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微塑料对三种海洋微藻的生长、色素及脂质代谢的影响研究。通过控制实验条件，评估了聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料以不同比例（50:50和70:30）在50和100 mg/L浓度下对Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis三种微藻的生长抑制、色素含量及脂质代谢的影响。结果显示PE为主的处理抑制效应更显著，Nannochloropsis sp.生长抑制达29.36%，并伴随脂肪酸组成改变，尤其是α-亚麻酸比例上升。关键发现包括微塑料种类与比例对藻类生理的差异化影响，以及脂质代谢的物种特异性响应。
K. 斯里·维什努（K. Sri Vishnu）| A. 梅尔琳·希拉（A. Merline Sheela）| P. 库马拉·沙西达拉（P. Kumara Shasidara）| G. 迪纳加兰（G. Dhinagaran）
印度泰米尔纳德邦金迪工程学院（College of Engineering Guindy）土木工程系环境研究中心，金奈（Chennai），邮编600 025
摘要
微塑料（MPs）是新兴的海洋污染物，但聚合物对微藻生理和脂质代谢的具体影响仍知之甚少。本研究评估了三种具有商业和生态价值的海洋微藻——Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis——在受控实验室条件下，暴露于浓度为50和100 mg/L的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料（PE: PP比例为50:50和70:30）时的反应。通过扫描电子显微镜（SEM）观察微塑料的形态及其与微藻的相互作用。同时测量了生长情况、色素含量和总脂质，并利用气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）分析了脂肪酸甲酯（FAME）的组成。结果表明，微塑料暴露显著抑制了微藻的生长，尤其是在PE占主导的情况下影响更为明显。Nannochloropsis的生长抑制最为显著（29.36%），其次是Isochrysis（23.58%）和Chaetoceros（15.7%）。在100 mg/L的浓度下，所有物种的叶绿素和类胡萝卜素含量均下降。PE富集的微塑料暴露还导致总脂质含量减少，并伴有脂肪酸甲酯组成的显著变化。Nannochloropsis中不饱和脂肪酸的比例增加，尤其是α-亚麻酸（C18:3n3），表明其代谢系统对微塑料压力进行了调整。相比之下，Chaetoceros中的神经酸（C24:1）和油酸（C18:1）含量减少，表明长链脂肪酸的生物合成受到干扰，而Isochrysis中的二十三酸（C23:1）含量显著降低。总体而言，长链脂肪酸占主导地位（55–75%），微塑料压力促进了不同物种的延长和去饱和过程。这些发现表明，微塑料的聚合物组成对其生长、色素生成和脂质代谢途径有重要影响，进而影响微藻的生化组成和生物燃料相关特性。未来的研究应探讨长期、环境相关的微塑料暴露及其对微藻生理和脂质代谢的潜在机制。
引言
全球范围内，塑料的使用已成为一个严重的环境问题。2010年，估计有480万至1270万吨塑料垃圾进入海洋。到2050年，这一数字预计将上升至约120亿吨（Zheng和Suh，2019年）。海洋生态系统中微小塑料碎片的增多引发了人们对微塑料污染的担忧（Ashrafy等人，2023年）。大量微塑料主要通过淡水途径从陆地环境进入海洋，包括河流、河口以及工业和农业排放物（Ajith等人，2020年）。大约70%的海洋垃圾沉积在海底，其余30%漂浮在海面上或沿岸（Thevenon等人，2014年）。据估计，海洋表面漂浮着超过171万亿个微塑料颗粒，总重量达230万吨，占所有海洋垃圾的85%（Eriksen等人，2023年）。阳光照射会在聚合物表面形成孔洞和孔隙，从而增强其对污染物的吸附能力（Barari等人，2025年）。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）是海洋环境中最常见的微塑料类型。海洋生物，包括浮游生物和浮游植物，会摄入这些微塑料（Shamala和Merline Sheela，2023年；Kumara Sashidara等人，2024年）。