阐明对羟基苯甲酸甲酯影响下三裂萍的生物富集、气孔调节、光系统 II 动力学及清除活性响应

《Environmental Research》：Unraveling the responses of methylparaben on bioconcentration, stomatal regulation, photosystem II dynamics and scavenging activity in Lemna trisulca

　　

甲基对羟基苯甲酸酯（MP）是一种干扰内分泌、危害人类健康的污染物，利用沉水植物所构建的自然解决方案可有效将其去除。• L. trisulca在甲基对羟基苯甲酸酯浓度高达50 mg L?1的条件下仍能保持无生长损失，去除率超过91%。• 在高剂量MP处理下，会出现严重的氧化胁迫和PSII反应中心失活。• CAT和POX同工酶为抵御MP诱导的活性氧提供了稳健的初级防御。• 在MP胁迫下，自主的抗坏血酸回收补偿了谷胱甘肽的耗竭。引言全球各环境介质中外源化学物（XBs）污染的持续加剧，已成为威胁生态系统完整性和公众健康的重大隐患（Noel等，2025年）。这些物质包括偶氮染料、酚类、多环芳烃、卤代化合物、个人护理产品和药用活性成分等，其共同特征是在环境中具有长期持久性，并最终不可避免地进入食物链，在各营养级引发有害影响（Miglani等，2022年）。在新兴污染物（EC）中，对羟基苯甲酸酯类（parabens）——即对羟基苯甲酸的烷基酯类衍生物——已成为科学审视和监管评估的重点对象。自20世纪20年代问世以来，由于其广谱抗菌效能、物理化学稳定性和成本效益，对羟基苯甲酸酯类已被广泛整合应用于化妆品、药品和食品防腐体系中（Agarwal等，2025年）。最常用的变体包括甲基对羟基苯甲酸酯（MP，C?H?O）、乙基对羟基苯甲酸酯（EtP）、丙基对羟基苯甲酸酯（PrP）、丁基对羟基苯甲酸酯（BuP）和苄基对羟基苯甲酸酯（BzP）（Mok等，2025年）。由于其持续大量排放且环境降解不完全，对羟基苯甲酸酯类被归类为拟持久性有机污染物，在湖泊和河流系统、沉积物以及市政饮用水源中均频繁检出（Agarwal等，2025年）。对羟基苯甲酸酯类的环境归趋受复杂的输入途径驱动。商业产品处置不当会污染土壤和地表水（Chatterjee等，2024年），而传统污水处理厂（WWTPs）虽能降低某些变体的有机物负荷，却无法确保完全消除。因此，WWTPs出水悖论性地成为对羟基苯甲酸酯类向水生环境排放的重要点源，其中始终含有相当浓度的母体化合物和毒性代谢产物（Dasmahapatra等，2024年）。PrP和二氯丙基对羟基苯甲酸酯（diClPrP）等变体也日益在农业土壤中被检出，这主要归因于城市污泥的施用和未经充分处理废水的灌溉使用（Okon等，2024年）。这种广泛的環境分布不可避免地转化为人类的慢性暴露风险。随着对羟基苯甲酸酯类渗入农业土壤和水生栖息地，它们通过复杂的食物网积累，导致间接膳食暴露，同时伴随通过受污染水和消费品的直接接触暴露（Chatterjee等，2024年）。对羟基苯甲酸酯类是已确认的内分泌干扰化合物（EDCs），与严重毒理学效应相关，包括疑似致癌性、生殖功能障碍、发育毒性和脂肪生成促进。机制研究指出，氧化胁迫、线粒体功能障碍、凋亡通路改变和系统性炎症在介导遗传毒性、免疫毒性和神经毒性级联反应中发挥作用（Agarwal等，2025年）。一项里程碑式研究在人乳腺肿瘤组织中检测到了完整的对羟基苯甲酸酯分子，引发了对其在激素依赖性癌症中潜在作用的担忧（Hager等，2022年），而最新研究发现慢性暴露与超敏反应、肥胖和不孕之间存在相关性。尤为令人担忧的是，生物监测研究显示，儿童和孕妇体内对羟基苯甲酸酯的系统性负荷持续高于一般成年人群（Liao等，2025年）。与健康风险并行的是，对羟基苯甲酸酯类还表现出相当大的生态毒理学效应。在水生系统中，持续暴露会诱发氧化胁迫、内分泌干扰、神经毒性、行为改变和生殖功能障碍（da Silveira等，2024年）。在光合植物系统中，对羟基苯甲酸酯类表现出已被充分记录的植物毒性、细胞毒性和遗传毒性。