《Journal of Hazardous Materials》：Cell architecture regulates species-specific micro-nanoplastic toxicity through targeted organelle disruption and energetic pathway rewiring in freshwater algae: Insights from deuterium isotope tracing, ultrastructural profiling, and multi-omics
编辑推荐：
•同位素示踪定量分析了藻类对微纳塑料的细胞摄取过程。•无壁衣藻（E. gracilis）对2H-PSMNP的积累量高于栅藻（C. reinhardtii）。•2H-PSMNP会损伤栅藻的线粒体和衣藻的叶绿体。•微纳塑料的内化会重定向代谢通量并损害光合效率。•细胞结构驱动了毒性
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同位素示踪定量分析了藻类对微纳塑料的细胞摄取过程。
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无壁衣藻（E. gracilis）对2H-PSMNP的积累量高于栅藻（C. reinhardtii）。
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2H-PSMNP会损伤栅藻的线粒体和衣藻的叶绿体。
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微纳塑料的内化会重定向代谢通量并损害光合效率。
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细胞结构驱动了毒性预测多组学方差的67.3%。
引言
塑料污染已成为一种普遍的环境威胁，全球年产量超过3.67亿吨，导致全球水生生态系统广泛受到污染[1]。在众多塑料组分中，最令人心忧的是微塑料（MP < 5 毫米）和纳塑料（NP < 1 微米），它们来源于城市径流、污水处理出水、大气沉降以及较大塑料碎屑的降解等多种途径[2]、[3]。淡水湖泊和河流是微纳塑料（MNP）的重要汇，受污染水域中报告的浓度最高可达1 毫克/升[4]。作为水生食物网的基础，浮游植物通过光合作用固定无机碳并合成有机物，维持着生态系统的生产力和稳定性[5]。因此，不断加剧的MNP污染对这些关键的初级生产者构成了直接威胁。MNP通过多种机制损害藻类健康，包括物理损伤、氧化应激以及叶绿素合成的干扰，从而影响生长和光合功能[6]、[7]、[8]。
粒径被认为是MNP生物毒性的主要决定因素，它控制着颗粒–环境、颗粒–生物体和颗粒–细胞界面的级联物理化学和生物过程，共同塑造了毒性结果[9]。纳塑料比较大的微塑料更容易穿透藻类细胞壁，导致更大的内化量和更显著的氧化应激[10]。例如，50 纳米的聚苯乙烯（PS）颗粒可被藻细胞内化并直接损害叶绿体功能，而相同组成的5微米颗粒则主要停留在细胞外，引发的毒性显著降低[11]。虽然较大颗粒无法轻易进入细胞，但其遮光效应可显著降低光合效率[12]。粒径还决定了颗粒的细胞内命运——纳塑料可能侵入线粒体，直接破坏能量代谢并引发严重氧化应激[13]，而大于5微米的较大颗粒则主要对细胞表面造成机械损伤，同样引发脂质过氧化和氧化应激级联反应。
尽管已有这些认识，但迄今为止大多数研究仅关注单一藻种，限制了种间比较。这是一个关键的疏漏，因为物种间的结构差异可能导致摄取的摄取、内化和毒性响应存在显著差异[14]。具有富含多糖的坚韧细胞壁的物种表现出较低的MNP内化，而具有硅质壳的硅藻则由于静电作用而表现出更高的敏感性[15]。具有坚韧纤维素壁的绿藻能抵抗MNP的粘附，而具鞭毛的物种则容易与纤维状MNP发生物理缠绕，由此产生的物种特异性毒性结果使一般化风险评估变得复杂[16]、[17]。此外，MNP的影响主要是在生理水平上评估的，对细胞器特异性损伤以及控制不同敏感性的分子调控网络的关注不足。
准确量化MNP的摄取和内化对于解析毒性机制至关重要。广泛使用的方法包括荧光标记和热解–气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS），但这些方法存在显著局限性[18]、[19]。荧光标签可能从颗粒中溶出，产生假信号[20]，而Py-GC/MS易受生物背景干扰，因为内源性脂质可能产生与目标聚合物相似的热解碎片[21]。Catarino等人证明，荧光染料从标记的PSNP中溶出，斑马鱼胚胎中观察到的组织荧光归因于游离染料而非颗粒本身[22]。为克服这些挑战，稳定同位素标记已成为一种可靠的示踪策略。该方法具有高通量、稳定性和安全性，且不会显著改变分子的基本特性[23]。氘标记结合同位素比值质谱法能够通过最小化背景噪声，在复杂的生物基质中精确量化MNP，为颗粒的内化提供确凿证据。该方法在我们之前的工作中已成功验证用于量化植物和动物组织中的PSNP[24]。
