自然资源部第二海洋研究所黄伟团队、上海海洋大学王有基团队JHM：轮胎微塑料颗粒和暖化抑制有毒微藻太平洋亚历山大藻的生理功能

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成果简介

近日，自然资源部第二海洋研究所黄伟团队与上海海洋的大学水产与生命学院王有基团队合作在环境领域著名学术期刊 Journal of Hazardous Materials 上发表了题为“ Tire microplastic particles and warming inhibit physiological functions of the toxic microalga Alexandrium pacificum ”的论文。文中聚焦新兴污染物轮胎微塑料颗粒（ TMPs ），探究了该污染物在海水暖化暴露下对太平洋亚历山大藻（ Alexandrium pacificum ）光合、营养、免疫等指标的综合影响。通过材料暴露行为和生物标志物特征变化的角度解释了新兴污染物毒性机理和海水暖化 - 有毒微藻系统对外来胁迫的抵抗机制。同时，通过生物标志物与环境因子的相关性分析归纳了在维持系统稳态中发挥重要作用的机制。研究结果有助于揭示 TMPs 对微藻毒性的潜在机制，深入了解海洋变暖如何与微塑料污染相互作用，影响微藻健康和生态系统动力学 。

轮胎微塑料颗粒（ TMPs ）包括尺寸小于 5 毫米的合成橡胶颗粒，被认为是环境微塑料的重要组成部分。环境中存在的热塑性微塑料包括轮胎磨损颗粒（ TWPs ）、回收轮胎碎屑（ RTC ）和轮胎修补抛光碎片（ TRD ）。这些颗粒与传统的热塑性微塑料不同，其成分复杂，可能含有多种重金属。虽然 TMPs 对水生生物造成的确切环境风险在很大程度上仍不为人所知，但实验室实验表明，接触 TMPs 或其沥滤液会引起各种生物的毒理学反应，包括鱼类、水蚤、甲壳类和藻类 。

微藻作为水生生态系统中的初级生产者发挥着至关重要的作用，它们吸收、传递和转换光的能力是生态系统过程不可或缺的一部分。研究表明，微藻类的光合作用和氧化免疫能力会受到 MPs 的影响，例如， MPs 的遮光效应是造成藻类毒性的主要原因，因为当粒子存在时，光合作用会受到显著抑制，还通过诱导氧化应激水平的增加来抑制光合作用。也有人指出，藻类细胞变形主要是由机械损伤引起的。与 TMPs 接触会破坏细胞壁，破坏细胞结构的完整性，最终导致细胞死亡。目前对 TMPs 毒性的研究大多集中在其渗滤液的作用，但 TMPs 对微藻的理化毒性机制尚未完全阐明。

此外，在以往的研究中，环境条件对 TMPs 毒性的影响在很大程度上被忽视。需要指出的是，到本世纪末，预计地表水温将上升 3.3-5.7℃ 。在全球变暖的背景下，海洋变暖和极端天气事件的发生率逐年上升，影响了初级生产和生态服务。环境中 MPs （包括 TMPs ）的行为和毒性可能受到温度的调节。升高的水温可以增加布朗运动的速度和物质碰撞的频率。因此，在升温的影响下， TMPs 可能与微藻的多糖和腐殖质聚集在细胞外，形成高分子聚合物胞外多聚物质 (EPS) ，对微藻产生生理效应。例如， Lagarde 等人观察到莱茵衣藻暴露于 PP-MPs 20 天会形成涉及微藻细胞、 MPs 和细胞外多糖的异质聚集体。然而，高温如何促进 TMPs 与微藻的异质性再聚集及其联合的毒理学效应仍不清楚。

作为一种典型的藻华物种， A. pacificum 的生理生态学研究值得关注。一些研究已经对黏土和农药对 A. pacificum 产生藻毒素的影响进行了研究。一些学者也指出了 pH 或变暖对 A. pacificum 的影响。然而，人们对气候变化和有毒颗粒污染物对有毒藻类的生理和生态影响知之甚少。在我们的研究中，我们的目的是描述在海洋变暖的背景下， TMPs 对微藻产生毒性作用的内在机制。我们假设，升高的温度可能会增强 TMPs 对微藻的吸附作用，促进异质聚集物的形成，从而阻碍微藻的光合作用。我们选择了有害的微藻 A. pacificum 作为模式生物。采用 0 mg/L 、 1 mg/L 和 500 mg/L 浓度下粒径小于 80µm 的 TMPs ，在两个温度梯度 (21℃ 和 25℃) 下模拟应力条件。我们研究了不同浓度的 TMPs 和温度对 A. pacificum 光合参数、抗氧化参数以及与养分吸收相关的酶活性的影响。我们还研究了暴露于 TMPs 悬浮液中的太平洋杉的细胞外异质性聚集，以收集更接近真实环境条件的毒性数据。

