成果简介
近日，暨南大学李宏业教授团队和香港城市大学连思琪教授团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science and Ecotechnology上发表了题为“Purple acid phosphatase promoted hydrolysis of organophosphate pesticides in microalgae”的研究论文。文中通过基因工程方式构建了一株内源性表达紫色酸性磷酸酶PAP1的三角褐指藻工程藻株用于生物处理有机磷农药，并表现出高效的高浓度有机磷去除效率，同时能够生产微藻来源的生物质和生物燃料原料，为基于微藻体系的污染物降解提供了新的见解，具有良好的应用前景。本项目得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金和南方海洋科学与工程广东实验室（广州）的资助。
引言
有机磷农药常被用作杀虫剂或除草剂，其日常使用在全球范围内正在扩大。有机磷不正确使用会导致其在农业和水生态系统中的累积，从而导致水质下降和海洋环境的全球污染。随着海洋环境中有机磷浓度从ng/L增加到mg/L水平，海洋生物暴露于有机磷以及相关的毒理危害几乎是不可避免的，因此，迫切需要对消除海洋环境中释放的有机磷污染物的可行策略进行系统调查。微藻被认为是实现碳峰值和碳中和的最有希望的生物系统，具有许多优势。其中，海洋模式微藻三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum是一种典型的污染物生物处理藻株，可以快速生长并积累有价值化合物，从而实现污染物的生物降解和微藻生物质利用的双重效益。然而，三角褐指藻对含磷污染物的去除效率仍然较低。为了解决这些问题，在本研究中，选择了两种典型有机磷污染物，敌敌畏和草甘膦，来研究内源性表达紫色酸性磷酸酶PAP1的三角褐指藻工程藻株对有机磷污染物生物修复的潜力。我们确定了工程藻株对高浓度有机磷的耐受性和降解能力，研究了工程藻株的光合作用和碳通量对有机磷处理过程中其生物量和脂质积累的影响，评估了从工程藻株来源生物燃料的生物柴油性质。此外，阐明了工程藻株如何改善有机磷耐受性和降解能力的潜在作用机制，以理解紫色酸性磷酸酶如何帮助改善工程藻株对有机磷的响应。
导读内容一：工程藻株对有机磷更具耐受性和生物降解效果
在敌敌畏和草甘膦这两种代表性有机磷农药的存在下进行微藻培养，以评估内源性表达紫色酸性磷酸酶PAP1的三角褐指藻工程藻株处理有机磷污染物的能力。结果发现，与野生藻株相比，工程藻株培养基中有机磷残留物更少，这证明工程藻株具有更强的有机磷降解能力。PAP1的内源性过表达还引起工程藻株中PAP1转录水平和磷酸酶活性提高。当暴露于有机磷中，工程藻株显示出更大的磷代谢能力，积累更多的无机磷源以提升微藻体内的ATP浓度。
导读内容二：光合作用提升有助于工程藻株对有机磷的降解和生物质的积累
当用高浓度的有机磷农药培养时，工程藻株表现出生物量积累的显着增加，表明PAP1的内源性过表达在调节细胞内磷代谢和生物量积累中的作用。与野生藻株相比，工程藻株中观察到更强的光合性能，如Fv/Fm、ETR和NPQ值更优，这证明光合作用的提升使微藻能够抵抗并适应高浓度的有机磷农药。相反，在有机磷农药存在下，野生藻株的光合作用参数持续下降，这表明有机磷农药在野生藻株中对光合作用具有抑制效应。PAP1的内源性过表达下CO2利用率显着更高，表明其在生物量生产和有机磷农药去除中的作用。此外，工程藻株表现出更高的RuBisCO和碳酸酐酶活性，从而进一步有助于提高CO2固定和光合作用效率，并促进同时去除有机磷农药和生物量积累。
导读内容三：碳通量流向脂质积累以提升微藻生物燃料潜力
在PAP1的内源性过表达的情况下，工程藻株在初始培养阶段表现出碳水化合物含量增加，表明光合作用提升可以促进微藻碳水化合物的生物合成。随着处理时间的推移，蛋白质含量下降，脂质含量由最初保持不变逐渐显著提升。此外，脂质成分和脂肪酸的组分分布也发生了显著改变。这些脂质含量和脂肪酸组成的变化对微藻生物柴油的质量具有积极影响。这些结果表明工程藻株来源的生物柴油满足生物燃料标准的要求，显示出用作生物燃料的潜力。
导读内容四：抗氧化系统激活改善了工程藻株对有机磷农药的耐受和降解能力
