不同粒径微纳米塑料通过差异自调节机制诱导铜绿微囊藻毒性响应研究

本研究系统阐释了不同粒径微纳米塑料（MNPs）对铜绿微囊藻的毒性效应与自调节机制，发现粒径差异导致细胞摄入（20 nm）、表面吸附（200 nm）和群体聚集（2 μm）三种作用模式，通过光合抑制、ROS升高和基因调控（核糖体/光合作用/氧化磷酸化通路）触发差异应激响应，并揭示大粒径MNPs显著促进微囊毒素释放的环境风险。

　　

Glossary

DEGs：差异表达基因 | MNPs：微纳米塑料

EPS：胞外聚合物 | MPs：微塑料

Fv/Fm：PSII光化学最大量子效率 | NPs：纳米塑料

IBR：整合生物标志物响应 | PS：聚苯乙烯

KEGG：京都基因与基因组百科全书 | ROS：活性氧

LB-EPS：松散结合型胞外聚合物 | S-EPS：可溶性胞外聚合物

LSCM：激光扫描共聚焦显微镜 | SOD：超氧化物歧化酶

M. aeruginosa：铜绿微囊藻 | TB-EPS：紧密结合型胞外聚合物

MCs：微囊毒素 | TOC：总有机碳

MDA：丙二醛

Algal culture and MNPs characterization

铜绿微囊藻FACHB-918菌株取自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。藻类在经灭菌的BG11培养基中培养，光照周期12:12小时（光照强度2000 lx），温度维持在25±1°C的培养箱中。每日人工摇动培养瓶三次以防止聚沉。

采用直径20 nm、200 nm和2 μm的聚苯乙烯MNPs（含无荧光和绿色荧光型号），其表征方法详见补充材料。

PS MNPs characterization

透射电镜图像（图S1）显示PS MNPs呈球形且粒径均匀。20 nm、200 nm和2 μm PS的水动力粒径分别为179.80±1.80 nm、259.0±7.04 nm和2070.67±119.98 nm，zeta电位依次为-16.66±0.74 mV、-16.72±0.41 mV和-30.74±5.36 mV（表S1）。20 nm与200 nm MNPs的zeta电位与2 μm MNPs存在显著差异（表S1）。当zeta电位绝对值低于30 mV时颗粒体系被视为不稳定状态。

Conclusions

本研究系统揭示了不同粒径PS MNPs（20 nm、200 nm和2 μm）对铜绿微囊藻的差异化影响：96小时生理效应强度表现为2 μm > 200 nm > 20 nm。不同粒径MNPs通过差异化毒性机制作用于藻细胞，而微藻则通过增强胞外聚合物（EPS）分泌、提升CO₂吸收（¹³C/¹²C值增加72.5-96.3%）以及上调基因转录（主要涉及核糖体、光合作用、氧化磷酸化和磷酸戊糖途径相关基因）实施特异性自调节响应。值得注意的是，200 nm和2 μm PS显著促进微囊毒素生成与释放，亟需关注其引发的淡水环境健康风险。