Kim等（2022年）证明EtP暴露对番茄（Lycopersicon esculentum）、绿豆（Vigna radiata）、大麦（Hordeum vulgare）和水稻（Oryza sativa）的生长产生不利影响，急性与慢性保护浓度估计分别为14和5 mg kg?1干土。Okon等（2024年）进一步报告PrP和diClPrP抑制了洋葱（Allium cepa）、黄瓜（Cucumis sativus）、番茄（Lycopersicum esculentum）和生菜（Lactuca sativa）的根伸长，同时伴随细胞学异常、有丝分裂抑制效应和根分生组织内活性氧生成增加。Almeida等（2025年）显示，即使在环境相关浓度（1–1000 ng L?1）下，EtP暴露也会改变过氧化物酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、愈创木酚过氧化物酶（GPOX）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，在胡萝卜（Daucus carota）、番茄（Lycopersicum esculentum）、黄瓜（Cucumis sativus）和洋葱（Allium cepa）中诱导脂质过氧化和过氧化氢积累。当MeP和PrP联合作用时，在低至0.1 ng L?1的浓度下即表现出协同的植物毒性、细胞毒性和遗传毒性交互作用，扰乱分生组织细胞中的有丝分裂纺锤体组织和染色体浓缩（Vaz等，2024年）。这些影响在沉水光合生物中同样显著，后者代表了对羟基苯甲酸酯类污染水体中直接暴露度最高的初级生产者：正如Agarwal等（2025年）综述所述，MP降低了小球藻（Chlorella vulgaris）的酯酶活性和色素产生，而BzP则降低了附着性藻类生物膜中的生物量和光系统II量子产率。这些发现进一步强调了研究沉水高等植物作为对羟基苯甲酸酯类污染的指示生物和缓释物种的生态学意义。尽管存在上述植物毒性效应，但某些水生高等植物能够耐受、吸收并解毒有机外源化学物，这为植物修复提供了生物学基础。由于传统污水处理厂无法完全消除对羟基苯甲酸酯类，植物修复——一种利用植物去除、降解或稳定污染物的绿色技术——已作为一种有前途的可持续替代方案受到关注（Sharma等，2024年；Wentzell，2025年）。对于对羟基苯甲酸酯类这样的复杂有机化合物，内部解毒涉及一系列有序的生化步骤，其中特定植物酶在矿化过程中发挥速率限制作用（Aryal，2024年）。水生高等植物尤其适合承担这一功能，因为它们的根系发达且生物量产量高（Mousavi-Kouhi，2025年）。在这些植物中，浮萍因生长速度快、代谢灵活且能够承载微生物群协同促进污染物降解而全球公认为高效的植物修复物种（Pant等，2025年；Sawant等，2025年；Thakuria等，2023年），并已证明在去除生活污水中的对羟基苯甲酸酯类方面具有效能（Anjos等，2019年；Kotowska等，2024年）。在该属植物中，沉水高等植物Lemna trisulca（三角紫萍）具有独特优势：尽管历史上研究不如小浮萍（L. minor）或大浮萍（L. gibba）广泛，但其沉水生长形态在维持毒性条件下生理稳定性的同时，最大化了与污染水体的直接接触面积（Kuca?a等，2021年）。先前研究表明，L. trisulca能有效减弱氧化锌纳米颗粒的影响（Erg?nül等，2022年），并快速去除神经毒素安那毒素-a（Kaminski等，2014年）。尽管具有这种形态学适应性和已证明的耐受能力，但在对羟基苯甲酸酯暴露下L. trisulca在有效植物修复与生理失效之间转换的生化机制仍未被表征，这代表了当前文献中的一个关键空白。本研究通过在14天时间内对暴露于宽浓度梯度（10–1000 mg L?1）甲基对羟基苯甲酸酯（MP）的L. trisulca进行生理、生化和修复响应的综合评估，填补了这一空白。