同步辐射揭示嗜酸微藻PM01耐受高浓度锰机制

科研人员利用同步辐射技术揭示了一种嗜酸绿色微藻在高浓度锰环境中存活的关键机制。研究对象为嗜酸衣藻PM01(C. acidophila PM01)，该微藻最初从酸性矿山排水池中分离获得，能够在最高50 mM、约合2.75 g/L的锰浓度下存活，是目前报道中锰耐受能力最强的微藻之一。

锰是生物体所需的营养元素，但在采矿、矿石加工和电解锰生产等过程中，高浓度锰可能进入水体并形成污染。尤其在酸性水体中，锰的去除难度较高。部分微生物能够适应这类极端环境，但其耐受机制仍需借助精细分析手段加以阐明。

为解析PM01的生存策略，研究团队在意大利的里雅斯特埃莱特拉同步辐射光源开展实验，综合使用了低能X射线荧光显微镜(XRF)、扫描透射X射线显微镜(STXM)、X射线吸收近边结构(XANES)光谱，以及同步辐射傅里叶变换红外光谱显微镜(SR-FTIR)等技术。这些方法分别用于观察细胞内关键元素分布、识别细胞结构特征、确定锰的化学形态，并分析细胞在锰暴露下的生化响应。

C. acidophila PM01 细胞的特征 LE-µXFM 和 STXM 吸收显微照片，空间分辨率为 400 nm，未经处理(对照)或用 20 mM MnCl 2处理24 小时或 72 小时

实验结果显示，锰并未在PM01细胞内均匀积累，而是主要分布在细胞核周围及细胞边缘富氧区域。这一分布特征与液泡隔离锰的现象相符，说明细胞可能通过将锰限制在相对安全的区室中，降低其对关键细胞结构和代谢过程的影响。

XANES分析进一步表明，进入生物质后的锰仍保持Mn²⁺氧化态，并主要由含氧配体以近似八面体结构包围。补充测量显示，磷酸盐可能在液泡和细胞壁中锰结合过程中发挥重要作用。

(a) 嗜酸菌PM01 生物质中 Mn 的 XANES 光谱和 (b) 生物分子特征的 SR-FTIR 分析(提供指纹区域)

SR-FTIR结果则揭示了细胞代谢层面的变化，包括碳水化合物和磷酸盐相关信号改变、脂质储备减少，以及轻微氧化损伤迹象。结合显微观察和光合作用测量结果，研究认为，PM01抵御高浓度锰需要消耗较多能量。细胞通过重新分配代谢储备、扩大液泡系统，并略微提升光合作用效率来应对锰压力。

研究团队据此提出，PM01的金属耐受模式可概括为“通过低细胞内滞留实现存活”。也就是说，该微藻并非依靠大量富集锰，而是将部分锰结合在细胞表面，将部分锰转移至液泡，并可能通过液泡排泄进一步排出，从而让锰尽量远离敏感的细胞机制。

这一发现对锰污染酸性水体中的微藻应用具有参考意义。由于PM01对锰的积累量相对较低，它未必适合作为锰生物修复的理想候选生物;但其突出的耐受能力表明，在锰污染酸性水体中培养该微藻，或可用于生物质及生物燃料生产，并减少对淡水资源的依赖。研究也为进一步探索其他嗜酸微藻是否采用类似“拒收”策略抵抗金属胁迫提供了方向。