【Carbon Neutrality论文荐读】任南琪院士团队：低温胁迫下微藻高效产油与抗生素去除的协同机制

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哈尔滨工业大学任南琪院士团队任宏宇教授课题组在Carbon Neutrality上发表研究，揭示了温度胁迫下微藻同步产油与降解四环素的新机制。

文章亮点

1. 低温15℃联合四环素胁迫下，微藻脂质含量可达到 71.25%；

2. 不同温度下四环素去除效率均超过90%，25℃和35℃下实现完全去除；

3. 结合代谢组学与转录组学，揭示了低温调控脂质合成的分子机制；

4. 阐明了四环素在藻细胞中的主要生物降解途径。

内容简介

工业的快速发展带来了高碳排放与废水污染问题，亟需寻求新型清洁能源与低碳污染物处理技术。微藻作为一种可再生能源，不仅能通过光合作用固定CO₂，还能同步处理废水中的新兴污染物。四环素（TC）作为广泛使用的抗生素，在水体中的残留对生态环境和人类健康构成威胁。然而，不同温度条件下微藻去除四环素并积累脂质的协同机制尚不明确。本研究系统探究了低温（15℃）、中温（25℃）和高温（35℃）条件下，微藻、在四环素胁迫下的生长、产油及污染物去除性能。研究发现，低温15℃联合四环素处理使微藻脂质含量高达71.25%，同时四环素去除率达90.79%。通过多组学分析揭示了低温促进碳流向脂质合成的分子机制，并阐明了四环素的生物降解途径。该研究为利用微藻在寒冷地区实现废水处理和生物能源生产的绿色可持续发展提供了理论依据，助力碳中和目标的实现。

图文导读

结论一

低温胁迫促进微藻脂质积累

低温胁迫显著促进微藻脂质积累，研究发现，在15°C低温条件下，四环素处理组的微藻脂质含量在培养第9天达到71.25%，显著高于对照组及其他温度组。25°C下脂质产率最高，达到431.03 mg/L/d。这表明低温更有利于脂质积累，而中温更有利于脂质生产。四环素的存在对微藻生物量无显著抑制作用，说明该浓度下微藻具有良好的耐受性。

图1.不同温度下TC对微藻生物量浓度（A）、生物量产率（B）、油脂含量（C）和油脂产率（D）的影响。

结论二

微藻在不同温度下均实现高效四环素去除

四环素去除效率随培养时间显著提高。在25°C和35°C条件下，培养9天后四环素被完全去除（低于检测限）；即使在15°C低温环境下，去除率仍高达90.79%。这表明微藻具有较强的四环素去除能力，尤其在寒冷地区仍可保持高效处理性能。且高温下叶绿素a含量显著增加，可能与光合作用相关酶活性增强有关。

图2.不同处理条件下TC去除效率（A）、色素含量变化（B）、不同色素的比例（C），以及蛋白质/碳水化合物含量（D）

结论三

低温-四环素协同诱导氧化应激，促进脂质合成相关基因高表达

低温15°C下，微藻细胞内活性氧（ROS）水平显著升高，达到569.51 DCF荧光强度 (1×10⁶ cells)-1；同时谷胱甘肽（GSH）含量达52.36 nmol·(fresh alga)-1，表明抗氧化系统被激活。转录组分析显示，低温-四环素处理上调了脂肪酸合成关键酶基因（ACCase、MCD、FAD、DGAT）的表达，其中DGAT（甘油二酯酰基转移酶）表达量显著增加，直接促进了甘油三酯（TAG）的合成。同时，抗氧化酶SOD和POD基因表达也上调。

图3. 不同处理条件下藻类细胞内活性氧水平及谷胱甘肽含量（A）、抗氧化酶含量（B）的变化，以及微藻对温度和TC处理下游离脂肪酸、三酰甘油、抗氧化和自噬相关基因变化的响应（C）

结论四

微藻生物降解四环素途径

研究鉴定出四环素的降解中间产物（P2-P10），并提出了主要降解途径：途径A涉及去甲基、脱羰基和脱羟基反应生成P4 (m/z 130)；途径B通过脱水、去甲基和开环反应生成P6 (m/z 182)和P7( m/z 135)；途径C经羟基攻击、开环和脱羰基生成P10 (m/z 263)。最终这些小分子被进一步降解为CO2和H2O。推测涉及的酶包括细胞色素P450、脱氨酶、脱水酶和双加氧酶等。

图4. 微藻降解四环素的可能路径图

总结展望

本研究系统揭示了不同温度条件下微藻同步处理四环素废水与积累脂质的协同机制。低温通过氧化应激信号激活了脂质合成代谢通路，使脂质含量达到71.25%，在寒冷环境下四环素去除率仍保持在90%以上。多组学分析证实了温度是调控代谢物和基因差异的关键因素，而13C代谢流分析证明了碳流向脂质合成的重定向。

该研究为在寒冷地区利用微藻实现污染物处理和生物能源生产提供了重要理论依据。未来可通过基因工程改造关键酶（如DGAT、ACCase）进一步强化低温下的脂质合成效率，为碳中和目标贡献生物技术方案。

原文信息

New mechanistic insights into microalgae biofuel production and tetracycline removal under temperature stress

作者：

Xueting Song, Fanying Kong, Bing-Feng Liu, Qingqing Song, Xin Tan, Nan-Qi Ren, Hong-Yu Ren*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-026-00167-w

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-026-00167-w

Cite this article：

Song, X., Kong, F., Liu, BF. et al. New mechanistic insights into microalgae biofuel production and tetracycline removal under temperature stress. Carb Neutrality 5, 17 (2026). https://doi.org/10.1007/s43979-026-00167-w

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通讯作者信息

任宏宇，哈尔滨工业大学，教授

研究领域

废水废弃物低碳处理及资源化。

个人简介

任宏宇，哈尔滨工业大学环境学院教授、博士生导师，城乡水资源与水环境全国重点实验室固定成员。

主要研究领域为废水废弃物低碳处理及资源化，围绕生物质能源和资源化（微藻、菌藻等）、工业难降解废水处理、环境功能材料、污泥处置及资源化、发酵法生物制氢技术、新兴污染物降解转化、光电催化技术等开展系统研究。入选黑龙江省高层次人才、哈尔滨工业大学青年拔尖人才选聘计划、黑龙江省博士后青年英才计划，主持国家自然科学基金、省重点研发计划、中国博士后科学基金特别/面上资助、省博士后特别资助、国家重点实验室课题等，参与多项国家重点研发计划、国家自然科学基金项目。

联系方式

E-mail: rhy@hit.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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