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静态磁场对Chlorella微藻-细菌共生体光合系统、细胞分裂及生物量组成的影响

作者及发表信息
本研究由Yadira Silveira Font（古巴东方大学国家应用电磁学中心）、Yadenis Ortega Díaz（同前）、Ann Cuypers（比利时哈塞尔特大学环境生物学中心）、Elizabeth Isaac Alemán（古巴东方大学国家应用电磁学中心）及Dries Vandamme（比利时哈塞尔特大学分析与循环化学实验室）合作完成，发表于*Journal of Applied Phycology*（2024年，第36卷，41-56页）。

学术背景
微藻因其代谢灵活性和多样的化学成分，在食品、饲料、废水处理及高附加值产物（如生物燃料）领域具有广泛应用潜力。微藻与细菌的共生关系可促进双方生长，例如微藻释放氧气供细菌代谢，细菌则提供二氧化碳和生长因子。然而，如何通过物理干预提高微藻光合效率及生物量产量仍是研究热点。静态磁场（Static Magnetic Field, SMF）作为一种非侵入性物理刺激手段，此前已被证明可提升部分微藻的光系统II（PS II）量子产率和生物量积累，但其作用机制尚不明确，且对微藻-细菌共生体的影响研究较少。本研究旨在探究47 mT SMF在不同指数生长期施加对*Chlorella*微藻-细菌共生体的光合装置、细胞分裂及生物量组成的调控作用。

研究流程
1. 实验材料与培养条件
- 研究对象：以古巴本土分离的Chlorella sp.为主的微藻-细菌共生体，通过扫描电子显微镜（SEM-EDX）确认形态（球形微藻与杆状细菌共存）。
- 培养条件：使用改良Bristol培养基，在22±2.3°C、连续光照（58 μmol photons m⁻² s⁻¹）及通气条件下（9.2 L min⁻¹）进行光自养培养。

1. 磁场处理方案

   • 磁场参数：非均匀SMF（均值47 mT，梯度0.002–0.003 mT），由铁氧体磁体制备。
     
   • 处理时机：分两组，分别在指数早期（第3天，EP早期）和指数晚期（第7天，EP晚期）暴露1小时，对照组仅受地磁场影响。
     

2. 生长动力学分析

   • 生物量测定：每日通过干重与750 nm光密度校准曲线监测生长，计算比生长速率（μ）、倍增时间（tg）及生产力（P）。
     
   • 细胞分裂研究：在SMF暴露后0–48小时内，通过血球计数板统计单细胞、二分分裂及多重分裂细胞的比例。
     

3. 光合性能检测

   • 叶绿素荧光：使用Aquapen-C荧光仪测定PS II量子产率（QY=Fv/Fm）及OJIP瞬态荧光参数（如ϕpo、ψo、abs/RC等），评估光系统II活性。
     
   • OJIP测试：通过Fo（初始荧光）、Fj（2 ms时荧光）、Fi（60 ms时荧光）及Fm（最大荧光）分析电子传递链效率。
     

4. 生物化学组成分析

   • 色素与代谢物：丙酮提取法测定叶绿素a/b；Lowry法测蛋白质；酚硫酸法测碳水化合物；Folch法测脂质。
     
   • 胞外多糖（EPS）：过滤培养液后测定分泌量。
     

主要结果
1. 生长促进与细胞分裂
- SMF处理显著提升生物量浓度（EP早期组最高达0.89 g L⁻¹，较对照提高27%）及生产力（0.075 g L⁻¹ d⁻¹）。
- EP早期暴露刺激二分分裂（13.5×10⁴ cells mL⁻¹）和多重分裂细胞（19.5×10⁴ cells mL⁻¹）比例增加，且效应持续至48小时后。

1. 光合效率提升

   • SMF处理后QY立即升高（EP早期组0.70→0.73），表明PS II反应中心（RC）活性增强。
     
   • OJIP参数显示ϕeo（电子传递量子产率）上升，abs/RC（单位RC吸收通量）下降，反映RC数量增加及能量耗散减少。
     

2. 生物量组成变化

   • 蛋白质含量在EP早期组暴露后显著增加（17.41%→26.44%），可能与应激响应相关。
     
   • EPS分泌量在EP早期组第7天升高（0.034 mg mL⁻¹），而细胞内碳水化合物减少，提示碳分配转向胞外。
     
   • 脂质含量无显著差异，排除SMF对脂代谢的直接影响。
     

结论与价值
1. 机制阐释：SMF通过增加PS II反应中心数量及促进自由基对（P680⁺·Phe⁻·）形成，提升电子传递效率，进而驱动细胞分裂与生物量积累。
2. 应用意义：为微藻规模化培养提供低成本物理调控手段，尤其适用于共生体系的光合效率优化。
3. 科学创新：首次揭示SMF对微藻-细菌共生体的协同作用，并提出自由基对机制解释磁场效应的持续性。

研究亮点
- 时序特异性：EP早期施加SMF效果更显著，为工业化接种时机提供依据。
- 多参数关联：通过光合参数（OJIP）、细胞分裂与生化组成的耦合分析，全面解析磁场效应。
- 技术简化：1小时短时暴露即可实现长期生长促进，降低工业应用能耗。

其他价值
研究还发现细菌共生可能通过代谢互作（如CO₂供给）放大SMF效应，未来可进一步解析磁场对菌藻通讯的影响。