图文导读

图 1. TMPs 的扫描电镜图像和粒度分布：单个 TMPs : (A, B) ， TMPs 聚集 : (C) ， TMPs 粒度分布 : (D) 。

图 2. TMPs 的基本成分（ EDS 图谱见补充资料：图 1 ）。

图 3. A. pacificum 的抑制率与 TMPs 暴露浓度之间的关系。

图 4. TMPs 与 A. pacificum 相互作用的扫描电镜图像。箭头代表颗粒之间的聚结交界处，方框代表微藻细胞被颗粒覆盖的现象。

TMPs 的粒径集中在 50μm 以下，给太平洋亚历山大藻的污染物吸附和异质性聚集提供了契机。由于 TMPs 具有较高的比表面积和较强的疏水性，部分微藻细胞与 TMPs 结合并在锥形瓶底部沉淀。不规则的 TMPs 吸附于微藻及微藻细胞表面。 TMPs 不规则的凹凸表面增加了自团聚的机会，从颗粒团聚到团块 ( 图 4A) ，颗粒与微藻表面的黏附发生改变，暴露于 TMPs 悬浮液的微藻细胞被颗粒覆盖 ( 图 4B) 。

图 5. 暴露在不同海水温度和轮胎微塑料浓度下 A. pacificum 的 SOD （ A ）、 CAT （ C ）、 T AOC （ E ）、 ROS （ G ）、 ACP （ B ）、 AKP （ D ）和 NR （ F ）以及 MDA （ H ）的变化。不同的小写字母表示在相同海水温度下不同轮胎微塑料处理组之间存在显著差异。相同 TMPs 浓度下的星号表示不同水温条件下存在显著差异。

微藻细胞中的抗氧化系统是对抗氧化损伤的重要防御机制。总抗氧化能力 (T-AOC) 可用于评价生物活性物质的抗氧化能力，包括维生素、类胡萝卜素和抗氧化酶。结果表明， TMPs 浓度显著影响 T-AOC 水平，且温度升高和 TMPs 浓度对 T-AOC 活性存在交互作用。在升温条件下，最高浓度的 TMPs 处理的活性显著高于其他处理。虽然各高温处理第 11 天的 T-AOC 活性较第 5 天明显降低，但 TMPs 对其活性的浓度效应仍然存在，表明 TMPs 对微藻的损害持续存在，微藻的 “ 自救 ” 行为不断被激活。 MDA 可以反映细胞暴露于自由基的程度，在本实验中， MDA 的变化反映了一个事实，即太平洋杉的氧自由基是由 TMPs 诱导的，但被升温抑制。在光合生物中，类胡萝卜素在光合作用和氧化反应中发挥着至关重要的作用。在本研究中，太平洋杉的类胡萝卜素含量在高温和 TMPs 处理组中呈现出增加的趋势，表明这两种胁迫都导致了微藻细胞的氧化损伤增加。超氧化物歧化酶 (SOD) 是微藻抵御 ROS 损伤的第一道防线。它催化 O ^2- 转化为 O ² 和 H ₂ O ₂ ，再由过氧化氢酶 (CAT) 催化转化为 H ₂ O 和 O ² 。在本研究中，我们注意到 SOD 和 CAT 在 21℃ 均表现出浓度依赖性。 TMPs 处理第 11 天的 SOD 水平低于相应治疗组第 5 天的水平。这表明 TMPs 对微藻的氧化损伤是持续的，而气候变暖加剧了这种负面影响 。

图 6. 暴露于不同海水温度和轮胎微塑料浓度下的微藻 A. pacificum 细胞外蛋白质含量（ A ）和外多糖含量（ B ）的变化。不同的小字表示在相同的海水温度下，不同的轮胎微塑料浓度之间存在显著差异。 “*” 代表不同轮胎微塑料浓度之间存在显著差异。

