钙介导的缓解老化纳米塑料对微藻造成的压力：通过生理学和多组学分析揭示光合作用、能量代谢及抗氧化防御机制

《Bioresource Technology》：Calcium-mediated mitigation of aged nanoplastic-induced stress in microalgae: Insights into photosynthesis, energy metabolism, and antioxidant defense from physiological and multi-omics analyses

微藻在老化纳米塑料（ANPs）污染下的生理代谢紊乱及钙离子缓解机制研究。ANPs显著降低微藻营养去除效率、光合参数及抗氧化物质含量，转录组显示能量代谢相关基因下调，代谢组学证实抗氧化物质减少。10mM Ca2+有效逆转ANPs导致的细胞结构破坏（类囊体分解、质壁分离）和代谢抑制，恢复光合效率及基因表达。研究为纳米塑料污染下微藻处理技术的钙离子调控策略提供理论依据。

　　

张毅|杨欣月|刘旭东|冯佳|谢淑莲|吕俊平

山西大学生命科学学院，太原 030031，中国

摘要

老化纳米塑料（ANPs）已成为微藻废水处理中的一个重要风险因素。然而，Ca²⁺似乎对这种潜在威胁具有缓解作用。本研究通过综合生理学和多组学分析，探讨了Chlorococcum sphacosum对ANPs暴露的响应以及Ca²⁺的保护作用。暴露于1 mg/L ANPs时，NH₄⁺-N、TP和COD的去除率平均降低了17.2%。关键生理参数也受到抑制，生物量、叶绿素a含量和光合效率（Fv/Fm）平均下降了44.2%。转录组分析显示，与光合作用和能量代谢相关的基因平均下调了73.4%，这突显了能量稳态和氧化还原平衡紊乱的分子基础。代谢组学分析证实，包括谷胱甘肽、l-谷氨酸、亚油酸、腐胺和壬二酸在内的关键抗氧化代谢物平均减少了62.6%。这些干扰逐渐导致结构恶化，表现为类囊体解体、质壁分离和细胞壁降解，从而影响细胞活性和生理功能。值得注意的是，10 mM的Ca²⁺补充有效地抵消了这些不良影响。Ca²⁺补充提高了营养物质去除率，恢复了生理性能，增加了抗氧化水平，减轻了光合作用和能量代谢基因的转录抑制，并逆转了抗氧化生物合成的抑制。总体而言，本研究系统地阐明了Ca²⁺在微藻暴露于ANPs时的保护机制。这些发现为在纳米塑料污染存在的情况下维持基于微藻的废水处理提供了机制见解和实用策略。

引言

目前，全球废水排放量的持续增加对生态环境造成了严重压力（Lu等人，2024年）。因此，从水体中去除有机物、氮和磷等常规污染物变得越来越紧迫。更重要的是，人类活动和工业/农业生产向废水中释放了大量纳米塑料（NPs），使它们成为与传统污染物并列的主要污染物（Leal等人，2025年；Robert等人，2023年）。中国各地的研究表明，废水处理厂进水中的NP浓度范围为0.005至5669.9 μg/L。这些水平比微塑料（MPs）高出几个数量级（Junaid等人，2024年；Song等人，2022年）。此外，NPs在废水环境中经历了复杂的老化过程。研究表明，老化NPs（ANPs）的表面粗糙度增加，从而增强了细胞粘附性（Shi等人，2022年）。此外，含氧功能团（如羰基）的引入改变了NPs的亲水性和表面电荷（Wu等人，2025年）。这些变化增强了颗粒与细胞的相互作用，可能破坏膜完整性并促进活性氧（ROS）的产生（Shi等人，2022年）。因此，微生物细胞（包括微藻）可能会受到氧化应激的影响，从而抑制其代谢活性并对废水处理过程产生不利影响。

微藻是简单、高度光合作用的单细胞或群体生物，常见于自然界。微藻在生物能源、食品添加剂和生物医学研究等领域具有重要的应用潜力，推动了大规模培养的需求（Goswami等人，2024年）。大规模微藻培养通常需要大量的营养物质补充以支持生长和生物量积累。然而，外部营养物质的高成本限制了生物量的生产。富含氮和磷的废水为微藻提供了理想的生长介质。通过吸收和代谢这些营养物质，微藻可以有效去除废水中的污染物，有助于控制水污染。此外，微藻产生的大量生物量可用于高价值产品的生产，从而实现废水的资源回收（Goswami等人，2024年）。然而，废水中有害化合物（如ANPs）的存在会对微藻的生长和活性产生负面影响。例如，暴露于风化的聚对苯二甲酸乙二醇酯会显著降低Rhodomonas salina的种群密度（Sioen等人，2024年）。同样，风化的聚氯乙烯（PVC）对Raphidocelis subcapitata的毒性更强，导致更强的生长抑制（Simon等人，2021年）。在Chlamydomonas reinhardtii中，UV老化的PVC暴露会降低叶绿素a含量并增加丙二醛水平和抗氧化酶活性（Wang等人，2020年）。此外，纳米聚苯乙烯（PS）可以通过内吞作用进入Chlorella sorokiniana，从而抑制生长并破坏细胞结构完整性（Xu等人，2024年）。

