《Algal Research》：Surface charge-dependent toxicity of polystyrene nanoplastics in
Microcystis aeruginosa: Growth suppression, physiological alterations and transcriptomic mechanisms
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•改性PS纳米塑料在低初始藻细胞浓度下可诱导铜绿微囊藻产生延长的滞后期。•改性PS纳米塑料通过抑制光合电子传递和暗反应合成来抑制光合作用。•改性PS纳米塑料破坏藻细胞的抗氧化系统。•转录组学研究表明PS纳米塑料改变了藻细胞物质运输、光合作用和氧化应激途径。引言随着全球塑料消费
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改性PS纳米塑料在低初始藻细胞浓度下可诱导铜绿微囊藻产生延长的滞后期。
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改性PS纳米塑料通过抑制光合电子传递和暗反应合成来抑制光合作用。
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改性PS纳米塑料破坏藻细胞的抗氧化系统。
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转录组学研究表明PS纳米塑料改变了藻细胞物质运输、光合作用和氧化应激途径。
引言
随着全球塑料消费量的增加，累积的塑料废弃物已成为21世纪面临的严峻生态挑战，其中大部分废弃物以肉眼可见的大碎片形式存在。然而，近期研究表明，塑料可通过物理风化、光降解和生物过程进一步降解为微米级甚至纳米级颗粒[1]。其中，纳米塑料（NPs）（粒径≤100 nm）因其比表面积大、吸附能力强以及具有跨膜渗透潜力，被广泛认为是新兴的高风险环境污染物[2]。尽管淡水环境中纳米塑料的研究起步晚于海洋系统，但其生态意义同样重大。陆源塑料污染物首先通过河流进入淡水系统，随后转运至海洋，使淡水成为塑料污染传播的关键途径[3]。目前，全球关于纳米塑料的研究主要关注其对初级生产者和食物链基础生物的影响[4]。现有研究已证实，纳米塑料可吸附疏水性有毒污染物（如农药和内分泌干扰物），并沿食物链促进毒性放大效应。此外，塑料风化和工业合成赋予纳米塑料多种表面官能团。聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）因其来源广泛而成为环境中最常见的纳米塑料之一[5]。表面修饰以?COOH或?NH?官能团的PS纳米塑料可因其表面分子结构而轻易穿透细胞膜，表面电荷是纳米塑料毒性的关键决定因素[6]。虽然已知携带不同表面电荷的纳米塑料会在水生生物中引发不同的毒性效应[7]，但同时对暴露于阳离子、中性及羧基修饰PS纳米塑料的蓝藻进行毒性响应的评估研究仍较少见。因此，深入研究具有不同表面电荷特征的PS纳米塑料的生态毒理学行为已成为环境科学与生态毒理学交叉领域的前沿研究课题。
作为水生生态系统中的初级生产者，藻类在全球碳循环、氧气产生和跨营养级能量传递中发挥着不可替代的作用。它们维持着整个水生食物网的物质基础，并作为环境变化的高度敏感指示生物[8]。近年来，藻类生理响应机制的研究已从传统的生长抑制和叶绿素含量变化等指标扩展到包括抗氧化防御系统激活、胞外分泌物变化以及毒素合成调控等多个生物学层面[9]。研究表明，在胁迫条件下，藻类通过调节超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）积累以及胞外多糖和蛋白质的分泌来应对氧化损伤和膜结构破坏[10]。同时，不同藻类分类类群（如绿藻、硅藻和甲藻）对污染物表现出显著的种特异性响应，这使得单一模型不足以全面预测生态系统层面的风险[11]。藻类不仅承受污染物的胁迫，还可以通过生物吸附、生物降解或共代谢等方式改变污染物，从而间接调控纳米塑料的环境归趋[12]。因此，微藻是评估纳米塑料生态毒性的理想模式生物。此类研究不仅揭示了污染物对初级生产者的直接不良影响，还为评估高营养级和整个水生生态系统的稳定性提供了早期预警信号[13]。这些多维响应机制凸显了藻类在纳米塑料生态风险评估中不可替代的指示价值。其生理和代谢变化可灵敏地反映环境胁迫强度，而种间差异则为开发类群特异性毒性预测模型提供了生物学基础[14]。
