快速繁殖形成HAB。铜绿微囊藻是一种常见蓝藻物种，由于其产生微囊藻毒素等毒素，对人类、动物和植物的健康构成重大威胁。为了有效应对HABs带来的挑战，人们开发了多种方法来控制水环境中的藻类，包括物理、化学、生物和综合治理方法。超声辐照技术作为一种便捷、无二次污染、对生态破坏最小的藻类物理控制方法而受到广泛的研究关注。然而，高剂量超声照射会导致胞内有机物（IOM）的释放并带来高能耗。
因此，本研究评价不同超声参数对铜绿微囊藻生长、光合活性、抗氧化系统和亚细胞结构的影响，探讨超声辐照对铜绿微囊藻灭活的生理特性。通过原核转录组分析与藻类能量代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、遗传物质表达和环境信息处理相关的基因表达，研究超声辐照铜绿微囊藻的分子生物学效应。对解决HABs问题具有重要的理论和现实意义。
图文导读
图1：不同频率超声照射对铜绿微囊细胞生长抑制的影响。（A）20kHz。（B）740kHz。（C）1120kHz。
不同频率和剂量的超声照射对铜绿微囊藻生长的影响表现出差异。确定最佳超声参数对于增强藻类生长抑制功效和最大限度减少IOM的释放具有重要意义。如图1所示，随着超声波照射时间和频率的增加，超声辐射对藻细胞的生长抑制作用增强。
图2：超声波照射下铜绿微囊藻抗氧化系统的变化。（A）超氧化物歧化酶。（B）过氧化氢酶。（C）丙二醛。根据单向方差分析，不同的字母表示每个超声参数组间平均值存在显着差异（p<0.05）。
如图2A所示，在20kHz的超声照射后，铜绿微囊细胞的SOD活性下降，这种下降可能归因于低频超声波对某些细胞结构造成的物理损伤。相反，在740kHz和1120kHz超声波照射后，SOD活性增加，表明藻类细胞利用SOD来抵消超声波的化学效应。超声波照射后CAT活性增加（图2B），表明细胞主动增加CAT活性以分解超声波化学作用产生的羟基自由基。图2C中的结果表明，较高的频率与藻类细胞中更明显的脂质膜氧化相关。
图3：740kHz超声波处理后铜绿假单胞菌细胞膜完整性的变化。（A）无超声波。（B）2分钟。（C）5分钟。
图3A显示，即使在超声照射之前，也有3.02％的藻细胞表现出细胞膜损伤，这是藻类细胞群落生长和代谢过程中的正常现象。如图3B所示，27.31%的藻类细胞的细胞膜受损且完整性发生改变，但细胞膜受损的比例仍然相对较小。如图3C所示，59.41%的藻类细胞膜完整性发生变化，表明高剂量超声波对藻类细胞具有明显的破坏作用，大多数细胞失去活性，并且存在破裂细胞释放IOM的风险。
图4：铜绿微囊藻的SEM图像。（A）、（B）无超声波。（C）、（D）740kHz超声波照射2分钟。（E）、（F）740kHz超声波照射5分钟。
超声波照射前未经处理的铜绿微囊藻细胞的SEM图像如图4（A，B）所示。藻类细胞轮廓清晰可见，呈规则球体，表面光滑，细胞损伤最小。超声波处理2分钟后如图4（C，D）所示，细胞轮廓与未处理的细胞相似，细胞壁上仅出现轻微的皱纹。超声处理5分钟后的铜绿微囊细胞如图4（E、F）所示，显示出明显的细胞表面损伤和一些细胞的结构破坏。
图5：铜绿微囊藻的TEM图像。（A）、（B）无超声波。（C）、（D）740kHz超声波照射2分钟。（E）、（F）740kHz超声波照射5分钟。
从图5（A、B、C）可以看出，细胞结构完整，细胞膜和细胞壁轮廓清晰。超声波照射2分钟后如图5（D、E、F）所示，可以观察到细胞结构保持相对完整，细胞壁轮廓变薄。超声照射5分钟后如图5（G、H、I）所示，可以明显看出细胞壁和细胞膜显得更加模糊，细胞质的某些区域与细胞膜融合。
图6：铜绿微囊藻细胞能量和碳水化合物代谢途径的示意图。
参与光合作用的基因（psaK、psbA、psbD、psb28、atpI）表现出不同程度的差异表达，其中与PSII相关的psbA和psbD下调，与PSI相关的psaK上调。参与氧化磷酸化的基因（ndhD、ndhF、hoxE、hoxF）在超声处理后表现出显著降低（-76.4%、-36.4%、-38.1%、-32.1%）。ndhD等基因的显着下调表明藻类细胞的光合作用系统受损。
转录组分析显示与这些过程相关的glgA（淀粉合酶；-53.7%）和fkp（ATP依赖性磷酸果糖激酶；-33.7%）显著下调，参与蔗糖代谢的基因（SUS、SPP）上调（33.1％、42.1％），表明藻类细胞在超声波照射导致的淀粉合成停滞的情况下适应了其光合产物的最终形式（图6）。
在涉及氨基酸代谢的三个基因中，gdhA（谷氨酸脱氢酶）、mmsB（3-羟基异丁酸脱氢酶）和GLYK（D-甘油酸3-激酶）的转录均在超声处理后表现出上调，说明藻细胞可能会增强其谷氨酸代谢途径活性以响应超声辐射，这可能与应激反应和氮代谢调整有关。同时，氮代谢中涉及氨生成的两条途径表现出转录下调（nirA、hcp）。
