六氟丙酮氧化物三聚酸增强普通小球藻的镉毒性：基于界面重组与多组学分析的见解

《Journal of Hazardous Materials》：Hexafluoropropylene Oxide Trimer Acid Amplifies Cadmium Toxicity in Chlorella vulgaris: Insights from Interfacial Reorganization and Multi-Omics

　　

摘要

六氟丙烯氧化物三聚体酸（HFPO-TA）作为全氟辛酸的主要替代品，日益在水生环境中被检测到，但其与镉（Cd²⁺）的联合效应尚不明确。在此，我们整合了生理实验、界面相互作用和多组学分析，以调查 HFPO-TA 如何调节 Cd²⁺在小球藻中的毒性。虽然 HFPO-TA 单独存在时表现出可忽略的毒性，但其存在显著加剧了 Cd²⁺诱导的生长抑制、光合作用受损、氧化应激和膜损伤。多糖、蛋白质和脂质的增加表明胁迫诱导了从生长到能量储备的转换。HFPO-TA 显著刺激了胞外聚合物（EPS）的分泌并改变了藻类表面特性（例如界面结合特性和疏水性），促进了镉的吸附和积累。代谢组学显示，HFPO-TA 放大了 Cd²⁺诱导的碳水化合物、谷胱甘肽相关氨基酸和脂肪酸代谢途径的干扰。转录组学分析表明，HFPO-TA 破坏了单独 Cd²⁺暴露下的光合作用补偿并增强了镉的积累。整合多组学进一步揭示了这些联合毒性效应背后的分子机制。我们的研究结果表明，在污染物暴露升高的条件下，HFPO-TA 可以作为 Cd²⁺在淡水藻类中的毒性放大器。这种联合效应强调了将全氟和多氟烷基物质替代品及其相互作用效应纳入常规水生风险评估的必要性。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFASs）广泛用于工业和商业应用，但其持久性和毒性已引发全球范围内的环境和健康担忧 [18]，[44]。在对传统长链 PFASs（例如全氟辛酸（PFOA））[62]，[7] 实施严格监管限制推动下，许多替代品已被引入商业领域，随后在水生环境中被检测到 [66]。在这些新兴化合物中，六氟丙烯氧化物三聚体酸（HFPO-TA）已被广泛采用作为氟聚合物制造中 PFOA 的替代品 [19]，[54]。HFPO-TA 已在多个大陆被检测到 [2]，[20]，[39]，[52]，[56]，[79]，在多个大陆的地表水中检测频率为 83% [49]。虽然环境浓度通常在 ng L^?1 范围 [49]，[88]，但在高度污染的水生环境中已报告高达 68.5 μg L^?1 的水平 [48]。PFASs 和重金属经常在水生环境中共同存在 [69]，主要源于共同的工业排放途径 [34]。例如，电镀行业不仅排放金属污染物，还使用氟化表面活性剂作为缓蚀剂 [34]。在氟化工园区附近的地下水中同时检测到了 PFOA 和 Cd²⁺，这表明作为 PFOA 替代品的 HFPO-TA 在类似环境中也可能与 Cd²⁺ 共存。Tang et al., [57]。镉（Cd）是一种强生物累积性有毒金属 [17]，广泛存在于水生环境中，对水生生物和人类健康构成重大风险 [43]。先前的研究表明，常规 PFASs 和镉的联合暴露可诱导氧化应激，损害生理功能，并改变植物中镉的运输和积累 [86]。鉴于 HFPO-TA 与常规 PFASs 具有相似的排放途径，其与镉的共同存在可能对水生生物构成风险。然而，目前对 HFPO-TA–Cd 联合暴露的相互作用效应及其潜在机制了解甚少。

HFPO-TA 已被报告可诱导多系统毒性，包括肝损伤、代谢紊乱、胃肠道效应和内分泌干扰 [28]，[54]，[73]，[75]，[88]。然而，其植物毒性仍较少被探索，尤其是关于其与共存重金属联合效应的分子机制 [1]，[16]，[30]。相比之下，Cd²⁺ 的植物毒性已被广泛记录。例如，Cd²⁺ 暴露会诱导藻类的氧化损伤和膜损伤，并抑制生长和光合作用 [14]，[63]。藻类已进化出多种防御和解毒策略以减轻此类胁迫。在细胞界面，胞外聚合物（EPS）作为主要屏障，通过调节金属吸附和摄取，这一过程受其结构和组成动力学控制 [10]，[64]，[65]。虽然已知某些新兴污染物（如纳米塑料）会影响界面特性，但 HFPO-TA 在此边界对镉生物利用度的具体影响尚不清楚。该过程可被共存污染物彻底改变 [13]，[55]，[68]，[81]。例如，纳米塑料已被证明通过异质聚集和重力沉降改变微藻 EPS 对镉的吸附及其生物利用度 [36]。然而，目前尚不清楚 HFPO-TA 如何影响生物界面处的镉行为和生物利用度。此外，微藻通过金属转运蛋白和隔离系统调节镉的生物累积和毒性 [78]。有报告称，氧化石墨烯通过调节转运相关蛋白增强藻类中镉的累积 [70]。然而，目前尚不清楚 HFPO-TA 是否可以通过调节细胞表面相互作用或改变联合暴露条件下转运相关途径的表达和功能来干扰此类过程。因此，阐明这些相互作用对于改善我们理解 HFPO-TA 在水生环境和生物地球化学过程中的作用至关重要。

