阿米替林在普通小球藻（Chlorella vulgaris）中的毒性机制及其在受污染废水生物修复中的潜力

《Algal Research》：Amitriptyline toxicity mechanisms in Chlorella vulgaris and potential for bioremediation of contaminated wastewater

本研究以普通小球藻为对象，探究不同浓度阿米替林对其生理功能及生物降解的影响。结果表明，阿米替林显著抑制藻体生长和光合作用（叶绿素a减少72%），同时激活抗氧化系统（SOD和CAT活性分别提升217.5%和67.2%）。转录分析显示PsaB和PsbC基因表达抑制率达57.2%-75.5%。经8天暴露，藻体对5mg/L阿米替林的最大去除率达62.62%，符合伪一级动力学模型（半衰期5.93天）。为优化微藻处理工艺及环境风险评估提供理论依据。

　　

袁文杰|吴一成|周颖玲|舒秉军|蔡金奇|傅海燕

福建工程技术研究中心，厦门理工大学，中国厦门361024

摘要

传统的废水处理工艺对三环类抗抑郁药阿米替林的去除效率较低。本研究采用普通小球藻（Chlorella vulgaris）作为实验生物，探讨了不同浓度阿米替林对该微藻多种生物功能的影响。结果表明，阿米替林主要通过抑制光合作用、破坏抗氧化系统以及抑制与光合作用相关的基因表达来抑制普通小球藻的生理活性。叶绿素a的含量显著减少了72.0%，而超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性分别增加了217.5%和67.2%。在5 mg/L阿米替林作用下暴露8天后，普通小球藻对阿米替林的最大去除率为62.62%，生物降解被认为是主要的去除途径。阿米替林的去除过程遵循伪一级动力学，降解半衰期为5.93天。本研究为优化基于微藻的阿米替林污染废水处理工艺提供了理论基础，并为阿米替林的环境风险评估提供了关键数据支持。

引言

世界卫生组织的流行病学数据显示，全球精神障碍的年龄标准化患病率从2000年的水平显著上升了18.6%，达到12.5%，其中社会环境变化和生活方式相关的压力因素是主要致病因素[[1], [2], [3]]。全球精神障碍患病率的持续增加凸显了心理健康问题的日益普遍性[4]。在高度城市化的地区，这一现象尤为明显，现代社会环境与心理健康状况的恶化之间存在显著关联[5]。在全球范围内，水环境中越来越多地检测到抗抑郁药，其浓度从微量到100 ng/L不等，且在污水处理厂出水中检出频率超过80%[6,7]。这种广泛污染源于传统处理系统的去除效率低于30%，加之这些化合物具有持久的环境稳定性[8,9]，尤其是选择性5-羟色胺再摄取抑制剂，其半衰期为30至60天[7]。抗抑郁药已被确认为可能对人类健康构成潜在风险的环境污染物[[10], [11], [12]]。

阿米替林是最常用的三环类抗抑郁药之一[13]，早在2000年，英国的年消耗量就达到了11.8吨[14]。由于其独特的分子结构特性，阿米替林具有显著的环境持久性[[15], [16], [17]]。此外，其复杂的分子结构导致其在标准条件下的好氧生物降解半衰期超过60天。因此，在废水处理过程中，阿米替林的去除效率通常低于20%[18,19]，常在水环境中以ng/L至μg/L的浓度被检测到[20]。特别是在精神医疗机构下游区域，发现了明显的污染热点，最高检测浓度可达1.2 μg/L[21]。这些水系统中残留的阿米替林可能对水生生态系统和人类健康造成影响[22,23]。鉴于阿米替林的环境持久性和生物累积潜力，必须获取敏感水生物种的全面生态毒理学数据，以建立可靠的评估框架[[24], [25], [26]]。这些数据对于开发利用特殊生物（如微藻）有效降解复杂水环境中残留抗抑郁药的先进生物修复系统至关重要。

普通小球藻（Chlorella vulgaris）是一种普遍存在于淡水生态系统中的单细胞绿色微藻，由于其卓越的适应性和生物修复潜力，被用作生态毒理学评估的标准实验生物[27,28]。其在工业废水处理中的有效性凸显了其在污染物去除方面的应用前景[29]。微藻在环丙沙星生物修复过程中表现出双重功能优势，通过进化出的耐受机制实现了25%至84%的显著去除效率。此外，普通小球藻还能将吸收的环丙沙星代谢用于生物量合成，尤其是促进细胞蛋白质、碳水化合物和脂质的生成[30]。由于其高污染物去除效率、强大的环境适应性和丰富的资源回收潜力，普通小球藻已成为水处理的理想实验生物。

本研究系统探讨了不同浓度阿米替林与普通小球藻之间的相互作用。研究目标包括：(1) 通过持续监测普通小球藻的生长活性指标，评估阿米替林引起的生理压力效应；(2) 探究普通小球藻对阿米替林的去除途径，并分析不同去除途径的贡献；(3) 系统分析普通小球藻的生长指标与阿米替林去除率之间的相关性。所得数据为优化含阿米替林废水的生物修复工艺提供了理论基础，并为阿米替林的环境风险评估提供了关键数据支持。

实验方法

化学试剂

阿米替林（纯度≥99.9%）购自Aladdin（上海，中国）有限公司。乙腈（HPLC级，纯度≥99.9%）和甲醇（HPLC级，纯度≥99.9%）购自Fisher Chemical。

微藻培养

将普通小球藻的标准化细胞密度预先培养在无菌BG-11培养基中[31]。对数生长阶段的藻液在受控条件下暴露于不同浓度的阿米替林（5、10、20和40 mg/L）：温度26 ± 1°C，光照时间18小时/黑暗时间6小时。

阿米替林对生长的影响

对照组中普通小球藻的干重在正常生长过程中逐渐增加，从第1天的0.157 g/L增加到第7天的0.184 g/L（图1a）。暴露于阿米替林的普通小球藻干重呈每日下降趋势，且随着阿米替林浓度的增加，这一趋势更加明显。在第7天，暴露于5、10、20和40 mg/L阿米替林的组别中，干重分别减少了30.7%、42.9%、49.1%和54.4%。

结论

阿米替林对普通小球藻的抑制作用随浓度不同而变化，显著影响了其生长和光合作用能力。随着阿米替林浓度的增加，细胞增殖率逐渐下降，叶绿素a的含量减少，光合作用参数也受到影响。值得注意的是，在5 mg/L阿米替林浓度下，细胞总蛋白含量最初有所增加，但随着阿米替林浓度的进一步增加，总蛋白含量显著下降。

作者贡献声明

袁文杰：研究、数据分析、概念化。吴一成：资源获取、项目管理。周颖玲：监督、软件使用、资源提供。舒秉军：数据分析。蔡金奇：研究、资金获取。傅海燕：方法设计、研究实施。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了福建省自然科学基金（编号：2023J011422、2025Y4010）的支持。