胺修饰纳米塑料与氮源对铜绿微囊藻中微囊藻毒素-LR合成与释放的交互作用

《Journal of Hazardous Materials》：Interactive effects of amine-modified nanoplastics and nitrogen source on Microcystin-LR synthesis and release in Microcystis aeruginosa

　　

摘要

人们对水环境中纳米塑料污染的担忧日益增加。然而，不同氮源在环境相关浓度下以及纳米塑料对铜绿微囊藻中微囊藻毒素-LR的影响仍不明确。研究结果表明，在急性（4天）和长期（10天）暴露条件下，与硝酸盐和亮氨酸处理相比，高浓度（5毫克氮/升）精氨酸处理条件下，胺改性的聚苯乙烯纳米塑料显著增强了MC-LR的合成（27.86%和59.18%）和释放（21.79%和76.68%）。从机制上来看，高浓度精氨酸处理下：（1）PS-NH?纳米塑料暴露提高了藻类的氮利用效率，同时增加了纳米塑料的内化程度和细胞膜通透性；（2）代谢组学和转录组学分析表明，碳和氮代谢、前体物质可用性以及膜完整性的变化可能导致PS-NH?纳米塑料暴露时MC-LR的合成和释放增加；（3）稳定同位素实验证实PS-NH?纳米塑料激活了MC-LR合成的前体物质。较高的温度和光照强度进一步影响了PS-NH?纳米塑料对MC-LR合成的作用。这些发现有助于我们更深入地了解纳米塑料和氮源对铜绿微囊藻的相互作用。

引言

由于塑料生产量不断增加且回收管理不善，塑料污染已成为全球性问题。通过风化或老化过程，聚苯乙烯会形成微塑料（1–5毫米）和纳米塑料（小于1微米），这类塑料在水环境中普遍存在。由于体积更小、移动性更强且生物可利用性更高，聚苯乙烯纳米塑料往往比微塑料具有更大的环境风险。随着检测技术的发展，水环境中聚苯乙烯纳米塑料的环境浓度也逐渐被量化。例如，珠江中的聚苯乙烯纳米塑料浓度估计在29.6至1,504.4微克/升之间。作为初级生产者的藻类，尤其是铜绿微囊藻，对水生环境的生物地球化学循环起着关键作用。铜绿微囊藻能够吸收营养元素（如氮），并将其转化为有毒的次级代谢产物——微囊藻毒素-LR。工程材料如微塑料、氧化锌和炭黑进入水环境后，可能会改变水生植物对这些营养元素的吸收和转化过程。例如，炭黑暴露会改变小球藻的氮代谢，进而影响其碳代谢。同样，钯标记的聚苯乙烯纳米塑料也能抑制湿地生态系统中的硝化作用。此外，已有研究表明，聚苯乙烯纳米塑料会影响藻类的生理状态，包括氧化应激、光合作用和细胞代谢。不过，聚苯乙烯纳米塑料对微囊藻毒素-LR合成途径的影响仍不甚清楚。因此，我们推测聚苯乙烯纳米塑料可通过改变铜绿微囊藻对营养元素的吸收和转化，从而促进微囊藻毒素-LR的生物合成和释放。

氮是推动铜绿微囊藻在水环境中生长以及微囊藻毒素-LR产生的主要元素，水中普遍存在溶解无机氮和溶解有机氮。通常认为，溶解无机氮是最容易被藻类利用的氮源，而在溶解无机氮不足的情况下，藻类还可以利用尿素、氨基酸、蛋白质和核酸等溶解有机氮。然而，由于农业肥料、污水处理厂排放物以及水产养殖活动的过度使用，水环境中的溶解有机氮浓度可能逐渐上升。据估计，超过50%的施用氮肥会流入水环境。此外，有研究表明，在特定环境条件下，低分子量的溶解有机氮比溶解无机氮更能促进藻类生长。外源氨基酸也会影响藻类的生长和毒素产生。有一些证据表明，仅以溶解无机氮为营养来源的水环境可能会低估实际可被藻类利用的氮含量。不过，由于阳光、溶解有机分子和微生物等多种因素的作用，水环境中的聚苯乙烯纳米塑料表面会形成不同的功能基团，这些基团会改变聚苯乙烯纳米塑料的表面电荷，进而可能影响其毒性。例如，带有胺基（带正电）和羧基（带负电）的聚苯乙烯纳米塑料常被用作模型带电纳米塑料。我们之前的研究显示，与聚苯乙烯羧基纳米塑料相比，聚苯乙烯胺基纳米塑料更容易导致铜绿微囊藻发生聚集和内化，同时还会因上调氨基酸（如精氨酸和亮氨酸）的水平而增加微囊藻毒素-LR的合成。不过，聚苯乙烯胺基纳米塑料如何与溶解有机氮相互作用，从而影响微囊藻毒素-LR的合成和释放，目前还不清楚。因此，我们提出以下假设：（1）在聚苯乙烯胺基纳米塑料存在的情况下，藻类更容易利用溶解有机氮中的氨基酸，而非溶解无机氮；（2）聚苯乙烯胺基纳米塑料会改变铜绿微囊藻中与微囊藻毒素-LR合成相关的碳氮代谢途径；（3）聚苯乙烯胺基纳米塑料可能通过增强细胞内化和膜通透性，增加微囊藻毒素-LR的释放。