作为水生生态系统中的关键初级生产者，藻类对包括重金属、有机污染物和纳米颗粒在内的广泛污染物表现出显著的敏感性 [70]，[83]，[87]。其中，小球藻（C. vulgaris）被广泛用作评估污染物毒性效应的模式生物（Alesio et al., 2024; [90]）。为填补这一知识空白，本研究系统探索了 HFPO-TA 和 Cd²⁺ 对 C. vulgaris 的联合毒性效应。我们首先评估了关键的生理反应，包括生长状态、光合作用活性、氧化应激和膜损伤。随后，我们通过二维相关光谱（2DCOS）研究了 HFPO-TA 如何通过表面特性和 EPS 组成的改变来影响 Cd²⁺ 生物利用度和藻类?金属界面相互作用。最后，进行了整合转录组学和代谢组学分析，以揭示联合植物毒性的反应途径和特定分子机制。这种多层次方法提供了关于 HFPO-TA 如何改变藻类中镉毒性的机制见解。这些发现为评估复杂污染物混合物中新 PFAS 替代品的环境风险提供了关键见解。

章节片段

藻类培养与毒性实验

C. vulgaris (FACHB-8) 来自中国武汉中国科学院水生生物研究所。藻类在装有 100 mL BG-11 培养基（表 S1）的锥形瓶中培养，并置于培养箱中（上海博迅医疗生物仪器股份有限公司，SPX-300I-C，中国）。具体参数设定为 25.0 ± 0.5℃，光暗 = 14:10 h，湿度 80%。对数生长期的藻细胞被用于暴露实验，且

C. vulgaris 对 HFPO-TA 和 Cd²⁺ 联合暴露的生理和生化反应

生长反应是藻类毒性的关键指标 [84]。C. vulgaris 的生长动态在处理组间表现出不同的模式（图 S2）。HFPO-TA 单独存在并未显著影响 96 h 暴露期内的藻类生长（p > 0.05），而 Cd²⁺ 单独存在诱导了明显的剂量依赖性抑制。至关重要的是，HFPO-TA 和 Cd²⁺ 的联合暴露进一步抑制了 PLC 和 PHC 组的生长（p < 0.05; 图 1a），HFPO-TA 进一步降低了细胞密度 13.98% 且

结论

新兴的 PFOA 替代品 HFPO-TA 与工业和农业来源广泛存在重金属 Cd²⁺ 一起，代表了水生生态系统中典型的“新兴?遗留”联合污染情景。本研究表明，虽然 HFPO-TA 单独存在显示出可忽略的毒性，但它显著增强了 C. vulgaris 中的 Cd²⁺ 胁迫。这种增强与 EPS 重塑、蛋白质结构松散以及细胞表面疏水性增加有关，这可能有

CRediT 作者贡献声明

Shuli Yao: 可视化、验证、软件、形式分析。Qixing Zhou: 监督、软件、方法论、概念化。Jiayi Chen: 写作 – 审查与编辑、写作 – 初稿、可视化、调查、形式分析、数据管理。Kangying Wu: 写作 – 审查与编辑、写作 – 初稿、可视化、软件、调查、形式分析。

利益冲突

作者声明无竞争性经济利益。

致谢

这项工作得到了国家重点研发计划（NO. 2023YFC3709001）、国家自然科学基金（NO. 2107306, U1906222）以及中华人民共和国"111 计划”（NO. T2017002）的资助。

重要性声明

作为在水生系统中广泛发现的新兴 PFOA 替代品，HFPO-TA 和重金属的联合毒性效应很少被描述，因为大多数先前的研究评估了单一污染物的危害。通过整合生理，

Jiayi Chen|Kangying Wu|Shuli Yao|Qixing Zhou

教育部污染过程与环境基准重点实验室 / 天津市环境修复与污染控制重点实验室，碳中和交叉科学中心 / 环境科学与工程学院，南开大学，天津 300350，中国