面向不同尺寸微塑料低聚物与陆生蚯蚓电子传递链调节蛋白的计算生态毒理学框架

《Computational Toxicology》：Computational ecotoxicological framework targeting different-sized oligomers of microplastics with electron transport chain regulatory proteins of Lumbricus terrestris

　　

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  通过计算手段评估了寡聚物依赖性的微塑料毒性。
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  n = 1、3、6 和 9 的寡聚物表现出不同的蛋白质相互作用。
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  线粒体生物能量学蛋白质成为毒性靶点。
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  整合了 EPISUITE?、分子对接、DFT、ELF/LOL 和 QSPR 方法。
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  寡聚物影响了 logK_ow、BAF、量子反应性和结合亲和力。

引言

微塑料广泛存在，并以污染物形式存在于各种环境基质中，包括水生[1]、陆地[2]和大气[3]栖息地。其固有的降解抗性、大比表面积和多样的组成引发了对其可能对环境和生物体产生不利影响的严重担忧[4]。就土壤环境而言，微塑料已在相关环境浓度中被发现，并与其它关键生物共享生态系统[5]。尽管人们对微塑料在环境中的普遍存在越来越担忧，但与微塑料相关的毒性机制尚未完全阐明[6]。

蚯蚓是维持土壤结构、促进养分循环和分解有机物的重要指示生物[7]。蚯蚓的生理功能与细胞内能量的细胞代谢密切相关。而代谢过程又受细胞能量工厂（线粒体）的调控[8]。此处关键在于，细胞代谢的核心在于电子传递链（ETC）的分子机制。ETC 酶活性的干扰可抑制电子传递，导致能量不足和细胞应激加剧，并对生理发育产生负面影响[9]。与微塑料毒性实验影响相关的研究表明，蚯蚓暴露于微塑料后会出现氧化应激、酶活性改变和代谢变化[10]。然而，微塑料与蚯蚓之间相互作用的确切机制仍然未知。

微塑料毒性特性的确定通常基于外部和内部暴露水平或使用不同的生物标志物，这些方法无法深入了解微塑料在分子水平上的作用机制[11]。计算毒理学的最新发展旨在弥补这一空白[12]。虽然微塑料常被视为有毒物质，但科学讨论表明，围绕此类物质生物学影响的许多不确定性不应仅限于所使用聚合物的类型或其在环境中的浓度。各种理化性质，包括寡聚物尺寸、分子流动性、疏水性和生物有效性等，都可能影响微塑料造成的潜在毒性[13]、[14]。尽管较小尺寸的寡聚物疏水性较低，但预计它们比大分子聚合物更有可能穿透生物系统并与细胞内生物靶点发生相互作用[15]。然而，基于尺寸阐明这一机制关系的研究尚不存在，因为大多数研究倾向于关注微塑料的总量样本或聚合物的单体模型。现有的方法主要侧重于毒性的某一特定方面，例如不考虑化学反应性和生物富集作用的分子对接，或者反过来，不考虑污染物与生物靶点相互作用的环境归趋。微塑料本身被视为简单单体，从而忽略了聚合物链长度或化合物寡聚特性对其相互作用、持久性和生态系统富集的影响。

密度泛函理论是一种理解材料底层电子特性的高级方法，使得可以计算反应性的全局描述符，如亲电性、硬度和软度[16]。由此获得关于分子间相互作用参与机制的洞察。将基于密度泛函理论的全局描述符与分子对接相结合，可以识别结合亲和力的趋势并确定蛋白质与配体之间相互作用的电子性质[17]。此外，电子定域函数（ELF）和局域轨道定位器（LOL）方法可以可视化分子中的反应中心，便于分析相互作用模式[18]。虽然分子层面的方法很重要，但 EPISUITE 等程序可用于模拟化合物的环境归趋、分布和毒性，将分子相互作用置于与环境相关的背景中[19]。定量结构-性质关系（QSPR）分析提供了一种基于分子描述符预测对接结果的方法，允许对毒理学相互作用中涉及的理化参数进行严格分析[20]。

本研究旨在建立化学结构与过程中涉及的多种分子机制及后续生态毒效应之间的联系。通过本研究整合所有这些因素，开辟了关于微塑料导致线粒体功能障碍机制的多种新可能性，以及这些功能障碍的线粒体如何产生生态毒效应。因此，这种扩展的理解将改善对陆地生态系统中微塑料生态毒性的预测。

章节摘要

配体选择 - 塑料衍生单体/寡聚物的类型

本研究使用了十种不同的合成塑料，即聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯腈（PAN）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）和聚偏氟乙烯（PVF），分别以其单体（n = 1）、三聚体（n = 3）、六聚体（n = 6）和九聚体（n = 9）形式，体现了其不同尺寸形式的寡聚物环境相关性，不应

疏水驱动的生物富集和毒理学分析

疏水性（logK_ow）与生物富集因子（BAF）之间的相关性由不同的聚合物特异性特征和对寡聚物链长的非线性依赖性共同决定，并共同影响化合物的生物富集潜力（补充表 S3(a)；值得注意的是，logK_ow 值大于 5 的化合物通常被认为是具有显著生物富集潜力的[27]。虽然这些结果代表筛选级别的计算估计值，不应

结论

在本研究中，旨在通过整合多尺度方法（结合分子对接、FMO、ELF-LOL 分析以及基于三级逸度的环境建模，并辅以 QSPR 建模，重点关注蚯蚓生物能量学）来阐明十种不同塑料衍生单体/寡聚物在不同链长度（基于聚合度）下的相互作用行为。结果表明，并非所有塑料衍生单体/寡聚物都表现出类似的强烈

CRediT 作者贡献声明

Swagatam Das：撰写 – 原稿、方法学、调查。Eric D. Van Hullebusch：撰写 – 审阅与编辑、验证、形式分析。Silvia Celletti：撰写 – 审阅与编辑、验证、形式分析。Padmanaban Velayudhaperumal Chellam：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、概念化。

利益冲突声明

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所报告的工作。

致谢

作者感谢印度科学和工业研究委员会（CSIR）人力资源开发组（HRDG）对 Swagatam Das 先生在本文工作中的财务支持。文件编号：09/1106(19538)/2024-EMR-1（TA01000051）

Swagatam Das|Eric D. Van Hullebusch|Silvia Celletti|Padmanaban Velayudhaperumal Chellam