综述：评估微藻对纳米塑料的适应性机制与修复策略

《Journal of Water Process Engineering》：Evaluating the adaptive mechanisms and remediation strategies of microalgae against nanoplastics

　　

纳米塑料积累威胁环境及营养级传递动力学
微藻通过吸附、摄取和胞外聚合物介导实现纳米塑料固化
组学研究为藻类适应纳米塑料的分子机制提供见解
氧化酶和水解酶在纳米塑料转化方面具有潜力
藻类生物精炼厂可将纳米塑料减缓与生物质增值相结合

引言

塑料因其多功能性、耐久性和在家庭及工业领域的广泛应用，已成为当代生活方式不可或缺的一部分。当前预测，全球塑料产量预计将在2030年超过4.84亿吨，到2050年将大幅增加至约8.84亿吨[1]。塑料在城乡环境和自然景观中的普遍存在，可归因于多种人为来源产生的废物，特别是包装材料（40%）、建筑材料（20%）、渔具（10%）、汽车部件（9%）、电子设备（6%）和农业工业产品（3%）[2]。全球塑料产量主要由聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚丙烯（PP）等主导[3]、[4]。此外，COVID-19期间一次性塑料的增加导致全球新增5.8亿吨塑料垃圾，进一步加剧了不断恶化的状况[5]。迄今为止，全球仅有9%的塑料垃圾被回收利用，约34%被焚烧，导致呋喃、多氯联苯、全氟和多氟烷基物质（PFAS）和二噁英等污染物的释放，从而降低空气质量，剩余57%未得到处理，积累在垃圾填埋场或自然栖息地[6]。

尽管水生生态系统接收的塑料垃圾流入量与陆地生态系统相比较少，但水生生态系统中现有的浓度通过慢性暴露、生物积累和食物网传递显著干扰生态平衡，从而恶化水生生态系统的完整性[7]。废弃的塑料垃圾在暴露于各种非生物和环境胁迫后，解聚为更小的碎片，导致微塑料（MPs；1-5000 μm）和纳米塑料（NPs；10-1000 nm）的产生[7]。由于这些更小的颗粒具有增强的移动性、毒性和生物利用度，它们比较大的塑料废物产生更危险的影响。它们是通过风化剂如紫外线辐射、光氧化/降解、水解和机械磨损等大塑料碎片的碎裂产生的，或是在工业和家庭应用中无意中/意外制造的（图1）[8]。一般来说，MPs/NPs通过各种途径进入水生环境，包括家庭废物、污水处理厂（STPs）、工业废水、暴雨径流、河口和河流输送、地表径流、风力和不当处置行为[9]。此外，它们还作为各种污染物的载体，如有机污染物、重金属、PFAS和金属氧化物，从而加剧其综合生态影响[10]。

近年来，研究人员已广泛聚焦于调查MPs/NPs对生物及其栖息地的生态影响、普遍发生和有害作用[11]。然而，对其在较低营养级别上的相互作用机制理解及其后果的研究仍然不足，引发担忧。这些担忧与联合国可持续发展目标（UN-SDGs）相呼应，特别是SDG 3、SDG 12、SDG 14和SDG 15，它们明确将塑料污染列为全球危机，从而强调了高级MPs/NPs修复的必要性[12]、[13]。与MPs/NPs（或MNPs）修复相关的主要挑战源于其固有的抗降解性、持久的环境持续性和化学惰性[14]。塑料的自然退化机制包括光氧化、机械碎裂和生物降解，这些通常以缓慢的速率进行，并且往往导致材料不完全矿化，如图1所述[15]。当前MPs/NPs修复策略包括表面吸附、膜过滤、混凝、絮凝、光催化、纳米催化和高级氧化工艺（AOPs）等传统技术[8]。光催化利用阳光激活的半导体将NPs氧化形成CO?、H?O和其他中间产物如羰基和低分子化合物[16]。同样，纳米催化利用高比表面积的纳米催化剂增强电荷分离、光吸收和自由基生成，从而加速NPs降解，而AOPs将光催化与臭氧化、过氧化和电化学结合进行MNPs降解[17]。这些物理化学修复技术能耗高、需要苛刻化学物质、运行成本高，并且在修复NPs方面效率有限，同时还会产生二次污染物（有机化合物和聚碳酸酯）[15]。相比之下，生物降解被认为是一种有前景且环保的策略，能耗较低且化学使用最少。生物修复策略利用各种微生物类群（如细菌、真菌和微藻）固有的代谢能力将这些MPs/NPs生物转化为毒性较低、环境安全的衍生物（图1）[18]。这些方法为在各种环境中解决MPs/NPs污染提供了可持续且具有经济可行性的长期解决方案。