在此背景下，本研究采用自制的氘稳定同位素标记的PSMNP（2H标记PSMNP），比较了两种具有不同细胞结构的模式藻物种的物种特异性响应：具有坚韧纤维素基细胞壁的绿藻栅藻（Chlamydomonas reinhardtii）和仅具有周质膜且形态可变的衣藻（Euglena gracilis）。这种结构对比鲜明的体系为研究细胞结构如何调控MNP摄取过程和细胞内响应提供了理想平台。两种藻类均暴露于环境相关的亚致死浓度（1和5 毫克/升）的2H-PSNP（0.1微米）和2H-PSMP（2微米）。生理影响通过监测生长速率、光合参数和氧化应激指标进行评估，超微结构分析定位了MNP靶向的细胞器。随后整合转录组学和代谢组学以绘制差异基因表达和代谢通量图谱，阐明物种特异性的毒理学分子机制。通过将MNP诱导的生理表型与分子特征联系起来，本研究旨在建立藻类物种间敏感性差异的机制基础。至关重要的是，阐明固有细胞特征如何调控MNP敏感性，可为评估物种特异性脆弱性并提供定量框架，指导塑料污染水域环境的靶向生态风险管理。
章节摘要
2H-PSMNP的合成与表征
2H-PSMNP通过乳液聚合自行合成，详细实验步骤见附件S1。颗粒形貌和粒径（图1a、b）采用透射电子显微镜（TEM；Talos-F200X-G2，Thermo Fisher，美国）进行表征。表面特性（图1c）通过水接触角测量（θw；DSA 100，KRUSS，德国）进行评估，化学结构和组成（图1d）则通过傅里叶变换红外光谱（FTIR；
不同粒径2H-PSMNP的表征
两种粒径的颗粒均表现出疏水性表面特性（图1a–c）。利用ImageJ软件从TEM图像中测定的平均直径为：0.1微米2H-PSNP为95.1 ± 4.7 纳米，2微米2H-PSMP为1.9 ± 0.1 微米。为清晰和可比的表述，全文中两种颗粒类型分别以其标称尺寸0.1 微米和2 微米来称呼。0.1微米2H-PSNP的流体力学直径集中在140 纳米左右且分布均匀，而2微米2H-PSMP则表现出更宽的
结论
本研究系统探讨了2H-PSMNP在C. reinhardtii和E. gracilis中的物种特异性毒性和细胞内化行为，采用了同位素示踪与多组学分析相结合的方法。定量结果证实两种藻类均内化了2H-PSMNP，其中E. gracilis由于缺乏坚韧细胞壁，0.1 微米颗粒的积累量显著更高，凸显了胞外物理化学屏障在调控颗粒
环境意义
MNP对水生生态系统构成系统性威胁，初级生产者是食物网的关键基础并决定了后续营养级转移的潜在性。为推进生态毒理学超越传统的描述性表型分析，本研究建立了基于机理的多种藻类物种脆弱性评估体系。我们证明固有细胞结构决定了颗粒内化的途径。一旦内化，这些颗粒会诱导
研究意义声明
MNP对水生生态系统构成系统性威胁，初级生产者是食物网的关键基础并决定了后续营养级转移的潜在性。为推进生态毒理学超越传统的描述性表型分析，本研究建立了基于机理的多种藻类物种脆弱性评估体系。我们证明固有细胞结构调控着颗粒内化的途径。一旦内化，这些颗粒会诱导
作者贡献声明
邱浩（Hao Qiu）：写作–审稿与编辑、监督、资金获取。蒋晓峰（Xiaofeng Jiang）：写作–初稿撰写、资金获取、数据管理、概念化。李星（Xing Li）：写作–审稿与编辑。郭文博（Wenbo Guo）：写作–初稿撰写。刘洪波（Hongbo Liu）：写作–审稿与编辑。孙亚菲（Yafei Sun）：写作–审稿与编辑。杨思艳（Shiyan Yang）：写作–审稿与编辑。王俊（Jun Wang）：写作–审稿与编辑。孙丽娟（Lijuan Sun）：写作–审稿与编辑。何诗韵（Shiyun He）：写作–审稿与编辑。秦琴（Qin Qin）：写作–
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号：22206129、42377268、22406128、42307356）、国家重点研发计划（编号：2024YFC3713900、2023YFC3711500）、上海市农业科技创新项目（T2025308）以及污染控制与资源再利用国家重点实验室基金（编号：PCRRF25008）的资助。
蒋晓峰|郭文博|邱浩|曾莉月|王连|何诗韵|秦琴|王俊|孙丽娟|孙亚菲|杨思艳|陆平|李星|刘洪波|薛勇