为了在不利环境中增强微藻的活性，一些研究探索了通过外源添加化合物（如激素）来提高微藻的抗性。例如，水杨酸（SA）、吲哚-3-乙酸和赤霉素可以部分缓解氧化应激，并在抗生素和盐污染的废水中增强微藻的光合作用和生长（Zhao等人，2025年）。然而，这些方法存在显著局限性，包括高成本、过度应用可能引起的二次污染以及在不同环境条件下的效果差异，这限制了它们的广泛应用。因此，寻找低成本和实用的策略已成为研究的重点。钙离子（Ca²⁺对微藻生长至关重要，在维持细胞结构稳定性和调节生理代谢中起关键作用。此外，由于其低成本和易获得性，Ca²⁺被广泛用于废水处理（Fan等人，2023年）。值得注意的是，Ca²⁺可以增强生物系统的抗应激能力。例如，关于污泥的研究表明，Ca²⁺可以提高厌氧氨氧化细菌对盐度胁迫的耐受性（Xing等人，2015年）。然而，关于Ca²⁺在调节微藻抗应激中的作用的研究仍然有限。研究表明，绿藻中的CBL-CIPK模块对非生物胁迫有响应，并在解码钙信号中起关键作用（Sanyal等人，2023年）。尽管先前的研究已经探讨了Ca²⁺在微藻对非生物胁迫响应中的作用，但范围仍然有限。大多数研究集中在氮限制、UV-B辐射和热休克等常规胁迫因素上（Wang等人，2024年；Yang等人，2022年；Zhang等人，2017年）。此外，这些研究主要关注生理响应，如生长、光合色素含量和光合效率。然而，关于Ca²⁺介导的抗应激机制的详细见解仍然缺乏。Ca²⁺通过调节生理和代谢来减轻微藻在ANPs（一种新兴的环境胁迫因素）暴露下的生长抑制的潜力尚不清楚。其潜在机制尚未得到系统研究。因此，阐明Ca²⁺增强微藻对ANPs暴露抗性的机制是一个亟待解决的知识空白。

基于此背景，本研究探讨了使用外源Ca²⁺补充来缓解微藻因ANPs暴露而导致的活性下降。通过综合生理学、转录组和代谢组学分析，研究了ANPs暴露和Ca²⁺补充对微藻生理、遗传和代谢特征的影响，以阐明Ca²⁺缓解ANPs诱导的应激的机制。这些发现为提高微藻的抗应激能力提供了见解，并为在含有ANPs的废水中培养微藻提供了科学依据和实用指导。

部分内容

ANPs的制备和表征

ANPs是由平均直径为80 nm的聚苯乙烯纳米球（天津产）制备的。NPs的老化过程包括热处理、光化学处理和化学处理，具体方法见支持信息中的1.1–1.5节。

微藻菌株、预培养和实验设计

本研究中使用的微藻Chlorococcum sphacosum（C. sphacosum）是一种小型单细胞绿藻。该菌株最初由Feng等人（2019年）从山西关帝山土壤样本中的苔藓Entodon obtusatus中分离得到

ANPs的表征

NPs的老化过程显著改变了它们的物理化学性质。扫描电子显微镜显示，原始PS纳米球保持光滑的球形形态。相比之下，老化后的PS颗粒表面粗糙且形状不规则（图S4a）。老化后，PS纳米球的平均直径显著增加了110%（p p

结论

本研究探讨了微藻对ANPs暴露的响应以及Ca²⁺补充的保护作用。ANPs引发了多层次的应激反应，包括光合色素合成受损、PSII光化学活性降低以及与抗氧化酶和Ca²⁺信号传导相关的基因转录改变。多组学分析表明，ANPs显著抑制了光合和能量代谢途径，从而破坏了ATP/NAD(P)H的稳态

未引用的参考文献

Arellano, 2023; Feng et al., 2016; Gupta, 2020; Ighodaro and Akinloye, 2018; Administration, 2002.

CRediT作者贡献声明

张毅：撰写——原始草稿、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理。杨欣月：验证、监督、软件、资源。刘旭东：监督、方法学、数据管理。冯佳：软件、资源、项目管理。谢淑莲：软件、方法学、资金获取。吕俊平：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。