在同时暴露于镉和PBAT（聚对苯二甲酸乙二醇酯）塑料的Phaeodactylum tricornutum（一种海洋微生物）中，膜指纹特征及形态类型的改变可作为生态毒理学的指示指标

《Marine Environmental Research》：Membrane fingerprints and morphotype shifts in Phaeodactylum tricornutum co-exposed to cadmium and PBAT macroplastics as ecotoxicological indicators

本研究探究镉离子与可降解塑料PBAT对海洋浮游植物Phaeodactylum tricornutum的联合毒性效应，发现PBAT在低浓度Cd2+时缓解毒性，并通过FTIR和形态学分析揭示降解产物对细胞成分的影响。

　　

奥迈玛·萨尔希（Oumaima Salhi）| 伯纳德·拉塞尔（Bernard Lasserre）| 阿德莱德·勒格兰（Adéla?de Le Grand）| 菲利普·杜泽内尔（Philippe Douzenel）| 米卡埃尔·凯齐尔斯基（Mika?l Kedzierski）| 安东尼·马格雷斯（Anthony Magueresse）| 莫妮亚·特拉贝尔西（Monia Trabelsi）| 拉扎尔·姆哈德比（Lazhar Mhadhbi）| 奥利维尔·西尔（Olivier Sire）| 维罗妮克·勒蒂利（Véronique Le Tilly）

IRDL UMR CNRS 6027，法国南部布列塔尼大学（Bretagne Sud University），56017 瓦讷（Vannes），法国

摘要

本研究探讨了镉（Cd²⁺）和聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT，一种可生物降解的宏观塑料）对海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum (P. tricornutum)的单独及联合影响。有趣的是，与PBAT共同暴露可以减轻Cd²⁺的毒性，除非在高浓度下。通过使用非侵入性的傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术及主成分分析，监测到了膜组成的具体生化变化，发现碳水化合物和脂质含量显著下降，而蛋白质水平保持不变。形态观察显示，在单独或联合暴露于Cd²⁺和PBAT的情况下，硅藻趋向于椭圆形形态，这是应激反应的表现。此外，光合色素叶绿素-a和岩藻黄素在Cd²⁺作用下呈剂量依赖性增加，而在高浓度Cd²⁺存在PBAT的情况下，β-胡萝卜素没有显著变化。这种效应在共同暴露条件下更为明显，PBAT的存在导致这三种色素均显著增加。实验中，PBAT宏观塑料在海水中的短期老化表明，其降解产物是导致这些生物效应的原因。值得注意的是，形态变化发生在低于影响光合作用和光保护系统的Cd²⁺浓度下。这些发现强调了P. tricornutum的膜特征和形态变化作为金属及塑料污染敏感生态毒理学指标的潜力。

引言

塑料污染问题已从潜在的担忧演变为一个系统的环境危机。这一危机源于过度生产、过度使用和废物管理不善之间的不可持续互动。由于塑料具有轻质、柔韧性、透气性、耐用性和低成本等优点，它们被广泛应用于各个领域。塑料碎片（如微塑料和纳米塑料）的生成速度以及它们分解为二氧化碳/甲烷和水的速度，取决于聚合物在现有环境条件下的化学反应性。在老化过程中，塑料配方中添加的添加剂会被释放出来，可能带来额外的环境风险。

据估计，每年有47万至54万吨异质且疏水的塑料进入海洋，形成约170万亿个塑料颗粒的漂浮物（Eriksen等人，2023年；Lebreton等人，2024年）。这些塑料碎片（<5毫米）和纳米塑料（<0.1微米）能够渗透到海洋各层，从而暴露海洋生物（Gall和Thompson，2015年；Wilcox等人，2016年）。这种持续的污染造成了严重的生态破坏，可能导致生物死亡。如果没有限制塑料生产的监管框架，以及工业实践和社会行为的改变，到2040年进入海洋的塑料量可能会增加近三倍（Lau等人，2020年；Fan等人，2022年）。因此，开发可持续的塑料替代品至关重要，特别是在医疗、农业和渔业等领域，因为塑料在这些领域因其低成本和独特的物理化学性质而不可或缺。

