《Journal of Hazardous Materials》：Defend or divert: reactive oxygen species signaling drives opposite EPS strategies in marine bacteria under nanoplastic stress
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摘要纳米塑料污染对海洋生态系统构成了普遍威胁，但控制微生物适应的分子机制仍不清楚。本研究揭示了在纳米塑料（NP）压力下，活性氧（ROS）信号传导如何驱动海洋细菌采取相反的胞外聚合物（EPS）策略。铜绿假单胞菌 采取主动防御策略，使 EPS 分泌量增加 6.66%–53.17%
摘要
纳米塑料污染对海洋生态系统构成了普遍威胁，但控制微生物适应的分子机制仍不清楚。本研究揭示了在纳米塑料（NP）压力下，活性氧（ROS）信号传导如何驱动海洋细菌采取相反的胞外聚合物（EPS）策略。铜绿假单胞菌 采取主动防御策略，使 EPS 分泌量增加 6.66%–53.17%。在 ROS 激增的驱动下，它将资源分配给 EPS 前体，并通过全局微调维持转录稳态，以确保蛋白稳态和能量稳定。相反，枯草芽孢杆菌 经历快速的代谢转移反应，导致 EPS 持续抑制 18.49%–27.31%。通过下调前体供给途径，该菌株系统性地将碳和氮通量从 EPS 生产转移开，将能量和代谢前体转向紧急生存途径，如膜稳态维持、细胞胁迫保护和芽孢形成。我们的“防御或转移”框架为评估新兴污染物如何决定细胞资源分配并重塑海洋微生物群落的生态轨迹提供了机制范式。
引言
海洋细菌根本上依赖于胞外聚合物（EPS）的分泌来构建物理防御屏障并决定局部代谢微环境。这种细胞外结构代表了应对环境逆境的不可或缺生存策略 [27], [4]。然而，纳米塑料（NPs, < 1000?nm）的普遍积累对海洋微生物群落施加了前所未有的合成压力 [10], [18]。虽然已知这些纳米级颗粒会引发氧化胁迫并损害膜完整性，但关于这种干扰如何决定细菌 EPS 分泌并塑造最终适应表型仍存在深刻分歧（[36], [40]）。
新兴证据反映了这种深刻分歧，揭示了在纳米塑料压力下细胞外适应的两条截然相反的轨迹。一方面，聚苯乙烯纳米塑料被发现与 铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的细胞膜相互作用或穿透细胞膜，诱导氧化胁迫并改变膜通透性。作为对这种生理破坏的响应，细菌触发 EPS 分泌激增 2 倍至 3.7 倍 [7]，多糖含量增加 2.8 倍，主动强化其对抗纳米毒性的物理抵抗力 [14]。相反，平行研究记录这种保护效用严重崩溃。例如，纳米塑料暴露严重抑制 L. rhamnosus 中的 EPS 合成，导致多糖渗出急剧下降 [32]。这种脆弱性延伸到活性污泥中的复杂微生物群落，其中三种不同的表面修饰聚苯乙烯纳米塑料在暴露后仅 12?小时内均匀且显著地耗尽 EPS 和蛋白质产量 [22]。这些截然相反的结果强烈暗示，不同的细菌谱系在遭遇合成威胁时执行根本不同的资源分配策略。尽管存在这些引人入胜的线索，当前研究仍 largely 局限于孤立的表型观察，使该领域缺乏统一的机制框架来直接比较和解码驱动这些发散适应反应的细胞逻辑。
为了解开这一进化谜团，我们系统地比较了两个关键海洋模型的适应轨迹：革兰氏阴性 铜绿假单胞菌 和革兰氏阳性 枯草芽孢杆菌（B. subtilis）。通过将这些系统发育上截然不同的物种暴露于全面的纳米塑料大小和浓度矩阵中，我们发现了细胞资源分配中深刻的“防御或转移”二分法。超越宏观表型描述，我们的研究整合了生理分析和亚细胞电子显微镜，以 pinpoint 纳米塑料压力的确切结构代价。关键在于，通过映射活性氧（ROS）驱动的转录组和代谢组景观，我们将 ROS 确定为决定这些发散轨迹的主信号开关。这种综合方法建立了一条从初始胁迫感知到深刻代谢重编程和遗传调节的明确因果链。最终，通过阐明控制细胞是强化其细胞外盾牌还是将其拆解以满足内部生存优先级的不同分子逻辑，这项工作超越了传统的毒理学评估。它为理解新兴合成污染物如何选择性重构微生物群落动态并重塑快速变化海洋中的进化韧性提供了预测性机制框架。
章节片段
菌株与纳米塑料表征
海洋革兰氏阴性菌 铜绿假单胞菌（MCCC 1A10785）和革兰氏阳性菌 枯草芽孢杆菌（MCCC 1K05317）从中国海洋微生物菌种保藏中心获得。保存在 20% 甘油中并于 –80°C 储存的细菌菌种接种于 2216E 琼脂平板上，并在 28?oC 下培养进行激活。随后将单菌落接种到无菌 2216E 液体培养基（pH 调节至 7.6）中，并在 28?oC 下以 200?rpm 振荡培养，直至达到对数生长期
纳米塑料压力下海洋细菌 EPS 分泌模式的差异
暴露于大小为 50 至 1000?nm 且浓度为 1 至 10?mg/L 的纳米塑料揭示了 铜绿假单胞菌 和 枯草芽孢杆菌 之间根本不同的 EPS 分泌策略。虽然前者显示出分泌量明显的上升趋势，但后者经历了广泛抑制。
为了阐明潜在差异化的细菌 - 纳米塑料相互作用的物理化学基础，我们首先表征了纳米塑料和两种菌株的表面电荷，并计算了它们的
结论
本研究系统考察了 铜绿假单胞菌 和 枯草芽孢杆菌 如何通过不同的 EPS 分泌模式和代谢途径对纳米塑料胁迫做出响应。研究结果证实，这两个菌株在总 EPS 产量及其主要成分（包括蛋白质和多糖）方面表现出根本相反的趋势。虽然 铜绿假单胞菌 持续增强其 EPS 产量，但 枯草芽孢杆菌 面临显著抑制。这种差异无论纳米塑料的大小还是
CRediT 作者贡献声明
JinXi Wang: 可视化，软件。Chengyi Hong: 软件，方法学。Hao Qiu: 资源，形式分析。Yuping Qiu: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。Yange Wang: 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，数据整理。Cun Xiong: 可视化，验证，形式分析。
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金 (22176148) 和同济大学中央高校基本科研业务费 (2023-3-ZD-02) 的支持。
意义陈述
本研究揭示了海洋细菌在纳米塑料胁迫下生存策略的基本分歧。通过确定 ROS 作为关键代谢开关，我们证明 铜绿假单胞菌 通过增强 EPS 产生和转录重编程来建立主动防御。相反，B.
Yange Wang|Cun Xiong|JinXi Wang|Chengyi Hong|Hao Qiu|Yuping Qiu
环境科学与工程学院 环境科学系，水污染控制与绿色资源循环国家重点实验室，污染控制与生态安全上海研究院，同济大学，中国上海 200092
