带相反电荷的蛋白质对斑马鱼体内聚苯乙烯纳米塑料生物累积动力学的差异化调控机制

本研究针对天然水体中普遍存在的纳米塑料(NPs)与蛋白质相互作用影响生态风险的机制难题，以带正电的溶菌酶(LYZ)和带负电的卵清蛋白(OVA)为模型，采用生物动力学模型定量解析了蛋白质电性对聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)在斑马鱼体内吸收(ku)、净化(kd)及生物浓缩因子(BCF)的调控规律。发现OVA通过增大PS-NPs负电荷和流体力学尺寸抑制其生物累积，而LYZ通过电荷反转增强细胞膜相互作用，使BCF提升2.1-3.5倍，为纳米塑料生态风险评估提供了关键表面电荷参数指标。

　　

在塑料污染日益严重的背景下，纳米塑料(NPs)因其微小尺寸(<1000 nm)和高比表面积，能够穿透生物屏障并在组织中积累，对水生生态系统构成潜在威胁。尽管前人已研究了NPs的毒性效应，但自然水体中广泛存在的蛋白质如何影响NPs的环境行为仍不清楚。这些蛋白质会与NPs表面结合形成"蛋白质冠层"(protein corona)，显著改变其理化性质，进而可能影响生物累积过程。特别值得注意的是，不同蛋白质带有不同电荷特性，这种差异是否会导致NPs生物累积动力学的差异化调控，成为环境毒理学领域亟待解决的科学问题。

内蒙古大学的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的研究，首次系统揭示了带相反电荷蛋白质对聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)在斑马鱼(Danio rerio)体内生物累积动力学的调控机制。研究选取带正电的溶菌酶(LYZ，pI=9.32)和带负电的卵清蛋白(OVA，pI=4.7)作为模型蛋白质，通过动态光散射、透射电镜等技术表征蛋白质冠层对PS-NPs表面特性的改变，并建立生物动力学模型定量计算吸收速率常数(k_u)、净化速率常数(k_d)等关键参数。

研究采用的主要技术方法包括：(1)使用动态光散射和zeta电位分析仪测定PS-NPs的流体力学直径和表面电位；(2)通过透射电镜(TEM)观察蛋白质冠层形貌；(3)建立14天生物累积实验(10天吸收期+4天净化期)；(4)采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和TEM可视化NPs在鳃和肠道的分布；(5)应用一级生物动力学模型计算k_u、k_d和生物浓缩因子(BCF=k_u/k_d)。

3.1 原始和蛋白质包被PS-NPs的表征
TEM显示原始PS-NPs呈球形(526±12.3 nm)，吸附LYZ和OVA后分别形成明显冠层。关键发现是：LYZ使PS-NPs zeta电位由-8.06 mV反转为+1.43 mV，流体力学直径增大至1226 nm；OVA则增强负电荷(-10.7 mV)，直径增至808 nm。Bradford法测定OVA吸附量(474 mg/g)显著高于LYZ(452 mg/g)，与蛋白质分子量差异相符。

3.2 PS-NPs的吸收
生物动力学模型显示，LYZ使PS-NPs在鳃的吸收速率k_u从71.5提升至98.3 L/kg/d，而OVA组降至52.4 L/kg/d。CLSM观察到LYZ组鳃和肠道荧光信号最强，OVA组最弱。静电作用机制解析表明：LYZ-NPs正电荷与细胞膜负电荷产生吸引，而OVA-NPs因同种电荷排斥抑制内化。

3.3 PS-NPs的净化
LYZ显著降低净化速率k_d(鳃从0.198降至0.142 d^-1)，半衰期t_1/2延长至4.88天；OVA对k_d无显著影响。研究者认为LYZ-NPs通过静电作用进入循环系统后更难清除，且较大尺寸(1226 nm)阻碍肠道排泄。

3.4 PS-NPs的生物浓缩因子
LYZ使鳃BCF值从361提升至692 L/kg，OVA组降至284 L/kg。相关性分析显示k_u与BCF相关性(r=0.87)强于k_d(r=0.65)，证实吸收过程对累积的主导作用。

3.5 鳃和肠道中PS-NPs的观察
TEM直接观察到PS-NPs内化至上皮细胞，LYZ组细胞质内NPs聚集最显著，与生物累积数据相互验证。

3.6 对NPs生态风险的潜在启示
研究强调带正电蛋白质可能通过"电荷反转"效应增强NPs的生物可利用性，建议在风险评估中重点监测水体中阳离子蛋白(如LYZ)的共存情况。

这项研究创新性地揭示了蛋白质电性对NPs环境行为的调控规律，建立了"表面电荷-生物累积"的定量关系模型。其重要意义在于：(1)证明天然有机质电荷特性是影响NPs生态风险的关键指标；(2)为复杂环境基质中NPs的精准风险评估提供方法论基础；(3)提示水产养殖中LYZ作为饲料添加剂可能加剧NPs的生态风险，需制定针对性管控策略。未来研究应拓展更多蛋白质类型，并探究电荷依赖性生物累积的分子机制。