功能化纳米塑料通过表面电荷效应调控太平洋亚历山大藻生理功能及毒素生成的机制研究

《Sustainable Horizons》：Functionalized nanoplastics alter physiology and toxin production in Alexandrium pacificum through surface charge effects

本研究针对功能化纳米塑料对海洋微藻的生态毒理效应这一前沿问题，以产毒赤潮藻太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）为模型，系统探究了不同表面电荷（氨基化NP-NH2、羧基化NP-COOH及未修饰NP）的100 nm纳米塑料在环境相关浓度（0.1与1 mg/L）下暴露21天对其生长、光合作用、抗氧化防御及麻痹性贝类毒素（PSTs）组成的影响。结果表明，纳米塑料的生物学效应显著依赖于其表面电荷与浓度，其中带正电的NP-NH2生物可利用性最高，不仅持续促进藻细胞生长，还特异性地改变了细胞内毒素组分C1/C2的比例。该研究揭示了纳米塑料表面官能团在介导其与有害藻类相互作用中的关键角色，为评估纳米塑料对海洋生态系统及食物安全的潜在风险提供了重要科学依据。

　　

海洋，这片蔚蓝的疆域，正默默承受着人类活动带来的新型污染物——塑料的侵袭。这些塑料废弃物在海洋中经过长期的风化、降解，逐渐破碎成微米甚至纳米级别的颗粒。与尺寸较大的微塑料相比，纳米塑料因其极小的体积和巨大的比表面积，更容易被海洋生物摄入，并在细胞内累积，从而对海洋生态系统构成潜在威胁。在海洋浮游植物中，有一类被称为“有害藻华”的物种，它们在一定条件下会大量繁殖，形成赤潮，并产生强烈的神经毒素，严重危害海洋渔业和人类健康。太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）便是其中臭名昭著的一员，它是中国近海赤潮的常见肇事者，并能产生多种麻痹性贝类毒素（Paralytic Shellfish Toxins, PSTs）。然而，面对日益严重的纳米塑料污染，这些带电荷的微小颗粒是否会与有害藻类“狭路相逢”？它们的表面特性（特别是电荷）又将如何影响藻类的生理状态，乃至其致命毒素的生产？这些问题至今悬而未决。

为了回答这些关键问题，由李立昂、胡梦红等人组成的研究团队在《Sustainable Horizons》上发表了一项深入研究。他们系统地探讨了不同表面官能团修饰的纳米塑料（氨基化NP-NH₂带正电，羧基化NP-COOH带负电，未修饰NP近乎电中性）在环境相关浓度下，对太平洋亚历山大藻长达21天的暴露效应。研究旨在揭示纳米塑料表面电荷是否以及如何调控这种有害微藻的生长、光合作用、抗氧化防御系统以及细胞内PSTs的组成与含量。

研究人员综合运用了多种关键技术方法。实验核心是21天的微藻暴露培养，设置了不同浓度（0.1 mg/L, 1 mg/L）和不同修饰类型（NP, NP-NH₂, NP-COOH）的纳米塑料处理组。通过扫描电子显微镜（SEM）直接观察纳米塑料与微藻细胞的相互作用。利用叶绿素荧光仪测定光合系统II的最大光化学效率（Fv/Fm），并通过分光光度法测定叶绿素a和类胡萝卜素含量以评估光合性能。采用商业试剂盒检测超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量，以反映氧化应激水平。使用荧光显微镜结合碘化丙啶（PI）染色评估细胞膜通透性（CMP）。创新性地应用整合生物标志物响应（IBR）指数综合量化生理响应。最后，通过高效液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术精确分析细胞内多种PSTs同系物（如C1, C2, GTX5, STX等）的组成和含量变化。

