全细胞生物报告器揭示了阳离子-DOM-金属三元体系中的拮抗作用和协同作用

《Chinese Journal of Physics》：Whole-Cell Bioreporter Reveals Antagonistic and Synergistic Effects in the Cation-DOM-Metal Ternary System

本研究系统探究了水体中无机阳离子（K?、Na?、Ca2?、Mg2?）与溶解有机物（DOM）对镉、镍、锌生物有效性的协同或拮抗作用机制。通过单因素和多因素实验发现，Ca2?和Mg2?浓度依赖性抑制目标金属生物有效性，其中Ca2?对Zn抑制最强；Na?和K?呈现非线性效应，低浓度增强Ni和Zn，高浓度抑制Cd；DOM通过络合作用降低Cd生物有效性。多因素条件下，Ca2?和Mg2?与DOM竞争金属结合位点，导致生物有效性动态变化，尤其在过量离子浓度时，与模型预测存在显著差异。研究揭示了三元体系中离子的复杂调控机制，验证了生物传感器在复杂水体中的可靠性，为精准环境风险评估模型开发奠定理论基础。

　　

魏琳|张璐玉|陈汉波|李博凌|顾彩文|威廉姆森·古斯塔夫|何丽芝|克里斯蒂娜·洛佩兹|张晓凯

江南大学环境与生态学院环境过程与污染控制研究所，中国无锡214122

摘要

由于重金属的高毒性和生物累积潜力，它们对水生生态系统和人类健康构成了持续的威胁。环境风险主要由生物可利用的金属部分决定，而不是总金属浓度。全细胞生物报告器可以直接捕捉生物体对重金属暴露的生理反应，对于准确评估生物可利用性至关重要。然而，水生环境中普遍存在的无机阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）和溶解有机物（DOM，以腐殖酸为代表）显著影响重金属的生物可利用性。本研究使用生物报告器测定法研究了这些环境因素对镉（Cd）、镍（Ni）和锌（Zn）生物可利用性的影响。单因素实验表明，Ca²⁺和Mg²⁺对所有目标金属都表现出浓度依赖性的抑制作用，其中Ca²⁺对Zn的生物可利用性的抑制作用最强。Na⁺和K⁺表现出非线性效应，在低浓度下适度提高Ni和Zn的生物可利用性，但在高浓度下抑制Cd的生物可利用性。腐殖酸主要通过络合作用降低Cd的生物可利用性。在固定腐殖酸浓度（44 μmol/L）的多因素测试中，增加Ca²⁺或Mg²⁺的水平会与腐殖酸竞争金属络合位点，导致金属解离并增加生物可利用性（拮抗作用）。然而，在过高的阳离子浓度下（Ca²⁺ > 2.49 mmol/L；Mg²⁺ > 6.17 mmol/L），竞争转向生物报告器细胞膜上的结合位点，导致协同抑制，并使生物报告器测量结果与模型预测之间存在显著差异。本研究阐明了阳离子–DOM–金属三元系统中控制金属生物可利用性的复杂调控机制，证实了生物报告器测定法在复杂水环境中的稳健性，并为开发精确的环境风险评估模型提供了理论基础和技术框架。

引言

由于重金属的高毒性、[1]持久性和生物累积潜力，它们对水生环境安全和人类健康构成了重大威胁。最近的研究报告显示，全球河流和湖泊中的重金属浓度持续增加[73]。例如，工业排放导致2020年至2022年间青海湖平均镉（Cd）浓度上升了36.7%[35]，而2014年至2024年间太湖北部地区的铜（Cu）污染增加了30.2%[5]。这种日益严重的污染对水生生态系统造成了极大的破坏。贾等人[29]表明，镉浓度超过0.41 mg/L会诱导氧化应激，破坏抗氧化防御机制，并导致Cyprinus carpio的DNA链断裂。此外，铜（Cu）和铬（Cr）显著抑制叶绿素合成，从而影响藻类的光合作用[22,75]。更严重的是，通过食物链进入人体的重金属会通过特定的细胞相互作用损害遗传物质并改变蛋白质构象，增加恶性肿瘤和慢性代谢疾病的风险[32]。例如，砷（As）会在肾脏、心脏和肝脏等器官中积累，与酶和蛋白质中的巯基结合，导致酶失活和严重的健康问题，包括癌症、糖尿病和心脏功能障碍[63]。鉴于其高风险，世界卫生组织（WHO）将饮用水中砷的允许限值为10 μg/L，最高允许限值为50 μg/L[61]。同样，镍（Ni）化合物（如NiS₂、NiCl₂、NiO）具有致癌性，其毒性主要源于取代酶和蛋白质中的必需金属离子[13,48]。长期接触镉会导致肾脏和肝脏中的积累，引发贫血、肝病和高血压等疾病[6,28]。即使是对于许多生理功能至关重要的微量元素，如锌（Zn），当摄入量超过25 mg/天时也会引起不良影响，包括贫血和中性粒细胞减少[57]。因此，准确评估重金属的环境风险并开发高效、精确的评估框架对于指导有效的修复策略至关重要。

