《Environment International》：Mechanistic insights into synergistic and antagonistic effects of nanoplastics on antibiotic toxicities via a Biospectroscopy-Bioreporter Coupling (BBC) approach
编辑推荐：
本研究针对纳米塑料（NPs）与抗生素共存产生的复合污染问题，通过建立生物光谱-生物传感耦合（BBC）方法，系统评估了三种典型抗生素（AMO、CIP、TC）与不同老化状态聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）的联合毒性效应。研究发现PS-NPs可通过吸附作用（拮抗）或纳米载体作用（协同）双向调控抗生素毒性，并利用拉曼光谱生物标志物（1122、1210、1386、1700 cm?1）揭示了膜损伤、DNA损伤等分子机制。随机森林模型实现了93%以上的毒性源解析精度，为新兴污染物的风险评估提供了新范式。
当我们每天使用塑料制品时，可能很少想到这些塑料最终会分解成肉眼看不见的纳米级颗粒，悄然进入水体和土壤。更令人担忧的是，这些纳米塑料（Nanoplastics, NPs）在环境中往往会与抗生素“相遇”，形成复杂的复合污染。随着全球塑料产量突破每年4亿吨，以及COVID-19疫情期间医疗废弃物激增，纳米塑料与抗生素的共存已成为不容忽视的环境问题。
传统毒理学研究大多关注单一污染物的效应，而现实中污染物往往以混合物形式存在。纳米塑料因其微小尺寸（1-1000纳米）可穿透生物屏障，而抗生素即使处于亚抑制浓度也能对微生物群落产生选择性压力。两者相遇会碰撞出怎样的“火花”？是相互抵消还是协同加剧？这些问题亟待解答。
在此背景下，吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室的研究团队在《Environment International》上发表了创新性研究。他们巧妙地将全细胞生物传感技术与拉曼光谱分析相结合，建立了生物光谱-生物传感耦合（Biospectroscopy-Bioreporter Coupling, BBC）方法，如同为细胞安装了“毒性监测器”和“分子显微镜”，能够实时捕捉毒性反应并解析其分子机制。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：利用Acinetobacter baylyi ADPWH_recA全细胞生物传感器进行实时毒性监测；通过拉曼光谱获取分子指纹信息；结合主成分分析-线性判别分析（PCA-LDA）进行多维数据降维；运用随机森林算法实现毒性源解析；并采用透射电子显微镜（TEM）观察纳米塑料的细胞摄取情况。
3.1. 纳米塑料和抗生素的单独毒理学特征
研究发现，不同抗生素展现出截然不同的毒性特征。阿莫西林（Amoxicillin, AMO）和四环素（Tetracycline, TC）主要引发细胞毒性，而环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）则表现出显著的基因毒性和细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平升高。通过拉曼生物标志物分析，研究人员识别出与膜破坏、DNA损伤和脂质紊乱相关的特征峰（如1122、1210、1386和1700 cm?1），从分子层面揭示了不同抗生素的毒性机制。
3.2. 纳米塑料与抗生素共同暴露下的毒理学特征
当纳米塑料与抗生素共同存在时，情况变得复杂起来。PS-NPs对抗生素毒性的调节作用呈现浓度和类型依赖性，既可充当“吸附剂”减轻毒性（拮抗作用），也可作为“纳米载体”增强毒性（协同作用）。对于AMO和TC这类细胞毒性抗生素，PS-NPs主要发挥吸附剂功能，降低其生物可利用性；而对于靶向细胞内组分的CIP，PS-NPs反而促进其细胞摄取，加剧基因毒性。
3.3. 拉曼光谱揭示的毒性机制洞察
拉曼光谱分析提供了更深层的机制见解。AMO暴露在1122 cm?1处出现特征峰，对应多糖的C-O-C伸缩振动，表明其对革兰氏阴性菌外膜的破坏作用。CIP暴露则显示出1242 cm?1（酰胺III）、1656 cm?1（DNA碱基振动）和1700 cm?1（脂质相关C=O伸缩）等特征峰，证实其同时影响核酸完整性和膜结构。
3.4. 拉曼光谱揭示的联合暴露毒理学机制
通过主成分分析-线性判别分析（PCA-LDA）计算的生化距离显示，PS-NPs与抗生素的联合效应具有明显的剂量依赖性。在低浓度条件下，PS-NPs对AMO和TC的毒性表现出明显的拮抗效应，而在高浓度条件下这种效应减弱。特别值得注意的是，冻融老化（ftPS）的纳米塑料在特定条件下会增强抗生素的基因毒性，这可能与其表面性质改变促进细胞内化有关。
3.5. 纳米塑料-抗生素混合物中毒性源的定量归因
随机森林模型的引入使研究达到了新的高度。该模型在对AMO、CIP和TC的分类准确率分别达到92.37%、94.74%和93.33%，成功实现了毒性贡献的定量解析。结果显示，在AMO-NPs混合物中，PS-NPs在中等和高浓度下分别贡献了66.7%和55.0%的毒性；而在CIP-NPs体系中，CIP在低、中浓度下主导毒性贡献（66.0%和67.5%），清晰地揭示了PS-NPs作为“纳米载体”的协同增强效应。
这项研究的结论部分明确指出，纳米塑料对抗生素毒性的调节作用具有化合物特异性、老化依赖性和浓度敏感性。BBC方法不仅能够快速评估复合污染物的毒性，还能深入解析其作用机制，为新兴污染物的风险评估提供了强有力的技术支撑。
特别值得关注的是，研究揭示了纳米塑料在环境中的“双刃剑”角色：一方面可作为吸附剂降低污染物生物可利用性，另一方面又能作为载体促进污染物细胞内化。这种双重功能使得纳米塑料-抗生素复合污染的风险评估变得尤为复杂，需要考虑多种环境因素的综合影响。
尽管该研究在机制探索方面取得了重要进展，作者也坦诚指出当前技术的局限性——80纳米的聚苯乙烯纳米塑料难以通过离心或过滤与抗生素完全分离，这限制了对“吸附剂”或“载体”作用的直接验证。未来需要开发更先进的分离技术，并拓展纳米塑料类型、粒径范围、抗生素种类等研究维度，才能更全面地揭示纳米塑料对环境健康的潜在影响。
这项研究的意义不仅在于揭示了纳米塑料-抗生素相互作用的复杂机制，更重要的是建立了BBC这一创新方法框架，为未来环境污染物风险评估提供了新的范式。随着塑料污染问题的日益严峻，这种能够快速、准确解析复合污染物毒性机制的研究方法，将为制定科学有效的环境管理策略提供重要技术支撑。