作为潜在替代品，可生物降解聚合物的研究日益增多。聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）就是其中一种受到广泛关注的聚合物。PBAT是一种基于石油的塑料，在特定环境条件下可完全生物降解，它在性能和可持续性之间取得了良好的平衡。全球PBAT的产量从2022年的48.4万吨增加到2023年的130万吨，反映了其在包装和农业等领域的需求增长（Zhou等人，2024年）。

尽管PBAT本身具有生物降解性，但其大规模应用仍受到机械性能和阻隔性能不足的限制。为了提高其性能，人们采取了多种改进措施——包括与PLA共混（Jiang等人，2006年；Aversa等人，2022年）、添加纳米颗粒或天然纤维（Muthuraj等人，2017年；Lai等人，2020年；Seray和Hadj-Hamou，2024年）以及表面功能化处理（Rasyida等人，2017年；Camani等人，2021年；Wadaugsorn等人，2022年）——同时保留了其可生物降解这一关键环境优势，使PBAT成为与聚乙烯相媲美的环保替代品（Myalenko和Fedotova，2023年）。然而，其降解行为取决于环境条件：在土壤环境中，PBAT可通过微生物和水解作用有效降解（Deshoulles等人，2022年；Ma等人，2023年）；而在海洋环境中，其降解过程较为缓慢，主要依赖于光氧化作用（Pinheiro等人，2019年；Souza等人，2021年）。此外，我们之前的研究显示，放置在法国洛里昂湾浮码头下的PBAT白色薄膜在371天后表面出现损坏，并形成了含有矿物质的空洞（Kedzierski等人，2018年）。这表明PBAT可能对海洋系统中的二次微塑料污染有所贡献。

除了无处不在的存在外，传统塑料和可生物降解塑料越来越多地被认为是能够吸收、浓缩并在长距离内传输各种环境污染物的化学载体（Endo等人，2013年）。这种载体效应是由塑料颗粒的物理化学性质驱动的，如大小、表面积、孔隙率、结晶度和表面电荷，这些性质在环境条件下会发生显著变化（Andrady，2011年；Hermabessiere等人，2017年）。老化的微塑料通常表现出更高的表面氧化度和粗糙度，以及对极性或带电污染物的更强亲和力，包括重金属和有机污染物。这种变化已在UV氧化和水解后的PBAT中观察到（Hermabessiere等人，2017年；Tirkey等人，2025年）。与塑料颗粒相互作用的污染物（如重金属）尤其令人担忧，因为它们具有毒性、持久性和生物累积潜力（Rochman等人，2013年；Holmes等人，2014年；Wang等人，2019年；Li等人，2020a）。

镉（Cd）是一种有毒重金属，由于自然来源和人为活动（包括采矿、工业排放和农业径流）在海洋生态系统中普遍存在。镉通过静电相互作用和配位键吸附在PBAT上（Bakir等人，2014年）。这种吸附和脱附受多种环境参数影响，如pH值、盐度和溶解有机物的存在（Adamu等人，2024年）。因此，环境条件的变化可能导致部分脱附，使镉离子释放到周围环境中（Koelmans等人，2016年）。在生物体内，脱附会增加游离镉的生物可利用性和毒性，因为它可以直接与细胞成分相互作用，引发氧化应激、DNA损伤和代谢紊乱（Hamed等人，2017年）。长期暴露于含镉的微塑料与多种水生物种的生长受损、繁殖失败和免疫系统紊乱有关（Lu等人，2018年；Gao等人，2021年；Wang等人，2021年；Hernández-López和Romero，2022年；Yan等人，2023年）。沿食物链的生物累积潜力对顶级捕食者和食用海产品的消费者尤其令人担忧，这突显了全面评估这些相互作用的必要性。