污染物的存在可通过诱导ROS产生而对微藻细胞造成损害。然而，在PAP1的内源性过表达的情况下，工程藻株促进ROS的消除并提高对污染物的耐受性。在高浓度有机磷农药污染物存在下，工程藻株中抗氧化关键酶GPx、SOD和CAT的活性也显著增加。此外，暴露于污染物后，工程藻株的GSH/GSSG比值以及NADPH含量显著增加。提升的GSH水平和NADPH含量对于抵御污染物引起的细胞损害具有保护作用。另一方面，由污染物处理引发的NADPH含量增加也可以促进脂质含量的积累。总之，PAP1的过表达激活了抗氧化系统，从而消除ROS并增强工程藻株对有机磷农药的耐受性。
导读内容五：工程藻株高效耐受和降解有机磷农药的作用机制研究
我们评估了各种程序性细胞死亡标志物以评估工程藻株对有机磷农药处理的响应情况，结果发现工程藻株中细胞死亡的百分比较野生型低。这是由于工程藻株中PAP1的内源性过表达抑制了关键的程序性细胞死亡关键酶caspase-3的激活。进一步的分析表明，PAP1的内源性过表达也改善了细胞膜通透性和线粒体膜电位，这对微藻吸收和处理环境污染物非常重要。这些结果表明，工程藻株通过调节抗氧化系统、延迟程序性细胞死亡以及增强细胞代谢以提高工程藻株对有机磷农药的耐受性和降解能力。
结论
本研究通过构建PAP1的内源性过表达的三角褐指藻工程藻株以处理水环境中有机磷农药。工程藻株展示了对高浓度有机磷农药高效的降解效果，同时具有生物质和脂质的协同积累效果。同时，工程藻株中抗氧化系统的激活以及对程序性细胞死亡的抑制是其高效耐受和生物降解有机磷农药的潜在作用机制。总体而言，本研究为微藻生物降解有机磷农药污染物和可持续生物燃料生产方面提供了新的见解。
作者简介
通讯作者：李宏业，暨南大学教授，博士生导师。致力于合成生物学、生物质资源化利用、环境污染物生物修复等研究并取得一系列有特色创新成果。主持承担国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金重大重点等多个项目。以通讯作者发表SCI论文100余篇，其中一区论文40余篇，包括Science Advances、Metabolic Engineering、Environmental Microbiology等权威期刊，多篇被选为ESI高被引论文，他引3600余次。获得授权发明专利16项。以第一完成人获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖等奖项。
通讯作者：连思琪，香港城市大学教授，博士生导师。以废弃物为基础的生物精炼技术，将‘可持续发展’的理念引入化学品、材料和燃料的生产，以帮助减少废物处理的环境负担和提高资源的利用效率。作为项目负责人，主持了超过30个大型研究项目，从香港创新科技署和香港研究资助局等获得超过3000万港元的研究经费。以通讯作者身份发表了180多篇学术文章，包括Nature Review Earth & Environment、Chemical Society Review、Energy and Environmental Science等顶级期刊。她被斯坦福大学评为“生物技术”和“环境科学”领域世界前2%的科学家(2020)。现任Chemical Engineering Journal（Elsevier）主编，Biochemical Engineering Journal（Elsevier）副主编。
第一作者：汪翔，暨南大学副教授，硕士生导师。主要从事基于微藻体系下的污染物绿色生物降解研究。近5年以第一作者/通讯作者身份在相关领域SCI期刊发表论文20篇，其中中科院大类一区15篇。主持7项科研项目，其中1项国家自然科学基金。
论文信息
标题：Purple acid phosphatase promoted hydrolysis of organophosphate pesticides in microalgae
引用信息：Wang, X., He, G. H., Wang, Z. Y., Xu, H. Y., Mou, J. H., Qin, Z. H., ... & Li, H. Y. (2024). Purple acid phosphatase promoted hydrolysis of organophosphate pesticides in microalgae. Environmental Science and Ecotechnology 18：100318.