从沿海地区采集的水样中含有直径在1至14 μm之间的聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料，其中60%的颗粒直径小于5 μm（Bao等人，2022年；Faull等人，2024年；Zhao等人，2025年）。由于微塑料体积小，它们可以被水生和陆地生物摄入，从而通过食物链进行营养传递，并增加人类通过摄入和吸入暴露的风险，可能还会发生生物放大效应（Sun和Wang，2023年）。微塑料在海洋环境中的普遍存在，其浓度高达每立方米102,000个颗粒，表明海鲜是通过摄入途径人类暴露的重要途径（Rahman等人，2021年）。据估计，人们每年通过食用软体动物、甲壳类动物和鱼类摄入的微塑料数量分别为27,825个、17,716个和8,323个（Danopoulos等人，2020年）。微塑料对生物体的影响取决于其物理和化学性质（Zolotova等人，2022年）。微塑料表面的粗糙度（如沟槽和孔隙）显著增强了其对污染物（包括重金属和有机污染物）的吸附能力（Anik等人，2021年；Esmaeili Nasrabadi等人，2025年）。密度较低的微塑料会漂浮在海面上（Frias等人，2020年；Meijer等人，2021年），而密度较高的微塑料则会沉入沉积物中并积累（Alfaro-Nú?ez等人，2021年）。多项研究表明，海洋生物可能会摄入微塑料，这通常会导致不良后果，因为微塑料会在组织中积累，成为感染的载体，并吸收和保留有害物质（Auta等人，2017年；Zahmatkesh Anbarani等人，2024年）。水生生物通过呼吸、滤食或悬浮喂养以及摄入受微塑料污染的食物来吸收微塑料（Du等人，2021年；Aguirre-Martínez等人，2023年；Zavala-Alarcón等人，2023年）。已有报告指出，太平洋、大西洋、印度洋和地中海的多种鱼类会摄入微塑料（Alberghini等人，2023年）。此外，许多研究人员也报告了来自不同海岸的海洋双壳类动物摄入微塑料的情况（Phaksopa等人，2023年；Pequeno等人，2021年；Qu等人，2018年）。在不列颠哥伦比亚省沿海捕获的幼鲑和返回成年的鲑鱼每天摄入2–7个微塑料，而返回成年的鲑鱼每天摄入的微塑料少于91个（Desforges等人，2015年）。在墨西哥中太平洋捕获的2643只桡足类动物中，23只含有纤维状、碎片状和球状的微塑料，单个颗粒的平均长度为468.1 ± 113.8 μm（Zavala-Alarcón等人，2023年）。
海洋微藻能产生多种生物活性化合物，如氨基酸、藻胆蛋白、酚类、维生素、类胡萝卜素以及富含多不饱和脂肪酸的脂质（Mahata等人，2022年；Eze等人，2023年）。此外，微藻通过光合作用固定二氧化碳（Prasad等人，2021年；Chen等人，2024年）。微藻对污染物非常敏感，因此是评估水环境中微塑料污染的理想指标（Gallo等人，2020年）。作为营养循环的重要组成部分，微藻能固定磷并产生脂质（Chauhan和Mohanty，2024年）。由于其快速生长的特性，微藻的生物量中脂质含量可高达80%（Gui等人，2021年）。微藻储存的脂质主要是三酰甘油（TAGs），可以通过与甲醇的酯交换反应转化为生物柴油（El-Sheekh等人，2021年；Khoo等人，2023年）。
在海洋微藻中，Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis在维持水生生态系统方面起着重要作用（Esteves等人，2025年；Pérez-Varillas和Sánchez-Saavedra，2025年）。Nannochloropsis是一种具有高光合效率的海洋微藻，能将二氧化碳转化为三酰甘油和ω-3长链多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）（Ma等人，2016年；Mienis等人，2024年）。Chaetoceros neogracile是一种常用于喂养虾和鱼等海洋生物的微藻（Teixeira和Granek，2017年）。除了生长速度快和生物量产量高外，Chaetoceros还含有高水平的脂肪酸（Bhattacharjya等人，2020年；Kanda等人，2024年）。在10%二氧化碳浓度下，Chaetoceros的脂质含量为43.40%，其中90%以上为C14–C18脂肪酸，且超过80%为饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸，表明其具有生产生物燃料的潜力（Wang等人，2014年）。Isochrysis galbana是一种广泛分布于近海水域的藻类，对环境污染物非常敏感（Jin等人，2020年）。除了甾醇和类胡萝卜素外，Isochrysis还富含ω-3脂肪酸，在水产养殖（如虾和软体动物的养殖）和化妆品行业中有重要应用（Meneses-Montero等人，2025年）。
