高分辨率成像技术解析海藻对潜在有毒元素的吸收机制及其生态意义

【编辑推荐】本研究采用纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）技术，首次揭示褐藻（Fucus vesiculosus）对铅（Pb）等潜在有毒元素（PTEs）的亚细胞定位差异：非必需元素（如Pb）被隔离于细胞壁，而代谢相关元素（如Zn、Mn）则通过细胞内囊泡（physodes）主动调控。该发现为评估海洋污染对海藻生态功能的影响提供了关键分子机制，对海岸带保护策略具有重要指导价值。

　　

Highlight

元素分布特征

尽管铅（Pb）是重要的环境污染物，但其在海藻细胞内的定位此前尚未明确。本研究表明，Pb主要积累在细胞外部，仅微量进入细胞内。这一发现与先前研究一致，即褐藻会阻止无代谢功能的PTEs内化。Pb与细胞壁的结合印证了早期结论：褐藻利用细胞壁多糖（如褐藻胶和岩藻聚糖）通过离子交换机制捕获金属。值得注意的是，Pb在细胞壁的分布呈现梯度特征，靠近质膜区域浓度更高，暗示其可能通过被动扩散跨膜，但被细胞内稳态机制主动排出。

结论

研究证实，由于Pb的毒性和非生物必需性，其被排除在细胞外并滞留于细胞壁。相反，具有代谢功能的PTEs（如Mn和Zn）会被内化并储存于physodes囊泡中。因此，海藻细胞内的Pb浓度取决于环境生物有效性浓度与细胞壁结合位点的动态平衡，而必需PTEs的浓度则受代谢调控，对环境浓度变化响应更复杂。

环境启示

本研究阐明了海藻与潜在有毒元素（PTEs）的互作机制，揭示了金属污染对海藻健康、种群动态及其支撑的生态系统的影响规律。关键发现在于：PTEs的内化取决于其代谢功能——必需元素（如Zn、Mn）会被主动吸收和代谢调控，而非必需元素（如Pb）则被排斥并固定在细胞壁。这一区分有助于解释不同PTEs的毒性差异，为制定海岸带生态系统保护策略提供科学依据。