《Journal of Hazardous Materials》：Heatwave amplifies HFPO-DA toxicity in
Chlorella vulgaris via energetic misallocation and proteasome disruption: Evidence from multi-omics
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摘要气候变暖与新兴污染物都对水生生态系统构成严重威胁，而热浪与全氟化合物共同作用的影响目前仍不甚明了。本研究通过整合生理学、界面科学、多组学及计算分析方法，发现30°C的热浪相比25°C会进一步加剧六氟丙烯氧化物二聚酸（HFPO-DA，亦称GenX）对普通小球藻的毒性。热浪虽能促
摘要
气候变暖与新兴污染物都对水生生态系统构成严重威胁，而热浪与全氟化合物共同作用的影响目前仍不甚明了。本研究通过整合生理学、界面科学、多组学及计算分析方法，发现30°C的热浪相比25°C会进一步加剧六氟丙烯氧化物二聚酸（HFPO-DA，亦称GenX）对普通小球藻的毒性。热浪虽能促进藻类生长75%，但同时会通过引发氧化损伤、膜结构破坏以及抑制光合作用补偿机制，加剧HFPO-DA带来的生长抑制效应。此外，热浪还改变了藻类与HFPO-DA的结合优先级、细胞外聚合物组成，并使蛋白质结构发生改变，导致HFPO-DA的吸附量减少34.9–55.1%。多组学与生理学分析进一步表明，这种联合胁迫会严重消耗藻类的能量储备（蛋白质、多糖和脂质分别减少40.3–55.5%），并扰乱氨基酸代谢和能量转换等关键代谢过程。热浪还会改变藻类对HFPO-DA的防御策略，使其光合作用的转录调控从补偿性上调转为抑制，同时打破蛋白质平衡状态。我们的研究结果支持将热浪纳入有毒物质风险评估体系，同时强调建立动态模型对于预测气候变暖背景下水生系统的危害至关重要。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFASs）是一类含强C-F键的合成有机氟化合物，因其卓越的化学稳定性和热稳定性而被广泛应用。目前这类物质已有多种用途，涵盖200多种应用场景和1400多种类型，比如快餐包装材料、防污织物以及消防泡沫等[1]。然而，由于PFASs具有持久性、高生物累积性以及毒性，越来越多的国家开始对其实施监管限制[1]、[2]、[3]。受市场需求驱动，六氟丙烯氧化物二聚酸（HFPO-DA，商品名GenX）作为一种全氟聚醚类物质，逐渐成为全氟辛酸（PFOA）的替代品，其全球产量和环境排放量都在不断增加。在北极海域已检测到该物质的存在，初始浓度为26 pg/L[4]、[5]，现有证据表明地表水中的污染程度可能被低估[6]，这进一步证明了其长距离迁移潜力，也使其成为亟需关注的新兴污染物。尽管HFPO-DA被宣传为更环保的物质，但其持久性和毒性却与PFOA相当甚至更甚[7]、[8]。淡水系统则是PFASs的重要储存库和传播途径，会对水生食物网中的各个营养级（如浮游植物、底栖动物、贻贝和鱼类等）产生持续性的负面影响[8]、[9]、[10]。虽然已有研究阐明了PFOA对淡水浮游植物生理特性的影响[10]、[11]，但HFPO-DA的毒理机制至今仍未明确。
政府间气候变化专门委员会预测，到2100年全球气温将上升近4°C[12]，这意味着热浪——定义为连续五天气温比基准值高出5℃以上[13]——将成为全球范围内最主要的胁迫因素。热浪会威胁水生生态系统，严重影响浮游植物的生理功能和生态平衡，进而影响初级生产力和碳循环过程[14]、[15]。浮游植物对温度的敏感度因环境条件而异，会受到营养物质、污染物以及群落结构的影响[15]、[16]、[17]。此外，随着温度升高，生物反应也会改变生物积累的动力学特性，进而影响PFASs在淡水植物、浮游动物和鱼类体内的积累程度[8]、[18]。这说明气候变暖会显著增加消费者摄入和积累PFASs的风险。鉴于气候变化导致热浪出现频率和持续时间不断增加，必须充分考虑热浪与PFASs（如HFPO-DA）的共同作用，以避免低估生态风险。
