单壁碳纳米管增强微藻和蓝藻光合作用及高附加值化合物生产的纳米生物技术研究

推荐：研究人员针对微藻光合效率低、高附加值化合物产量不足的问题，通过蛋白质分散或羧基功能化的单壁碳纳米管（SWCNTs）与微藻/蓝藻构建杂交系统。结果表明，LSZ@SWCNT（溶菌酶分散）可提升藻类光合效率19%，并显著增加藻蓝蛋白（+38%）及ω-3脂肪酸（DHA+92%，EPA+63%）产量，为光能-化学品转化提供了可持续解决方案。

　　

微藻和蓝藻作为“阳光驱动的细胞工厂”，能够合成高价值的抗氧化剂、色素和脂肪酸等化合物，但其产业化面临两大瓶颈：一是自然光合作用的能量转化效率低下，二是传统胁迫培养难以兼顾生物量增长与目标产物积累。例如，通过营养限制诱导脂质合成常导致生物量锐减，形成“蛋白质与脂质的两难困境”。更棘手的是，微藻培养浓度普遍低于3 g L^-1，远低于工业化所需的30 g L^-1阈值，导致下游采收成本高昂。

为突破这些限制，研究人员提出了一种创新思路：将碳基纳米材料（CNMs）与光合微生物耦合，构建“无机-生物”杂交系统。其中，单壁碳纳米管（SWCNTs）因其独特的光学特性备受关注——它们能吸收全光谱可见光与红外光，理论上可作为“人工天线”增强光捕获，甚至通过促进电子传递缓解光抑制。然而，SWCNTs的疏水性易导致团聚，且其与藻类的互作机制尚不明确，存在“促进光合”与“毒性抑制”的双重可能。

针对这些问题，中国的研究团队系统评估了蛋白质分散（如溶菌酶LSZ、组蛋白HST）和羧基化（SWCNT-COOH）的SWCNTs对5种光合生物的影响。通过稳定性测试筛选出LSZ@SWCNT等最优制剂，并采用多尺度技术（包括拉曼光谱、环境扫描电镜ESEM和透射电镜TEM）解析纳米管-藻类界面互作。

关键方法
研究分三阶段推进：1) 通过紫外可见光谱筛选SWCNTs分散稳定性；2) 用72小时暴露实验评估5种藻类对LSZ@SWCNT的耐受性；3) 对耐受性强的蓝藻（Arthrospira platensis）和硅藻（Thalassiosira sp.）开展14天培养，监测生长曲线、光合参数（Y_max/Y_eff）及代谢物变化，结合显微成像分析细胞超微结构。

研究结果

3.1 SWCNTs分散体系的稳定性
溶菌酶（LSZ）和组蛋白（HST）凭借高α-螺旋含量和正电荷，在Milli-Q水中实现最佳分散，紫外光谱显示清晰的van Hove跃迁峰（550-800 nm），表明SWCNTs充分解聚。但在高盐培养基中，仅BSA@SWCNT（牛血清白蛋白分散）保持稳定，而LSZ@SWCNT在pH>9的Zarrouk培养基中因接近等电点而团聚。

3.2 光合生物对SWCNTs的响应
72小时暴露实验显示，海洋硅藻Thalassiosira sp.和蓝藻A. platensis对1 mg L^-1 LSZ@SWCNT耐受性最佳，光合效率达对照的130%。值得注意的是，淡水硅藻Stephanodiscus hantzschii因细胞尺寸小（5 μm）易被SWCNTs包裹，导致光合活性骤降70%，印证了“尺寸依赖性毒性”。

3.2.3 LSZ@SWCNT的长期效应
14天培养中，LSZ@SWCNT使Thalassiosira sp.的光合效率提升19%，同时显著改变代谢流向：ω-3脂肪酸中DHA（二十二碳六烯酸）和EPA（二十碳五烯酸）分别增加92%和63%，而饱和/不饱和脂肪酸比值从0.9降至0.6。蓝藻A. platensis则表现出38%的藻蓝蛋白增量，但总脂含量降低25%，揭示SWCNTs能定向调控碳分配。

界面互作机制解析
拉曼图谱显示，SWCNTs的G峰从1588 cm^-1蓝移至1595 cm^-1，表明其与藻类细胞壁多糖发生静电相互作用。ESEM观察到A. platensis表面出现褶皱和沟槽，而Thalassiosira sp.硅质壳的孔道（areolae）扩大，暗示SWCNTs可能通过物理应力诱导细胞壁重塑。TEM进一步发现胞内空泡化增加，淀粉颗粒积累，但未检测到SWCNTs内化，支持“表面作用为主”的假说。

结论与意义
该研究首次证实：低浓度（≤1 mg L^-1）的LSZ@SWCNT可通过“表面应激”触发藻类代谢重编程，在不影响生长的前提下定向提升高值产物（如藻蓝蛋白、ω-3脂肪酸）的合成。这种纳米生物技术策略有三大优势：1) 利用SWCNTs的广谱吸光特性弥补藻类光合天线缺陷；2) 通过蛋白质分散实现纳米管单分散，避免团聚毒性；3) 产物增产幅度显著（DHA+92%），且SWCNTs易于回收。

这项工作为微藻生物精炼提供了新思路——通过理性设计纳米材料-生物界面，可突破自然光合的极限，实现“光能-化学品”的高效转化。未来研究需进一步解析SWCNTs影响代谢通路的分子机制，并探索规模化应用中纳米材料的循环利用技术。论文发表于《Bioresource Technology》，为可持续生物制造开辟了纳米增强的新路径。