了解污染物、塑料和海洋生物之间的相互作用对于进行可靠的环境风险评估以及设计环保且环境可持续的可生物降解材料至关重要，特别是在不断变化的监管框架下，如INC-5。这些相互作用还可能改变塑料的物理化学结构，从而影响其浮力、在水柱中的聚集潜力及行为，以及它们的毒理学效应。这些变化会显著影响它们的环境命运、分布和生物暴露的可能性。尽管有越来越多的证据表明PBAT和镉在海洋环境中共存，但它们对海洋初级生产者的联合影响仍很大程度上未知。因此，获取有关PBAT在天然海水中的行为数据（尤其是与有毒痕量金属如镉的结合）对于提供生态见解和防止传统石化塑料带来的系统性问题至关重要。

因此，本研究旨在阐明重金属和可生物降解塑料在海洋环境中的相互作用，并评估监测新兴污染物的常规分析方法。为此，研究了Cd²⁺对海水中的PBAT塑料老化的作用，并使用SEM和FTIR光谱技术表征了PBAT表面的变化。同时，还研究了Cd²⁺和PBAT对海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum的单独及联合影响。选择这种硅藻作为生物模型，是因为（1）其基因组特征明确且具有重要的生态意义；（2）它可以通过改变形态、色素组成和生物分子成分来适应环境变化；（3）它容易积累金属离子，包括镉（Cd²⁺）（Huang等人，2020年）。随后使用光学透射显微镜和FTIR光谱技术评估了在控制条件下培养于天然海水中的P. tricornutum的生理（形态变化、光合作用和光保护系统）和生化反应，以确保研究的生态相关性。

材料

氯化镉（CdCl₂，99.99%）购自Sigma-Aldrich（产品编号202908）。本研究中使用了市售的聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）宏观塑料。所有实验均使用从法国塞纳河岸（47° 37′ 14″ N, 2° 44′ 09″ W）收集的过滤后的天然海水进行。每次实验前，海水依次通过164微米和25微米的筛网过滤，然后再通过灭菌的硝酸纤维素膜过滤（0.22微米）

PBAT宏观塑料的化学和物理老化

图1A和1B分别展示了原始状态或在海水中老化25天的PBAT薄膜的MIR光谱（在有无Cd²⁺的情况下）。首先关注老化过程本身，可以在干燥薄膜上清晰观察到与-CH₂基团的不对称（asym）和对称（sym）伸缩振动相关的两个谱带，分别位于2925和2845厘米^-1。酯键在1720厘米^-1处显示三个谱带，对应于C=O的伸缩振动

讨论

本研究提供了关于Cd²⁺和PBAT宏观塑料（一种石油衍生的可生物降解塑料）共存时的命运和毒性的数据。这些发现应为制定既环保又经济可行的策略提供依据，以减轻它们的毒理学影响。

早在2018年，我们就已经证明，PBAT宏观塑料在天然海水中浸泡371天后，表面会出现裂纹并吸附环境化合物

CRediT作者贡献声明

米卡埃尔·凯齐尔斯基（Mika?l Kedzierski）： 方法论、概念化。菲利普·杜泽内尔（Philippe Douzenel）： 方法论。莫妮亚·特拉贝尔西（Monia Trabelsi）： 资源准备。安东尼·马格雷斯（Anthony Magueresse）： 方法论。奥利维尔·西尔（Olivier Sire）： 原稿撰写、项目管理。拉扎尔·姆哈德比（Lazhar Mhadhbi）： 监督。维罗妮克·勒蒂利（Véronique Le Tilly）： 原稿撰写、验证、监督、方法论、研究、数据管理、概念化。奥迈玛·萨尔希（Oumaima Salhi）： 原稿撰写、验证、方法论、研究。阿德莱德·勒格兰（Adéla?de Le Grand）： 方法论。伯纳德·拉塞尔（Bernard Lasserre）：

未引用参考文献

Li等人，2020年。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：LE TILLY报告称获得了法国南部布列塔尼大学和突尼斯埃尔马纳尔大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢突尼斯和法国大学的财政支持，这使得这项出版成为可能。