长期锂暴露诱导索氏微拟球藻持久性生理及甲基化相关改变：一项整合多组学分析

《Environmental Pollution》：Long-Term Lithium Exposure Induces Persistent Physiological and Methylation-Associated Alterations in Chromochloris zofingiensis: An Integrated Multi-Omics Analysis

　　

摘要

锂（Li）是锂离子电池的关键组分，在水环境中不断累积，日益构成生态毒理学风险。本研究调查了微藻Chromochloris zofingiensis（佐芬斯色扁藻）在长期Li⁺暴露下的毒理学效应，以及移除Li⁺后持久的应激后响应。结果表明，长期暴露于50 mg/L Li⁺显著抑制了藻体的生长和叶绿素含量，而储存组分（包括淀粉、总脂肪酸和类胡萝卜素）的含量则显著增加。此外，抗氧化系统受到抑制，导致活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）水平升高。在28天的无Li⁺恢复期后，干重细胞重量和细胞数分别比对照组降低了26.4%和18.0%，表明Li⁺去除后仍存在持久的应激后生长抑制，而非完全的生理恢复。整合组学分析显示，脂肪酸延长、淀粉和蔗糖代谢及光合作用相关通路的持久转录变化，伴随着启动子和基因体区域的甲基化改变，提示DNA甲基化变化与应激后生理持久性之间可能存在潜在关联。这些发现为理解长期Li⁺暴露相关的分子响应提供了见解，并强调了DNA甲基化变化在持久应激后响应中的潜在作用。

引言

锂（Li）是最轻的金属，被广泛应用于多种工业过程（Yang等，2023；Zhao等，2024）。可再生能源技术的发展增加了对锂的需求，这主要源于其在锂离子电池生产中不可或缺的作用（Harper等，2019）。与此同时，锂用量的激增引发了严重的环境担忧。在天然水体中，Li⁺浓度相对较低。例如，据报告美国主要河流中的Li⁺浓度约为2.0 μg/L（Kszos和Stewart，2003），而爱尔兰东南部的天然地表水和地下水中的Li⁺浓度分别高达0.091 mg/L和0.097 mg/L（Kavanagh等，2017）。然而，受特定地质条件或人为活动影响的 Waters中，Li⁺浓度可显著升高。值得注意的是，在某些受污染水域，尤其是靠近煤炭和锂矿开采区的区域，Li⁺浓度可超过100 mg/L（Bolan等，2021；Qin等，2015）。由于锂对生物体而言是非必需元素（Zhao等，2024），其过量摄入会对水生生物产生多种毒理效应，包括生长抑制、神经毒性和生殖毒性（Chen等，2024；Jing等，2021；Kszos等，2003；Kszos和Stewart，2003；Martins等，2022；Pinto-Vidal等，2021；Viana等，2020）。因此，锂已被归类为潜在有毒金属，其累积可能对生态系统稳定性和生物健康构成风险（Rebecca F等，2012）。然而，Li⁺的毒理学特征复杂，其涉及的机制尚未完全阐明（Krull等，2022）。

已有若干研究记录了Li⁺对生物体的毒理学风险（Shakoor等，2023b）。例如，在大豆中，Li⁺主要积累在芽中，并被隔离在液泡和细胞壁内。土壤中高浓度的Li⁺（≥100 mg/kg）导致根系中参与抗坏血酸代谢和磷酸戊糖途径的代谢物显著下调，最终损害植物的生长和发育（Shakoor等，2023a）。此外，过量的膳食Li⁺摄入（≥87.08 mg/kg）被发现会增加Micropterus salmoides（澳洲淡水鳜）的体重和摄食量，同时伴随肝脏脂质沉积和炎症反应（Yuan等，2022）。尽管近年来关于微藻对Li⁺暴露生物学响应的研究有所进展，但大多数研究集中在短期暴露（0-10天）及其机制上。例如，在低于5 mg/L的Li⁺浓度下短期暴露时，微藻Chromochloris zofingiensis表现出毒物兴奋效应。相反，当Li⁺浓度超过10 mg/L时，短期暴露会降低叶绿素含量、引发氧化应激，并破坏叶绿体的结构和功能，从而抑制细胞生长（Xu等，2024）。尽管对短期金属毒性的理解已取得重大进展，但与长期Li⁺暴露相关的生物学响应和适应机制仍未得到充分探索。

