《Journal of Hazardous Materials》：Nanoparticle-mediated modulation of microalgae to heavy metal co-exposure stress: A meta-analysis
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微藻在纳米颗粒与重金属复合污染下的生理响应及调控机制研究，通过元分析方法整合16项研究392个实验数据，揭示微藻种类（绿藻/硅藻）、纳米材料类型（光活性/惰性）及重金属种类（Cd/Pb）对联合毒性效应的影响规律，发现绿藻存在应力增益效应而硅藻受抑制，光活性纳米颗粒加剧毒性，惰性纳米颗粒减轻损伤，Cd和Pb具有差异化胁迫效应，为水生态系统风险评价提供理论依据。
严莉|甄宇|崔一凡|萨达夫-伊利亚斯·卡亚尼|薛先辉|胡新娟|钱静雅|朱菲菲|霍书豪
江苏大学食品与生物工程学院，镇江，212013，中国
摘要
纳米颗粒（NPs）和重金属是水生环境中普遍存在的污染物，它们不可避免地与微藻发生相互作用。尽管有一些研究揭示了NPs和重金属对微藻的综合影响，但由于对NPs类型、重金属种类和微藻的研究范围有限，目前对此的理解仍然不足。本研究采用元分析方法，结合标准化平均差异（SMD）和随机效应模型，综合了16篇全球文献中的392项观测数据，系统评估了NPs在微藻应对重金属压力中的作用。结果表明，NPs和重金属共同作用对微藻的影响与微藻种类以及NPs和重金属的类型有关。在某些绿藻（如Chlamydomonas reinhardtii和Scenedesmus obliquus）中，这种共同作用会促进细胞增殖；而硅藻则表现出一定程度的生长抑制。就NPs类型而言，光活性材料（如量子点（QDs）和银纳米颗粒（Ag NPs）会增强毒性，而惰性材料（如聚苯乙烯纳米颗粒（PS NPs）则能减轻细胞损伤。从重金属特性来看，镉（Cd）和铅（Pb）会产生不同的压力效应，从而对微藻的生理状态产生不同的影响。这些发现为理解NPs在调节微藻与重金属相互作用中的关键作用提供了机制上的见解，有助于改进受多重污染物压力影响的水生生态系统的风险评估框架。
引言
纳米颗粒（NPs）由于其独特的物理化学性质，在能源、医疗和环境修复领域得到了广泛应用[2]，全球年产量超过数百万公吨[84]。然而，在制造、使用和处置过程中，包括金属氧化物和碳基纳米材料在内的NPs不可避免地会释放到水生环境中[79]。这些人为来源的NPs通过地表径流和废水排放等方式进入淡水和海洋生态系统[79]，在那里它们会持续存在并积累[25]，对水生初级生产者构成严重威胁。作为水生食物网的基础，微藻贡献了全球约50%的初级生产力和氧气供应，其生理状态对生态系统稳定性和碳循环至关重要[72]。大量研究表明，NPs能够穿透微藻细胞屏障[38]，通过诱导氧化应激、破坏光合作用机制和干扰营养吸收来抑制微藻的生长和代谢[21]。然而，这些影响的程度因NPs的特性（如类型、大小、表面功能化）和环境条件而异。
与此同时，重金属污染（如镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）构成了全球性的环境危机[61]，在工业区和河口-沿海水域尤为严重[20]。这些金属离子通过使金属酶失活、破坏离子平衡以及引发活性氧（ROS）的过量产生，严重损害微藻的生理过程，导致其增殖率下降、光合作用效率降低和抗氧化能力减弱[114]。值得注意的是，NPs和重金属在自然水生系统中经常共存，它们之间的物理化学相互作用（如吸附-解吸动态和表面配位）会产生多种协同或拮抗效应[22]。一些研究表明NPs可能通过吸附作用降低重金属的生物可利用性（拮抗作用），而另一些研究则指出NPs作为“特洛伊木马”载体促进细胞内金属积累（协同作用）或通过联合毒性加剧氧化损伤[112]。然而，在理解NPs和重金属对微藻的共同影响方面仍存在三个关键知识空白：（i）效应特征描述不完整，大多数研究仅关注单一污染物组合，而非跨物种的多参数分析；（ii）关于NPs特性（大小、表面电荷、老化状态）、重金属形态和暴露情景如何调节相互作用机制的机制尚不明确；（iii）由于剂量-反应数据和时间动态分析不足，风险量化不够充分，严重限制了生态风险评估框架的准确性。
基于此背景，本研究采用元分析方法整合了已发表的关于微藻在NPs和重金属共同作用下的生理反应的实验数据。研究旨在评估NPs和重金属共同暴露对微藻关键生理参数（包括生长、光合作用效率和氧化应激）的总体影响，阐明NPs特性和重金属类型如何调节相互作用模式（拮抗、协同或叠加效应），并探讨在共同压力下的适应反应和生理调节途径。通过对多因素相互作用影响的全面分析，这些发现为纳米材料的精准环境风险评估提供了科学依据，并为复杂污染情景下的管理策略制定提供了理论和实践指导，从而有助于保护水生生态系统的稳定性和支持可持续的环境治理。
参考文献
文献搜索
为了系统评估NPs在微藻应对重金属压力中的作用机制，本研究遵循了《系统评价和元分析优先报告项目》（PRISMA）指南[65]。使用布尔查询“nanoparticle” AND “microalgae” AND “heavy metal”在Science Direct和Web of Science数据库中进行了严格搜索。初步搜索从Science Direct中获得了3,669条记录，从Web of Science中获得了54条记录，总计3,723条
数据集概述
本元分析综合了16项研究中的392项实验观测数据（表1），研究了NPs和重金属对微藻在九个核心生理指标上的共同影响：光合作用系统受损、抗氧化酶活性、重金属吸附效率、种群动态、氧化应激反应和生长抑制率。数据集涵盖了8个属的12种微藻，其中绿藻（Chlorophyta）占主导地位
展望
虽然本元分析首次在全球范围内系统整合了NPs-重金属-微藻相互作用机制，但其结论的生态学外推受到三个基本限制的制约：暴露浓度不现实、群落结构简化以及NPs类型覆盖不全面。部分研究中使用的浓度偏离了自然水体中的背景水平。例如，工业污染水平
环境意义
本研究表明，NPs和重金属的共污染会增强微藻对金属的吸附能力（例如，Scenedesmus的吸附效率），为生物修复提供了新的途径。从环境角度来看，微藻对维持水生食物网（占全球初级生产力的50%）和碳循环稳定性具有重要意义。解决这一问题的方法包括：（i）选择具有增益效应的物种（如谷胱甘肽激活的绿藻）用于受污染水体的处理；（ii）对硅藻进行工程改造
资助
本研究得到了国家自然科学基金（32370387；32350410412；32361143786；32572539）、中国博士后科学基金（2023M741438）和2025年江苏省研究生科学研究与实践创新计划基金（SJCX25_2488）的支持。
CRediT作者贡献声明
萨达夫-伊利亚斯·卡亚尼：撰写 – 审稿与编辑。崔一凡：验证、软件处理、数据管理。薛先辉：验证、软件处理、数据管理。霍书豪：指导、资金争取。朱菲菲：撰写 – 审稿与编辑。钱静雅：正式分析、概念构建。胡新娟：正式分析、概念构建。甄宇：可视化、指导、正式分析。严莉：撰写 – 初稿撰写、调查、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