传统的重金属环境风险评估方法主要关注总污染物浓度[69]。然而，生态毒性并不总是与总浓度直接相关。因此，引入了生物可利用性的概念，以表示环境中生物体可以吸收并引发毒性、积累或代谢反应等生物效应的污染物部分[23,74]。因此，生物可利用性已成为评估重金属环境风险的关键参数[14,64,69]。近年来，全细胞生物报告器作为一种有价值的工具出现，用于评估各种污染物的生物可利用性，具有程序简化和技术成本低的优点[4,56]。这些基因工程细菌在暴露于目标化学物质时会产生剂量依赖性的信号，从而能够敏感和快速地量化生物可利用的污染物[30,40]。最近的研究进一步表明，金属响应型E. coli生物报告器的生物发光信号并非简单地与光活性细胞浓度成线性关系，而是受金属生物摄取、荧光素酶产生/降解以及细胞膜上的静电分配的耦合动态控制[18]。这些发现证明了生物报告器与重金属之间的相互作用。因此，越来越多的人对应用生物报告器技术来评估水生环境中的重金属污染风险感兴趣。

已经成功使用各种全细胞生物报告器检测了铅（Pb[69]）、汞（Hg[45]、镍（Ni[31]）、锌（Zn[8]）和铜（Cu[50]）等金属的生物可利用性变化。这种方法反映了细胞水平上对金属暴露的真实生物反应。然而，自然水生系统包含许多复杂因素，如无机阳离子、溶解有机物（DOM）和pH值，这些因素影响重金属的生物可利用性。金属的生物可利用性主要由其化学形态决定，而化学形态受这些环境参数的控制[36,47]。化学形态建模已被证明在预测水化学对金属形态的影响方面有效，并被广泛认为是评估环境风险的有价值工具。尽管生物可利用性受到形态的强烈影响，但模型预测仍需通过生物测定进行验证。pH值直接改变金属形态从而影响生物可利用性的机制已经得到充分证实。从生物学角度来看，二价阳离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）可以通过调节细胞生理或竞争生物膜上的结合位点来影响金属毒性。例如，Ca²⁺作为Ca-ATPase的辅因子，恢复被Cd²⁺抑制的酶活性并维持细胞离子平衡[52]。此外，Ca²⁺在细胞膜上可以与Pb²⁺等金属进行离子交换，促进它们的吸收[43]。DOM通过络合作用降低自由金属离子浓度，从而影响生物可利用性[66]。尽管有这些见解，但全细胞生物报告器检测到的环境阳离子和DOM水平变化影响生物可利用性的浓度阈值仍然未知。因此，使用全细胞生物报告器研究无机阳离子和DOM对实际水体中重金属风险评估的影响是必要的。

基于这一背景，本研究系统地研究了典型水生阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）对全细胞生物报告器在自然水环境中检测重金属生物可利用性的影响。在受控水系统中操纵阳离子浓度，同时使用腐殖酸（HA）作为代表性的DOM成分。在固定HA浓度下，研究了不同阳离子与HA之间的相互作用机制，以阐明它们对生物报告器检测重金属生物可利用性的协同或拮抗效应。通过阐明无机阳离子和有机配体对生物可利用性的不同调控机制，并将这些发现与化学形态建模相结合，本研究揭示了多种环境参数共同作用下的重金属生物可利用性的动态变化。这些发现有望为在复杂环境介质中应用全细胞生物报告器提供理论基础和技术支持，从而改进重金属污染的风险评估。

部分摘录

细菌菌株、培养基和测定条件

本研究中使用的全细胞生物报告器是Escherichia coli PHL268 zntA菌株[69]，以下简称zntA，根据张等人的方案[68]进行培养。生物可利用性测定在白色96孔微孔板上进行，每个孔中加入50 μL生物报告器悬浮液（OD₆₀₀ = 0.2，见SM中的文本S1），然后加入50 μL重金属标准品或环境样品。特定金属测定的浓度梯度如下：

zntA全细胞生物报告器检测重金属的性能评估

本研究使用在环境风险场景中常见的七种重金属离子评估了zntA全细胞生物报告器的特异性。图1A显示了在最高可量化重金属浓度下获得的最大生物报告器响应与空白对照组最大响应之间的比率。图1B展示了zntA全细胞生物报告器产生的最大生物发光信号对应的不同重金属浓度。

结论

本研究系统评估了常见环境阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和DOM对多种重金属生物可利用性的调控效应，发现不同金属系统之间存在不同的响应。结果表明，Ca²⁺和Mg²⁺不仅直接与金属竞争生物结合位点，降低毒性，还与DOM的功能基团（如羧基和酚羟基）络合，减弱DOM的金属络合能力。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42477518, 42307290）项目的支持。

未引用参考文献

10,37,60]

CRediT作者贡献声明

魏琳：撰写——原始草稿、可视化、数据整理、概念构思。张璐玉：撰写——审阅与编辑、方法学、数据整理。陈汉波：撰写——审阅与编辑、研究。李博凌：撰写——审阅与编辑、方法学。顾彩文：撰写——审阅与编辑、形式分析、数据整理、概念构思。威廉姆森·古斯塔夫：撰写——审阅与编辑、验证。何丽芝：撰写——审阅与编辑、方法学。克里斯蒂娜·洛佩兹：撰写——审阅与