由于全球气候变化，极端天气发生的频率正在增加，温度和光照强度也有所上升。这些环境因素可能会影响纳米材料的生物可利用性和与细胞的相互作用，进而影响藻类的代谢活动、营养元素利用以及毒素产生。例如，有研究指出，较高温度会降低藻类对锌的吸收，从而减轻锌氧纳米塑料带来的不良影响。此外，光照强度的增加也会提高水环境中的藻类密度和微囊藻毒素-LR浓度。鉴于未来几十年极端天气和纳米塑料污染可能会同时加剧，弄清环境因素与聚苯乙烯胺基纳米塑料共同对微囊藻毒素-LR合成和释放的影响具有重要意义。

铜绿微囊藻是中国常见的藻类物种之一，它能够产生微囊藻毒素-LR。本研究的目的在于：（1）探讨不同氮源和浓度下，聚苯乙烯胺基纳米塑料对微囊藻毒素-LR合成和释放的调控作用；（2）阐明聚苯乙烯胺基纳米塑料如何影响藻类细胞中氮的吸收、分配和转化过程；（3）通过多组学分析（代谢组学和转录组学）以及稳定同位素标记技术，探究聚苯乙烯胺基纳米塑料导致微囊藻毒素-LR合成和释放增加的分子机制；（4）研究温度和光照强度等环境因素在聚苯乙烯胺基纳米塑料与溶解有机氮共同作用影响微囊藻毒素-LR合成和释放过程中的中介作用。这些研究结果有助于我们更好地理解纳米塑料与溶解有机氮的相互作用，以及其在恶劣环境条件下游离对微囊藻毒素合成和释放的影响。

章节节选

藻类培养

铜绿微囊藻（FACHB-905）在BG-11培养基中培养（氮含量为247毫克/升，具体参数见表S1），培养温度为25摄氏度，光照强度为3,200勒克斯，光照时间为12小时亮/12小时暗。将处于指数生长期的藻类在4摄氏度下以4,000转/分钟的速度离心10分钟，然后用超纯水冲洗三次。将处理后的藻类重新培养在无氮的BG-11培养基中（该培养基购自中国上海源恩生物技术公司，具体参数见表S2），培养5天，以耗尽细胞内的

聚苯乙烯胺基纳米塑料的特性分析

通过透射电子显微镜和ATR-FTIR技术分别研究了聚苯乙烯胺基纳米塑料的形态和表面修饰情况。结果显示，这些纳米塑料呈均匀的球形，平均直径为28.71±4.57纳米（见图1A-B）。通过观察1243厘米?1处的C-N吸收峰以及1561厘米?1处的N-H和C=C混合吸收峰，可以确认胺基修饰成功（见图1C）。由于聚苯乙烯胺基纳米塑料的生物可利用性取决于其胶体稳定性及表面电荷，因此还测定了其ζ电位值（见图1D）

环境意义与展望

我们的研究结果表明，聚苯乙烯胺基纳米塑料与精氨酸共同作用时，比硝酸盐或亮氨酸处理更能促进微囊藻毒素-LR的合成和释放。在精氨酸存在的情况下，聚苯乙烯胺基纳米塑料会通过影响氮、碳和膜相关次级代谢物的分配，进而干扰藻类细胞密度、阻断色素合成、降低光合作用效率并引发氧化应激，这一过程还涉及硫代谢相关基因的表达调控

环境意义

人们对水环境中纳米塑料污染的担忧越来越严重。不过，纳米塑料对藻类氮利用及其后续反应的影响仍不清楚。我们的研究显示，纳米塑料会显著增加微囊藻毒素-LR的合成和释放，而且这种效应在温度和光照强度升高时更为明显。从机制上看，纳米塑料暴露会改变铜绿微囊藻中氮、碳和硫的代谢分配

作者贡献说明

彭顾：实验验证、数据收集、正式分析。黄金杰：初稿撰写、正式分析、数据整理。苗恒锋：项目管理、概念设计。刘彩：结果可视化、数据整理。曹雪松：研究指导、资金申请。肖正高：实验研究、资金申请。王振宇：论文润色、资金申请、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42192574、42421005、42377222）、江苏省自然科学基金（BK20243048、BK20240206）以及中央高校基本科研业务费（JUSRP202504022）的支持。同时，我们也感谢Bio render公司在图像绘制方面给予的帮助（网址：www.biorender.com）。

利益冲突声明

作者声明不存在与本研究相关的利益冲突。

Jinjie Huang|Peng Gu|Cai Liu|Hengfeng Miao|Zhenggao Xiao|Xuesong Cao|Zhenyu Wang

中国江苏无锡214122，江南大学环境过程与污染控制研究所及环境与生态学院