在微生物系统中，微藻因其若干独特属性而被选中用于MPs/NPs生物修复，如它们在不同环境条件和胁迫下适应和生长的能力，无需实验室/人工设置[19]。它们还以其固有的固定CO?能力和在不释放内毒素的情况下进行NPs解聚/矿化的代谢潜力而闻名[20]、[21]。然而，微藻将NPs完全矿化为CO?和H?O的直接证据尚未确立[22]。各种微藻物种，如小球藻、莱茵衣藻、衣藻属、盐生盐藻、三角褐指藻、扁藻属和螺旋藻属等，已显示出优异的塑料和PFAS修复特性[19]、[23]、[24]。微藻用于NPs减缓的应用超出了其修复潜力，因为它可以与生物质增值相结合，产生增值产品，从而与其他微生物策略相比，提供了一种可持续且资源高效的解决方案[25]。这些进展将为开发应对塑料污染的可持续生物技术解决方案铺平道路。

事实上，NPs已成为普遍且有毒的环境污染物，导致微藻与NPs相互作用这一发展中的领域快速进展。最近，各个研究小组已经审阅并全面解决了微藻与NPs相互作用的具体方面，如毒理学、生理学和生物化学反应及其修复潜力[7]。然而，评估控制微藻系统中NPs命运和转化的详细机制联系，以及跨生理、分子和生物技术视角综合这些相互关联过程的全面综述仍然有限。

为填补这一空白，本综述从微藻与NPs相互作用的常规理解开始，但超越了描述性账户，提供了控制这些相互作用的机制的更深入机制理解。它提出了一个综合概念框架，系统地将微藻介导的NPs暴露反应与微藻-NPs相互作用、细胞摄取、细胞内命运、生物转化途径和修复潜力的机制见解联系起来。它批判性地综合了当前和新兴的关于NPs固化、转化和降解机制/途径的证据，同时探索了将吸收的单体生物转化为有价值生物产品的潜力。此外，本综述全面调查了组学和基因工程策略的最新进展，同时确定了关键的知识空白、机制不确定性、挑战和必须解决的未来研究优先级，以开发增强NPs减缓的相关解决方案。最后，本综述提出了一个废物变财富框架，将微藻NPs修复与碳固化和生物质增值相结合，为微藻在NPs命运、转化和可持续修复中的机制作用提供最新视角。

各部分摘要

微塑料/纳米塑料的物理化学性质、毒性和环境动力学的比较评估

MPs和NPs是新兴污染物，源自较大塑料碎片的降解，因此共享共同的人为来源[26]。它们还表现出若干物理化学性质，突显其环境持久性、生物利用度和毒性[27]。在环境中，NPs源自MPs，因为它们经历复杂的动态磨损，如机械磨损、热循环、光降解和化学风化，这些因素影响其大小、毒性和传输特性。

微藻减轻纳米塑料毒性的稳健生理和生物化学策略

微藻是富含油脂的光合生物，以快速生长和对抗各种环境胁迫的韧性为特征，这使它们成为危险的污染物（包括NPs）的有效生物清除剂[44]。它们因固有的可持续修复污染物的能力（将CO?转化为生物质）、在不可耕种环境中茁壮成长，以及同时有助于温室气体（GHGs）效应缓解而获认可[45]、[46]。它们促进NPs的……

微藻与纳米塑料相互作用的机制见解

确定微藻细胞在遇到NPs后命运的相互作用包括吸附、EPS分泌、聚集、内化、积累和吸收（图3）[25]、[34]、[50]。然而，这些过程越来越被认为是NPs命运和修复的重要决定因素；它们通常被独立研究，导致对连接NPs摄取、细胞反应、生物转化和环境……的机制联系的理解碎片化。

