國際團隊發現新型藍藻菌株有助于海洋和工廠固碳

藍藻是一種能夠進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，構建復雜的生物材料，將普遍存在的材料轉化為多種底物。其通過高效的光合碳封存為生物制造和應對氣候變化提供了潛在途徑。目前已有多種產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。

但大多數藍藻研究都是在50多年前分離的模式生物中進行的。近日，來自美國和意大利的國際研究人員聯盟發現了一種從火山海底噴口中分離出來的新型藍藻菌株“Chonkus”，這種菌株特別擅長在二氧化碳存在的情況下快速生長，并很容易沉入水中，使其成為生物碳封存項目和生物生產有價值商品的主要候選者。

據悉，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，溶解碳相對較稀，這限制了生活在那里的光合生物的生長。我們決定研究一下如果去一個碳含量充足的地方緩解這個限制因素會發生什么，在那里一些生物可能已經進化出利用碳來促進生長的能力。”共同通訊作者舒伯特表示，他在進行這項工作時還是哈佛大學威斯研究所的一名研究員，現在是“協同創新”的首席項目科學家。

他和通訊作者蒂爾尼于9年前相識。當時，兩人都在美國遺傳學泰斗喬治·丘奇的實驗室進行研究工作，但直到2016年兩人都在哈佛醫學院（HMS）工作時才開始合作。

舒伯特是一名微生物學家，他對構建細菌及其基因組定向進化的工具很感興趣，他向HMS空間遺傳學聯盟的2019年氣候變化研討會提交了一份提案，希望將這項工作應用于藍藻。并獲得了相應的資助。

與此同時，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光的區域）論文的啟發，意識到在那些環境中可能生活著光合微生物，它們進化得善于從水中捕獲溶解的二氧化碳。

于是，兩人組建了一個聯盟，最終包括來自威斯研究所、HMS、美國威爾康奈爾醫學院、美國科羅拉多州立大學、美國威斯康星大學麥迪遜分校、美國麻省理工學院、美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室和意大利巴勒莫大學地球與海洋科學系的科學家。該小組在武爾卡諾海岸附近的海洋進行了實地考察，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。

為了誘導目標藍藻生長，研究人員復制了快速生長的藍藻生長所需的條件：溫暖的溫度、充足的光照和大量的二氧化碳。從富集培養物中分離出來后，發現了兩種快速生長的藍藻菌株：UTEX3221和UTEX3222。該團隊選擇重點研究UTEX3222，因為它是單細胞生長，這使得它更容易與現有的藍藻菌株進行比較。

UTEX3222產生的菌落比其他已知的快速生長藍藻菌株更大，其單個細胞也更大——因此得名“Chonkus”。它的生長密度也比現有菌株更高，幾乎是最近報道的高密度生長的Synechococcussp.PCC11901的兩倍。細胞中似乎含有含碳儲存顆粒，總體碳含量也高于其他菌株：所有這些特性對于碳封存和生物生產等應用都具有潛在的價值。

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。這種行為對于工業加工尤其有價值，因為濃縮和干燥生物質目前占生產成本的15%～30%。

“我們在Chonkus身上觀察到的許多特性在自然環境中本身并不適用，但對人類卻非常有用。水生生物自然生長的密度非常低，但能夠在較高溫度下生長到高密度對我們用于制造許多商品和產品的工業環境非常有用，并且可以幫助封存更多的碳。”蒂爾尼表示。

“這項研究中描述的自然進化藍藻菌株的固有特性有可能用于工業和環境，包括生物制造有用的碳基產品或將大量碳沉入海底。雖然可以進一步的修改來增強這些微生物的能力，但利用數十億年的進化對于人類緩解和逆轉氣候變化的迫切需要來說是一個重要的進步。”丘奇說。

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