尽管人们越来越认识到微塑料的生态影响，但关于微塑料对微藻的亚致死影响（尤其是对色素生成和脂质代谢等关键生物过程的影响）的研究仍较少（Li等人，2024年）。光合色素对微藻的光吸收和能量转换至关重要，而脂质不仅对细胞结构和能量储存至关重要，还对生物燃料和营养保健品产业具有经济价值（Morales等人，2021年；Khoo等人，2023年）。这些代谢途径的干扰可能会阻碍初级生产力、食物网相互作用和生物技术应用（Kholssi等人，2023年）。Mojiri等人（2024年）的研究揭示了聚苯乙烯微塑料对Chaetoceros neogracile的有害影响。然而，由于适应作用，聚苯乙烯微塑料引起的生长抑制和损伤随时间逐渐减弱（Jin等人，2024年）。研究发现，Chlorella vulgaris暴露于聚乙烯和聚苯乙烯微塑料后，其生长和光合色素生成受到抑制（Wang等人，2023a）。此外，微塑料还会通过形成异质聚集体阻碍气体交换和营养物质的吸收，从而影响微藻的生长（Guo等人，2020年；Nava和Leoni，2021年）。然而，关于在不同微塑料聚合物比例下多种海洋微藻的比较研究仍然有限。为填补这一空白，本研究在三种海洋微藻中进行了受控的、基于聚合物比例和物种差异的微塑料暴露评估，研究了生长、色素组成和脂质代谢的变化，以提供超越单一物种或单一聚合物研究的机制性见解。具体而言，本研究旨在：（i）评估微塑料暴露对Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis生长的影响；（ii）评估这些物种在暴露于微塑料后光合色素（包括叶绿素和类胡萝卜素）的变化；（iii）分析微塑料污染对总脂质含量和脂肪酸组成的影响。
材料与方法
本研究中使用的玻璃器皿经过灭菌和酸洗处理。研究中使用的聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）塑料材料购自印度金奈的中央石化工程与技术研究所（CIPET）。PP和PE的颜色分别为白色和黑色。使用传统的500 μm筛子将购买的微塑料颗粒分为100–500 μm的尺寸。
微塑料对微藻生长的影响
图1显示了不同浓度和组成的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料对三种海洋微藻Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis生长的影响，生长抑制百分比见表S1。在没有微塑料暴露的情况下，Nannochloropsis的细胞数量为6.24 × 105个/mL。当浓度为50 mg/L时，在PE: PP比例为50:50的情况下，生长减少了13.8%；在
结论
本研究表明，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料对三种海洋微藻（Nannochloropsis、Chaetoceros和Isochrysis）的生长、光合色素和脂质代谢具有物种特异性影响。在PE占主导（PE: PP比例为70:30）的条件下，Nannochloropsis的生长抑制最为显著（29.36%），其次是Isochrysis（23.58%）和Chaetoceros（15.70%）。叶绿素a含量的降低也较为明显
CRediT作者贡献声明
K. 斯里·维什努（K. Sri Vishnu）：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。A. 梅尔琳·希拉（A. Merline Sheela）：撰写修订稿、审稿与编辑、项目管理、概念构建。P. 库马拉·沙西达拉（P. Kumara Shasidara）：实验研究、数据整理、概念构建。G. 迪纳加兰（G. Dhinagaran）：数据可视化、结果验证、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢安娜大学环境研究中心（CES）提供的实验室设施，同时也感谢安娜大学化学系和金奈的Sathyabama科学技术研究所提供的技术支持以及SEM和GC–MS分析方面的帮助。