本项研究中， A. pacificum 的抗氧化系统和胞外多聚物质 (EPS) 已被证明可以缓解由暖化和 TMPs 引起的应激。 EPS 是一种由蛋白质、多糖和腐殖质组成的多功能聚合物。已知 Zn 离子可以对生物分子进行亲核攻击，这有助于形成胞外复合物，如 EPS 。在本实验中， TMPs 的 EDS 结果揭示了 TMPs 中锌等金属离子的含量 ( 图 S1) ，达到了 3.7%( 图 2) 。因此， TMPs 中的这些金属离子容易与微藻细胞的分泌物 ( 蛋白质、多糖 ) 发生相互作用，促进了 EPS 的形成 ( 图 6) 。 TMPs 促进了太平洋杉 EPS 的积累，这可能受上述化学原理的控制。在高温和 TMPs 条件下， EPS 可作为微藻细胞的应急能量和碳源。此外， EPS 还能够在细胞周围形成保护层，使细胞免受环境应激源的影响。综上所述，我们的实验反映了 A. pacificum 较强的抗逆性， TMPs 中的金属元素为形成 EPS 提供了机会 。

图 7. 海水温度和轮胎微塑料对 A. pacificum 叶绿素 a （ A ）、叶绿素 b （ B ）和类胡萝卜素（ C ）含量的影响。不同的小字母表示在相同的海水温度下，不同轮胎微塑料浓度之间存在显著差异。 “*” 代表同一轮胎颗粒在不同海水温度下有显著差异。

图 8. 海水温度和 TMPs 对 A. pacificum 的 F _v /F ₀ (A) 和 F _v /F _m (B) 的影响。

图 9. 暴露 1 、 5 、 9 和 11 天后海水温度和 TMPs 对 A. pacificum 快速光反应曲线的影响。

图 10. 海水温度和 TMPs 对 A. pacificum 的 rETR _max （ A ）、 I _k （ B ）和 Alpha （ C ）的影响。不同的小字母表示在相同海水温度下，不同轮胎微塑料浓度之间存在显著差异。 “*” 代表同一轮胎颗粒在不同海水温度下有显著差异。

光合作用是微藻作为生态系统中的初级生产者的重要生理过程，在能量转换和碳固定中发挥着至关重要的作用。在这一过程中， F _v /F _m 比值是用于评估光系统 II (PSII) 最大光化学量子产率的关键指标，反映了光合过程中光能转换的效率。而 F _v /F ₀ 则代表潜在的光合活性。在非胁迫条件下，这两个值保持稳定，但在胁迫条件下，它们降低，表明光合效率降低。在本研究中，从第 3 天开始，增温和 TMPs 均显著降低了 F _v /F _m 和 F _v /F ₀ ，表明 PSII 活性和潜在光合活性显著下降。此外，随着实验时间的延长，最大相对电子传递速率 (ETR _max ) 和光饱和点 (I _k ) 下降，表明 A. pacificum 的光合系统受到了不可逆的损伤。微塑料可以阻碍 Qa 和 Qb 反应中心之间的光合电子传递的流动。在这个过程中，电子最终被转移到高能化合物 NADPH 和 ATP 上，完成光能到化学能的转换。因此，光合电子传递受阻直接扰乱了光合作用的正常功能，换句话说， TMPs 导致微藻细胞的光合能力和能量供应下降。同样，三羧酸 (TCA) 循环中关键基因的表达调控，发现在尼龙 MPs 的胁迫下，与柠檬酸循环相关的基因受到抑制，导致 TCA 循环受阻，支持了上述结论。本研究还分析了快速光响应曲线，表明光合电子传递速率（ rETR ）受到温度和 TMPs 联合胁迫的影响。微藻细胞的 rETR 随 TMPs 浓度的增加而降低，说明部分微藻细胞捕获的光能并没有参与电子传递链，而是导致了活性氧（ ROS ）的形成。此外，由于 TMPs 的粒径低于 50 nm ，有限的粒径可能是 rETR 减慢的主要原因。

图 11. A. pacificum 所有生物标记物的相关性分析。数字表示相关性（ % ）（ A ）， “*” 表示不同处理之间存在显著相关性。六种不同处理（红色为 TMPs 与升温的交互作用，蓝色为 TMPs 胁迫）两个时间点（ 5 、 11 天）的所有测量值的 PCA 双重图（ B ）。给出了实验条件和变量负荷。