目前关于热浪与PFASs在水生生物之间相互作用的研究还比较有限。针对水生大型植物和动物的研究表明，这类相互作用会显著改变污染物的生物积累动力学，同时破坏细胞的防御功能以及碳氮代谢过程[8]、[13]、[18]、[19]。现有证据表明，热浪主要通过两种机制影响PFASs的毒性：其一，通过提高膜流动性并增强跨膜运输能力，改变PFASs的生物积累动力学[13]；其二，通过诱导蛋白质构象变化，改变PFASs与目标蛋白（如抗氧化酶、膜转运蛋白等）的结合亲和力，从而重新调控生物界面功能[8]、[13]。这两种机制往往协同作用，导致浮游植物出现先促进生长、后抑制生长的双相生理反应，同时还会造成代谢资源的错配分配[18]、[19]。然而，尽管浮游植物在生态系统中起着重要作用，且对PFASs极为敏感，但目前相关研究仍然相对较少[13]。由于浮游植物在系统发育和生理特性上与大型植物及动物存在差异，从后者研究中得出的结论可能并不完全适用于浮游植物。此外，还有研究探讨了纳米材料（如ZnO、微塑料）与热浪共同作用对浮游植物代谢的重编程效应以及生物-纳米界面的变化[20]、[21]、[22]。因此，迫切需要开展系统性研究，揭示浮游植物在同时面临热浪和新兴PFASs（如HFPO-DA）暴露时的综合生理-代谢-转录组响应机制。另外，目前关于热浪条件下新兴PFASs与生物分子之间动态界面相互作用的相关实证数据也非常缺乏，亟需进一步研究。
为填补这些研究空白，我们采用多学科综合方法，研究了普通小球藻在热浪与HFPO-DA共同作用下的响应情况（普通小球藻是淡水生态毒理学中的重要研究物种[23]），具体研究内容包括：（ⅰ）浮游植物的生理响应特征分析；（ⅱ）藻类与HFPO-DA之间的界面相互作用研究；（ⅲ）多组学（代谢组学/转录组学）网络分析。通过这些研究，我们旨在量化热浪与HFPO-DA共同作用对普通小球藻生理功能的影响，阐明温度变化导致的界面结合动态变化规律，同时通过多组学整合分析揭示其背后的分子响应机制。这项研究为评估气候变暖背景下新兴PFASs替代品的生态风险提供了重要的理论基础。
章节节选
化学品与藻类
HFPO-DA标准品，包括一种带有质量标记的内标物质（13C3-HFPO-DA，纯度≥98%），是从加拿大安大略省的Willington Laboratory购买的。用于实验的商用HFPO-DA（纯度≥95%）则购自中国上海的Acmec Biochemical Technology Co., Ltd公司。高效液相色谱级甲醇和乙腈，以及Oasis WAX色谱柱（3 cc，250 mg），均来自美国马萨诸塞州米尔福德的Waters Corporation公司。此外，还使用了supelclean试剂。
热浪期间普通小球藻对HFPO-DA的生理与能量响应
经过7天的暴露处理后，30°C的热浪使得普通小球藻的细胞密度较25°C的室温条件高出约75%（p值＜0.05；见图1a），且所有培养组都仍处于对数生长阶段（见图S1）。这一结果与已有研究报道的普通小球藻在24–35°C范围内的热适应能力一致[38]、[39]，说明该藻种能够耐受适度的温度升高。相反，HFPO-DA的暴露则会以剂量依赖的方式抑制藻类生长，抑制程度在11.6％±18.6%之间。
结论
在未来，PFASs将与热浪在淡水系统中愈发频繁地共存，因此有必要重点关注二者共同对初级生产者的影响。本研究探讨了在30°C气候变暖情景下，新兴污染物HFPO-DA的生态毒性风险。通过整合生理生态学、界面科学以及多组学分析方法，我们发现了热浪与HFPO-DA暴露之间存在显著的协同作用。研究结果表明，热浪会进一步加剧HFPO-DA的毒性。
环境意义
PFASs与热浪在淡水系统中越来越常见，二者共同会对初级生产者构成威胁。通过多学科研究，我们发现热浪会进一步提升新兴PFAS替代物HFPO-DA对普通小球藻的毒性。热浪会改变藻类的表面性质，降低HFPO-DA的吸附效率，同时还会耗尽藻类的能量储备，并扰乱其转录层面的防御机制。此外，HFPO-DA与热浪共同作用带来的胁迫强度超过了藻类蛋白酶体的处理能力。
作者贡献说明
吴康英：负责原始稿件撰写、数据可视化、软件应用、方法设计、实验开展、正式数据分析以及数据整理工作。姚淑丽：负责数据可视化、软件应用以及方法设计工作。周启星：负责论文审阅与编辑、研究结果验证、研究工作监督、实验开展、资金申请以及研究概念构思工作。陈佳怡：负责数据可视化、软件应用以及数据整理工作。曾晖：负责研究结果验证、研究工作监督、软件应用、方法设计以及实验开展工作。安文：负责数据可视化以及软件应用工作。
利益冲突声明
所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本论文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（项目编号为32461143206、2107306以及U1906222）、中华人民共和国科学技术部”国家重点研发计划”项目（项目编号为2023YFC3709001），以及中华人民共和国教育部”111计划”项目（项目编号为T2017002）。
Kangying Wu|Hui Zeng|Jiayi Chen|Shuli Yao|Wen An|Qixing Zhou
中国天津300350，南开大学环境科学与工程学院，污染过程与环境标准重点实验室（教育部）、碳中和交叉科学中心