在DNA复制和修复方面，与DNA复制相关的基因显着上调，包括dnaG（DNA引物酶；gene1452）和dnaE（DNA聚合酶III亚基α；gene23），倍数变化分别为40.4%和36.5%（p<0.05）。来自位于质体中的蓝细菌的DnaG引物酶合成RNA引物，这些引物由DNA聚合酶III延伸，这是一个与细胞器复制相关的过程。此外，与硫中继系统相关的基因，例如thiS（硫载体蛋白；基因3279），表现出158.2%的显着上调。这表明藻类细胞参与DNA修复并调节生长和凋亡，以抵消超声波照射引起的外部应激。
超声辐射后与ABC转运蛋白相关的基因出现差异表达，与碳酸氢盐转运系统相关的基因（cmpA、cmpB、cmpC、cmpD）显着下调。藻类ABC转运蛋白的下调会影响跨细胞膜的主动转运，抑制吸收细胞过程所需的必需营养物质的能力。此外，与信号转导相关的三个基因（基因1515、基因1513、基因3334）表现出下调（-34.4％、-38.0％、-43.6％），编码rpaA的基因3334通过基因敲除菌株将能量从藻胆体转移到光系统I。这表明铜绿假单胞菌的光合系统受到破坏，并且基因2535（光系统I亚基X）相应上调42.3%，表明对这种损伤的修复反应。
小结
本研究深入探讨了超声辐照对铜绿微囊藻细胞的影响及其背后的细胞损伤与修复机制。研究结果显示，超声辐照不仅显著抑制了铜绿微囊藻细胞的生长和光合作用，还对其抗氧化系统、细胞的完整性和形态结构产生了显著影响。在基因表达层面，超声辐照引发了铜绿微囊藻细胞基因表达的显著变化。涉及能量代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、DNA复制和修复、转录和翻译以及环境信息处理的基因均受到调节。同时，超声还影响了细胞的DNA修复和物质运输系统，表明细胞正在尝试修复由超声引起的损伤。综上所述，该研究揭示了超声辐照对铜绿微囊藻细胞的生理活性和基因表达的影响机制。这为理解超声辐射对藻类细胞失活的分子生物学机制及潜在影响提供了重要见解。
作者简介
任伯帜：博士、二级教授，博士生导师。地球科学与空间信息工程学院院长，页岩气资源利用与开发湖南省重点实验室主任，国家基金委专家、国家科技部专家，湖南省给水排水学会委员，湖南省节能减排专家，湘潭市优秀专家，湖南省青年骨干教师，市政工程学科学术带头人，湖南省“优秀研究生导师团队”负责人，“水资源利用与保护”省精品课程主持人，湖南省给水排水学会委员。研究方向为城镇给水排水工程、有色金属矿山环境综合治理。先后主持国家自然科学基金项目4项，省自然科学基金项目、教育厅重点项目、省建设厅等纵项目10余项，主持横向课题20余项。主编水资源利用与保护（十一五规划教材）、城市给水排水教材2部，获湖南省科技进步奖三等奖1项(排名第一)；获省级教学成果二等奖1项(排名第一)。
通讯邮箱：bozhiren@126.com
彭亚洲：博士，副教授，硕士生导师，就职于湖南科技大学土木工程学院。主要研究方向为饮用水水质安全保障、含藻水的应急处理技术及藻类水华控制技术等。主持湖南省自然科学基金青年项目，作为项目骨干主研国家自然科学基金面上项目、国家水体污染污染控制与治理科技重大专项项目等多项国家级项目；参编重庆市地方标准《榨菜行业水污染物排放标准》（DB50/1050—2020）；先后以第一、第二及通讯作者在Journal of Hazardous Materials、Ultrasonics sonochemistry、Journal of cleaner production、Journal of Environmental Management、Chemosphere、Journal of Water Process Engineering、Chemical Engineering Journal等国外SCI期刊发表学术论文10余篇；授权国内发明专利1项，授权国外专利1项。
通讯邮箱：asia.p@foxmail.com
JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters), 和Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)。三本期刊拥有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测，和去除。旗舰期刊JHM发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开放获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。
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