2014年，Besseling等人发现PS纳米塑料显著抑制了斜生栅藻的种群增长并降低了叶绿素含量。同时，PS纳米塑料损害了大型溞的繁殖能力并增加了新生个体畸形率，表明纳米塑料可沿食物链引发营养级传递效应[15]。基于对全球63项研究的荟萃分析，Li等人报道纳米塑料通常会抑制淡水微藻的生长，且毒性强度受粒径、浓度、化学成分和藻类分类特征的影响[16]。得益于其超小粒径，纳米塑料可直接穿透藻细胞膜，导致结构损伤甚至细胞裂解。相比之下，微塑料主要通过遮光效应抑制藻类光合作用[17]。纳米塑料可特异性地改变有毒藻类太平洋亚历山大藻合成麻痹性贝类毒素（PSTs）的组成，表明纳米塑料可通过干扰代谢途径来改变藻类次生代谢产物的生态风险[18]。此外，既往研究已表明环境老化可增强纳米塑料的生物学效应，且该现象与其表面官能团变化和聚集状态密切相关[19]。然而，当前研究仍存在显著局限性。大多数实验室暴露浓度远高于环境相关浓度水平。研究多集中于高剂量条件（100 mg·L?1）下的急性毒性（96 h）[20]，而关于长期低剂量暴露的数据仍然匮乏[21]。因此，未来的研究应通过整合多组学技术、原位监测和模型模拟，系统探索纳米塑料–藻类相互作用在相对较低浓度条件下的分子机制和生态结果，以期为纳米塑料的精准生态风险管理提供科学支撑[22]。
为探究表面修饰纳米塑料的生态效应，本研究调查了PS纳米塑料对铜绿微囊藻生长、PSII和PSI电子传递过程、光合产物（如可溶性糖和ATP）积累以及抗氧化防御系统的影响。同时，通过转录组学分析筛选了藻类对不同表面电荷特征纳米塑料响应的差异表达基因（DEGs）和核心代谢途径，从而从细胞到分子水平阐明PS纳米塑料的毒性机制。因此，本研究旨在：(1) 通过21天慢性暴露试验比较具有不同表面电荷的PS纳米塑料（10 mg·L?1和20 mg·L?1）的毒性效应，采用低初始铜绿微囊藻细胞密度（0.75×105 cells·mL?1）；(2) 揭示PS纳米塑料对该蓝藻毒性作用的潜在分子机制。值得注意的是，这种21天长期暴露结合低藻类接种量的方法能够捕获到短期表面修饰纳米塑料毒性试验中很少观察到的滞后期响应。此外，我们将PSI-PSII动力学与暗反应酶学测定相结合，以解析电荷依赖的光合损伤。本研究的发现将有助于推进对纳米塑料在淡水微藻中毒性的机制性理解，并为不同电荷纳米塑料在水生生态系统中的精准生态风险评估提供理论基础。
节选片段
铜绿微囊藻和PS纳米塑料的制备
铜绿微囊藻（FACHB-905）购自中国科学院水生生物研究所淡水藻类培养保藏中心，在BG11培养基中传代培养。培养体系置于温度及光照可控培养箱（MGC-100，上海仪恒 Scientific Instrument Co., Ltd., 中国）中，温度设为26°C，由荧光灯提供32.4 μmol·m?2·s?1的光强，光照12小时，黑暗12小时的循环。锥形瓶手动摇匀三次
铜绿微囊藻的形态变化
在对照组中，铜绿微囊藻细胞形态完整，表面光滑饱满。未观察到明显的凹陷、皱缩或破裂。细胞均匀分散，多呈单个球形或近球形细胞，大多数处于细胞分裂过程中，存在细胞间连接（图1A、E；绿色箭头）。相比之下，不同PS纳米塑料处理组中的铜绿微囊藻表现出不同程度的形态
结论
本研究通过整合生理学和转录组学分析，阐明了三种PS纳米塑料（PS-NH?、PS和PS-COOH）对铜绿微囊藻的电荷依赖性毒性机制。PS纳米塑料通过诱导氧化应激、破坏光合电子传递链以及下调光合作用相关基因来抑制铜绿微囊藻的生长。毒性大小顺序为PS-NH?＞PS＞PS-COOH，且呈时间和剂量依赖性。短期暴露诱导代偿性
作者贡献声明
邱润妮：撰写–初稿，方法论。高婧思：资金支持获取。张雅欣：资金支持获取。陈安琪：方法论，调查研究。吴广羲：撰写–审阅与编辑，方法论。蒋成春：撰写–审阅与编辑，资金支持获取，概念构思。王晓雄：撰写–审阅与编辑，资源，概念构思。段晓华：撰写–审阅与编辑，指导，方法论，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述结果的设计、执行、分析或解释的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号51978415和5210007）以及广东省教育厅项目（20202ZDZX2046）的资助。作者还感谢深圳职业技术大学高层次人才科研启动基金（编号6026330006K）以及深圳职业技术大学–清源水处理设备有限公司联合研发中心（602531001PQ）的支持。
邱润妮|高婧思|张雅欣|陈安琪|吴广羲|蒋成春|王晓雄|段晓华