微藻在纳米塑料矿化中潜力的机制见解

文献中微藻介导NPs转化的证据主要基于表面生物恶化和重量损失，而非明确的矿化。事实上，区分生物恶化、解聚、生物转化和完全矿化仍是一个重大障碍和歧义来源。为MPs建立的降解机制不能直接外推至NPs，因为它们的物理化学特征存在差异。

利用组学技术获得纳米塑料诱导应激反应的分子见解

组学技术的最新进展扩大了我们微藻NPs转化机制的理解，提供了微藻在NPs减缓中所采用的分子适应性的见解[143]、[144]。然而，大多数关于组学生物的研究主要集中在毒性反应上，而不是直接阐明控制NPs降解和转化的机制。这些系统级方法，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学……

基因工程微藻在纳米塑料修复/降解中的潜力

基因工程采用多种技术来修饰和调控代谢物产生、胁迫耐受性和异源物降解中涉及的基因表达[161]。在微藻中的基因工程努力日益集中在增强氧化胁迫韧性、改进藻类菌株用于NPs摄取和固化，以及提高酶降解效率方面[161]。像衣藻属、盐藻属和莱茵衣藻这样的微藻物种……

藻类共生体对塑料/纳米塑料的降解

在自然环境条件下，微生物共生体由于协同代谢相互作用、跨微生物类群的广泛酶多样性和对难降解聚合物的顺序分解而优于单菌株塑料降解[174]。多功能的塑料降解微生物共生体通常利用与农业废物堆肥相关的木质素分解微生物构建，如细菌、真菌和微藻，实现氧化和解聚途径……

增值产品与塑料/纳米塑料修复相结合

塑料生物降解的模式已从污染物去除逐步转变为碳增值，其中聚合物衍生的中间产物被转化为具有经济价值的生物产品。这种合并概念通过链接污染物去除与废物变财富概念中的资源回收来扩展传统修复方法。然而，其在NPs污染系统中的可行性仍基本未被探索。在此追求中，微藻提供了一种经济的……

纳米塑料-微藻相互作用的机会、局限性和未来展望

基于藻类的NPs修复作为一种有前景且环境可持续的途径出现，同时使其与循环经济相关联。微藻具有带负电荷的细胞壁和在胁迫条件下分泌EPS的固有能力，帮助它们高效吸附、聚集和生物絮凝环境中的NPs。它们还表现出进行光合碳固定的能力，支持其低经济运营成本并有效整合……

结论

NPs已成为环境中顽固且普遍的污染物，对环境和谐的微妙平衡和生物安全构成挑战。传统修复方法往往存在产生二次污染物、高能耗需求和不良环境可持续性等局限，需要开发更绿色的替代方案来应对NPs污染。在此背景下，微藻作为一种有前景的……出现。

缩写
NPs- 纳米塑料
MPs- 微塑料
MNPs- 微/纳米塑料
PFAS- 全氟和多氟烷基物质
STP- 污水处理厂
PS- 聚苯乙烯
PVC- 聚氯乙烯
PE- 聚乙烯
PET- 聚对苯二甲酸乙二酯
PP- 聚丙烯
GHGs- 温室气体
UN-SDGs- 联合国可持续发展目标
AOPs- 高级氧化工艺
MDA- 丙二醛
SOD- 超氧化物歧化酶
EPS- 胞外聚合物
CAT- 过氧化氢酶
STED- 受激发射损耗显微镜
ROS- 活性氧

CRediT作者贡献声明
Mansi Tiwari：撰写——初稿，概念化。Sonia Choudhary：撰写——审阅与编辑。Boda Ravi Kiran：撰写——审阅与编辑。Krishna Mohan Poluri：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的可能影响本论文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢
MT感谢IIT-Roorkee的金姑娘奖学金以攻读博士学位。KMP感谢通过印度生物技术部（DBT）的BT/PR45943/BCE/8/1785/2023号资助和印度政府科学与工程研究委员会（ANRF/SERB）的SERB-STAR奖学金（STR/2022/000008）提供的支持。

Mansi Tiwari | Sonia Choudhary | Boda Ravi Kiran | Krishna Mohan Poluri