具体目标包括：(i) 确定对生长和光合性能的影响；(ii) 表征抗氧化酶响应和通过非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳解析的同工酶谱；以及(iii) 定量组织MP积累和去除效率。除上述描述性目标外，本研究还引入了一个新的三区间生化框架，命名为最优区间、过渡区间和毒性区间，该框架从机制上将抗氧化网络动态与植物修复能力联系起来。特别是，我们证明了在低MP剂量下，抗坏血酸-谷胱甘肽循环中抗坏血酸回收臂的自主功能能够补偿早期谷胱甘肽的耗竭，从而在不产生氧化代价的情况下维持高去除效率。这种部分抗氧化冗余维持修复功能的机制配置，代表了理解沉水植物如何在新兴有机污染物胁迫下维持植物修复能力这一问题的概念性创新贡献。材料与方法片段：植物材料和实验设计L. trisulca植株于2023年采集自土耳其科尼亚贝伊谢希尔地区的自然池塘，物种鉴定由塞尔丘克大学理学院生物工程系Evren Yildiztugay教授利用《土耳其植物志》（Davis, 2019）完成。运至实验室后，植株用0.5%次氯酸钠（NaOCl）表面灭菌1分钟，随后用无菌蒸馏水冲洗三次，并在改良的Hoagland营养液中扩繁。植物生长、甲基对羟基苯甲酸酯积累和去除效率所施加的MP处理导致L. trisulca生长受到显著限制，表现为RGR（相对生长率）呈剂量依赖性下降（图1A）。在低浓度MP-10和MP-50处理下，RGR与对照组相比未发生变化。然而，中等浓度的MP-100和MP-250处理分别使RGR降低了20%和21%。如图1A所示，最高处理率下的生长下降最为显著。具体来说，L. trisulca的RGR……讨论甲基对羟基苯甲酸酯（MP）是一种在表面水、污水处理厂出水和水生生物体中普遍检出的拟持久性新兴污染物（Pereira等，2023年），其内分泌干扰潜力对水生生态系统和人类健康均构成风险（Liao等，2025年；Medkova等，2023年）。近年来，基于水生高等植物的植物修复作为一种可持续的、基于自然的从污染水体中去除对羟基苯甲酸酯类的方案，受到了越来越多的关注，浮游性……结论本研究确定L. trisulca的抗氧化网络——特别是抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环中的抗坏血酸回收臂——是该物种在甲基对羟基苯甲酸酯（MP）暴露下耐受性和修复性能的生化基础。整合数据集描绘了L. trisulca剂量反应的三个不同生化区间。在最优区间（MP-10和MP-50），抗坏血酸回收臂的自主功能在强大的……CRediT作者贡献声明Evren Yildiztugay：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查研究。Aysegul Yildiztugay：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查研究。Fevzi Elbasan：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查研究。Ceyda Ozfidan-Konakci：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查研究。Ismail Tarhan：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论。利益冲突声明作者声明不存在相互竞争的财务利益。数据可用性作者无权共享数据。竞争利益声明? 作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。致谢本研究由土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）在2218国家博士后研究 fellowship项目（资助编号125C145）下提供资助。Fevzi Elbasan | Aysegul Yildiztugay | Ismail Tarhan | Ceyda Ozfidan-Konakci | Evren Yildiztugay