悬浮颗粒物通过调控基质光反应活性和电子转移增强水生生物膜界面的光响应超氧阴离子生成

《Journal of Hazardous Materials》：Suspended particulate matter enhances light responsive superoxide generation at aquatic biofilm interfaces via regulating matrix photoreactivity and electron transfer

　　**摘要**- 探讨了悬浮颗粒物（SPM）对大型植物生物膜界面光响应O?·?生成的影响。- SPM通过提高生物膜生物量和内在活性，使界面O?·?输出增加2.36倍。- SPM提高了胞外聚合物（EPS）的光反应活性和三重态EPS含量，加速了胞外电子向O?的转移。- 测定实验证明SPM增强了细胞介导和EPS介导的电子转移途径。- 暴露于SPM的大型植物生物膜代表了一个被忽视的界面O?·?产生热点。## 引言水生生物膜广泛分布于自然水体中，在元素循环、污染物降解和水下界面氧化还原转化方面发挥着至关重要的作用[1], [2], [3], [4]。这些多样化的功能主要源于生物膜作为原位活性氧（ROS）产生的微尺度氧化还原热点的能力[5], [6]。在众多ROS中，超氧自由基（O?·?）尤为关键，因其能够驱动界面氧化还原反应[7], [8], [9]，并进一步演化为次级ROS[10], [11], [12]。因此，研究生物膜界面的O?·?生成对于阐明天然水体环境的固有氧化还原反应活性具有重要意义。生物膜是由嵌入胞外聚合物（EPS）中的多样化微生物细胞组成的复杂反应基质[13], [14], [15], [16]。在生物膜界面，O?·?的产生源于相互关联的生物化学过程[17], [18]。从机理上讲，这些过程主要依赖于电子向分子氧（O?）的转移。不同生物膜组分的电子供给和氧化还原介导协同调控O?还原为O?·?的过程[19], [20], [21]。细胞代谢和光营活动是主要的电子来源，主要通过光合作用电子泄漏和细胞内还原当量（如NAD(P)H）实现[8], [22], [23]。这些电子可以通过细胞相关的氧化还原酶导出至胞外环境[7], [17], [22]。EPS中的氧化还原活性分子进一步促进界面电子向O?的转移[6], [17], [24], [25], [26]。同时，光照可以激发光活性EPS组分（如共轭发色团），产生反应性激发态和单电子还原中间体，建立EPS介导的O?·?产生光化学途径[18], [27], [28], [29]。总体而言，生物膜相关的O?·?产生受电子供体和氧化还原介导剂之间相互作用的调控，而光照进一步调节细胞相关和EPS相关的反应途径。然而，在自然环境中，塑造整体生物膜反应活性的功能组分易受环境胁迫、微生物适应和群落演替的影响[1], [13], [30], [31]。尽管如此，这些变化如何调节界面O?·?的生成仍知之甚少。在浅水生态系统中，SPM广泛分布，并在自然水动力波动和上游水库调控下与水生生物膜持续相互作用[32], [33], [34], [35], [36]。通过持续的界面接触，SPM可被截留并积累在富含EPS的生物膜基质中[37], [38], [39]。这种颗粒截留重塑了生物膜架构、微生物群落组成和EPS特性，从而改变了生物膜的物理和生化微栖息地[37], [40]。来自相关水生系统的证据进一步表明，光营-细菌相互作用和颗粒相关生物膜可以影响微生物氧化还原活性和更广泛的生态响应[41], [42]。这些功能后果可能涉及调控O?·?生成的电子转移和光反应途径的改变[17], [18], [43]。迄今为止，SPM诱导的生物膜变化是否重塑界面O?·?生成能力以及如何通过改变的电子转移过程支撑这种调控响应，仍缺乏深入了解。为填补这一关键知识空白，我们建立了以大型沉水植物上生长的生物膜为代表的浅水界面栖息地中宇宙系统[44]。该系统采用与环境相关的SPM浓度梯度，并监测生物膜演替全过程中的O?·?产生，以阐明SPM暴露如何调节界面O?·?生成潜力。通过对完整生物膜和分离EPS在不同光照条件下的比较分析，评估了生物膜和EPS尺度的光响应O?·?生成。通过整合电子供给能力定量测量、EPS光反应特性表征、细胞相关电子流抑制实验和氧化还原探针实验，揭示了SPM诱导的电子供体可用性和EPS介导向O?电子转移的变化。通过将SPM驱动的生物膜结构和功能特性改变与O?·?产生动态联系起来，本研究阐明了SPM在浅水生态系统中对界面氧化还原反应活性的机理调控。## 章节摘要### 沿悬浮颗粒物浓度梯度进行沉水植物生物膜中宇宙培养采用沉水植物作为水生生物膜培养的基质[45]，详细信息见支持信息（文本S1）。湖水基线水质参数总结于表S1。中宇宙系统设置在5 L亚克力柱中，SPM浓度梯度为0、50、100、200和300 mg L?1（文本S2和S3）。每个柱子以120 rpm持续搅拌以维持均匀的颗粒悬浮。每个反应器补充15.0 ±### 悬浮颗粒物富集增强了生物膜演替过程中的O?·?产生在整个生物膜演替过程中，SPM暴露显著促进了大型植物生物膜界面的XTT还原信号产生（图1）。在所有实验处理中，生物膜相关的O?·?产生随培养时间增加，且升高幅度与SPM浓度强烈相关（图1b-f）。对照组（0 mg L?1 SPM）中O?·?最大产生量达到418.52 ± 19.34 nmol g?1叶片鲜重，而在SPM处理组中该值大幅增至### 结论与环境意义系统研究了SPM截留对水生生物膜界面光响应O?·?产生的影响及其潜在机理。界面O?·?产生随SPM暴露增加，在300 mg L?1 SPM处理组中达到无SPM对照组的2.36倍。可见光照射实验显示，O?·?产生从323.22 ± 6.15增加至558.24 ± 37.46 nmol mg C?1 h?1，表明SPM增强的O?·?产生仍然显著### 意义声明截留于大型植物生物膜中的悬浮颗粒物（SPM）通过增强生物量、EPS光反应活性和胞外电子转移，使光驱动超氧产生提高2.36倍。升高的超氧可能影响后续ROS驱动的界面氧化还原反应。生物膜结合的SPM独立于环境颗粒负荷发挥长期氧化还原调控作用，更新了浑浊淡水系统的沉积物污染风险评估。### CRediT作者贡献声明**肖懿华：** 验证、监督。**徐华成：** 撰写–审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。**郭梦婧：** 形式分析、监督。**段崇森：** 验证、数据管理。**曹悦琪：** 验证、软件。**尤吉康：** 验证、形式分析。**李浩文：** 撰写–原始草稿、方法学、形式分析、数据管理。**刘飞：** 方法学、数据管理。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告工作的客观性。### 致谢本研究受国家自然科学基金（52525904、52479079）、青海省昆仑人才项目（QHKLYC-2024-374）、江西省自然科学基金（20252BAC230006）和云南省重点研发计划（202503AT00002）资助。### 作者贡献李浩文：撰写原始草稿、方法学、形式分析、数据管理。刘飞：方法学、数据管理、验证。段崇森：数据管理、验证。曹悦琪：可视化、李浩文 | 刘飞 | 段崇森 | 曹悦琪 | 尤吉康 | 肖懿华 | 郭梦婧 | 徐华成