生长抑制

研究发现，纳米塑料对太平洋亚历山大藻生长的影响呈现出浓度和表面电荷依赖性的复杂模式。在暴露初期（0.1 mg/L），纳米塑料表现出一定的抑制作用，但到了较高浓度（1 mg/L），所有类型的纳米塑料均促进了藻细胞的生长，尤其以带正电的NP-NH₂的促生长效应最为持久。扫描电镜观察证实，纳米塑料大量附着在微藻细胞表面。研究人员推测，这种生长促进可能是微藻的一种“解毒”策略，通过快速分裂产生新的细胞表面，以稀释附着其上的纳米塑料，恢复物质交换能力。

光合作用

光合色素的分析显示，在1 mg/L暴露浓度下，叶绿素a和类胡萝卜素含量在实验早期均有所增加，这可能与微藻为应对纳米塑料胁迫而加速生长所需的能量需求增加有关。然而，反映光合系统II活性的关键指标Fv/Fm，在暴露后期（第13至21天）于1 mg/L处理组中均显著降低。这表明高浓度纳米塑料的附着可能遮蔽了细胞表面，减少了光吸收面积，最终损害了光合作用效率。

抗氧化活性与细胞膜通透性

纳米塑料暴露诱导了氧化应激。在暴露第7天，高浓度（1 mg/L）纳米塑料处理组的SOD和CAT抗氧化酶活性被抑制，而脂质过氧化产物MDA含量显著升高，提示高浓度纳米塑料可能导致了活性氧（ROS）的爆发性积累，超出了细胞的抗氧化防御能力。细胞膜通透性（CMP）的检测结果进一步印证了纳米塑料的损伤效应，但有趣的是，在NP-NH₂处理组中，CMP的增加相对较小，这可能与NP-NH₂持续促进细胞分裂、新膜合成更活跃有关。统计分析强调，纳米塑料的浓度和表面修饰类型之间存在显著的交互作用，共同影响细胞的抗氧化状态和膜完整性。

整合生物标志物响应（IBR）

IBR分析将多个生理指标整合为一个综合毒性指数。短期暴露（第7天）时，纳米塑料的效应呈现浓度依赖性，但修饰后的纳米塑料（尤其是NP-NH<2ub>）引起的波动较小，暗示表面修饰可能有助于微藻适应环境。长期暴露（第21天）后，所有纳米塑料处理组的IBR值均超过对照组，表明毒性效应随时间累积。其中，低浓度NP-NH₂处理组的IBR值增幅最大（约700%），进一步证实了带正电纳米塑料具有更高的生物可利用性和长期潜在风险。

麻痹性贝类毒素（PSTs）含量与组成

这是本研究最关键的发现之一。虽然纳米塑料暴露对细胞内PSTs的总含量无显著影响，但带正电的NP-NH₂特异性地改变了毒素的组成比例，显著提高了C1/C2的比值。C1和C2是PSTs中的两种同系物，它们的相对比例变化可能影响毒素的整体毒性和在食物链中的转化行为。这一现象凸显了纳米塑料表面电荷对微藻次生代谢产物（特别是毒素）合成的精细调控作用，其生态风险不容小觑。

综上所述，本研究清晰地揭示了功能化纳米塑料，特别是带正电的氨基化纳米塑料（NP-NH₂），通过其表面电荷效应，能够显著影响有害赤潮藻太平洋亚历山大藻的生理状态和毒素生成 profile。NP-NH₂表现出更高的生物可利用性，能持久促进藻细胞生长，干扰光合作用，诱导氧化应激，并特异性地改变麻痹性贝类毒素的组成。这些发现不仅填补了关于纳米塑料如何影响有害微藻，尤其是其毒素动力学方面的知识空白，更重要的是，它警示我们：纳米塑料的环境风险评估必须充分考虑其表面化学性质（如官能团和电荷）。这类细微的物化特性差异，可能通过调控关键生物过程，最终对海洋生态系统健康和食品安全产生深远影响。随着功能性塑料材料的广泛应用，其进入海洋环境后的生态效应需要得到更全面、更精细的评估。