与短期条件相比，长期暴露能够更准确地评估生物体在真实水环境中所面临的持续毒理学影响（Chen等，2022）。一旦污染物被消除，某些应激效应可能会逐渐减轻（Farooq等，2016）。相反，一些效应可能会持续存在或表现为持久的变化，这通常与应激记忆有关（Bicho等，2024）。已有研究报告指出，长期（28天）暴露于氧化锌（ZnO）会改变Scenedesmus rubescens（红微扁藻）的生理和生化状态，导致生长抑制和代谢紊乱（Aravantinou等，2017）。尽管此类研究强调了毒素的长期效应，但目前尚不清楚这些响应是代表应激记忆效应，还是反映了适应性进化或表观遗传调控。近年来，DNA甲基化——一种基本的表观遗传修饰——已被广泛研究其与植物非生物应激响应和应激记忆相关过程的关系。DNA甲基化可通过影响染色质结构和可及性来影响基因表达模式，从而可能与表型性状和适应性有关（Wang等，2019）。然而，污染对表观遗传图谱和应激记忆的长期影响仍知之甚少。

微藻在水生态系统中作为重要的初级生产者，在维持生态平衡和可持续性方面发挥着关键作用（Lee等，2015；Zhang等，2022）。鉴于其生长速度快且对环境毒素高度敏感，微藻已成为生态毒理学研究中的重要模式生物（Mahapatra和Murthy，2021；Sound等，2021）。本研究选用基因组已被充分表征的单细胞绿藻C. zofingiensis作为模式生物（Zhang等，2017）。评估了长期Li⁺暴露及后续恢复期后，藻体的生长、光合活性、细胞内储存组分和抗氧化系统的变化。此外，还进行了转录组和DNA甲基化组分析，以表征与长期Li⁺应激和持久应激后改变相关的分子响应。本研究有助于更好地理解微藻对长期Li⁺暴露的响应，并为受Li⁺污染的水环境的生态风险评估提供重要信息。

章节摘要

菌株与培养

C. zofingiensis（ATCC30412）在Kuhl培养基中进行光自养培养（Zhang等，2021）。种子培养通过向100 mL新鲜培养基中接种10 mL藻悬液进行活化，并在25°C、双面灯管条件下培养7天。长期Li⁺应激通过向含有50 mg/L Li⁺的Kuhl培养基中按10%接种量接种活化培养物，并培养28天，每周进行转接来实现。对于无Li⁺恢复培养，将Li⁺暴露的

长期Li⁺应激及后续无Li⁺恢复对C. zofingiensis生长和光合能力的影响

此前提到的浓度筛选实验表明，Li⁺对C. zofingiensis表现出毒物兴奋效应。低浓度（0.001、0.05、0.5、5 mg/L）促进生长，而50 mg/L Li⁺则导致明显的生长抑制，干重细胞重量下降51%（Xu等，2024）。因此，选择该浓度来研究Li⁺的长期毒性以及移除Li⁺后持久的应激后效应。与对照组相比，长期应激组的干重细胞重量和细胞数

结论

本研究表明，长期Li⁺暴露抑制了C. zofingiensis的生长和叶绿素含量，增加了储存化合物，并通过升高ROS和MDA水平、抑制抗氧化酶活性而加重了氧化损伤。在无Li⁺恢复期后，这些生理响应并未恢复至对照组水平，表明Li⁺去除后仍存在持久的应激后生理响应。整合组学分析显示，这些持久响应

CRediT作者贡献声明

王聪颖：方法论、数据整理。阎鹏达：形式分析、概念化。张钊：撰写——审阅与编辑、监督、经费获取。赵宝华：监督、概念化。孙冬哲：撰写——审阅与编辑、监督、调查、形式分析、概念化。冯睿：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、调查、经费获取、形式分析、数据整理。张子悦：验证、调查，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

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致谢

本工作由科学基金 河北师范大学资助（项目编号：L2024B22、L2026B20、L2025B63）。

冯睿 | 张子悦 | 水晓曦 | 王家音 | 王聪颖 | 阎鹏达 | 张钊 | 赵宝华 | 孙冬哲

教育部分子与细胞生物学重点实验室，河北省生态与环境协同创新中心，河北省细胞生物学基础学科学研究中心，河北师范大学生命科学学院，石家庄，050024，中国