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微塑料污染微藻胞外聚合物分泌与界面耦合机制研究，采用多组学技术揭示PS/PVC在不同氮水平下调控Scenedesmus sp. EPS组分及异质聚集行为的作用规律，建立分子互作模型指导生物塑料资源化利用。
Kaiwei Xu|Ke Liu|Xiaotong Zou|Zhou Shen|Shaohua Zhao
中国西安科技大学西部矿区生态环境修复研究所，西安 710054
摘要
微塑料（MPs）作为一种新兴污染物，在水生生态系统中越来越多地被检测到，它们与微藻的相互作用对污染物的传输和生态风险有着重要影响。本研究旨在阐明不同营养水平和微塑料类型如何调节Scenedesmus种的细胞外聚合物物质（EPS）分泌及其异质聚集行为。通过实验观察和密度泛函理论（DFT）模拟相结合的方法，研究了Scenedesmus种与两种代表性微塑料——聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）之间的界面相互作用，并通过代谢组学分析来考察相应的生化反应。结果表明，PS暴露诱导形成了更大且更松散的絮体，其最大沉降效率为99.63%；而PVC则形成了更小且更紧密的聚集体（93.57%）。DFT分析进一步表明，PS-EPS相互作用主要由非局域化的范德华力和氢键作用主导，而PVC-EPS复合物则涉及由蛋白质类EPS介导的局部极性相互作用。代谢组学分析显示，PS和PVC都干扰了嘌呤代谢和脂质重塑，其中PVC还激活了氨基酸和氮代谢途径。总体而言，营养水平和微塑料类型共同调节了EPS的组成、界面耦合及聚集特性。本研究为理解微塑料与微藻之间的界面机制提供了分子层面的证据。这种异质聚集现象可进一步用于生物柴油生产，从而实现废弃材料的增值转化。
引言
微塑料（MPs）定义为尺寸小于5毫米的塑料碎片，已成为水生生态系统中普遍存在的污染物，对环境和健康构成重大威胁[1]。这些塑料主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）组成，占全球塑料产量的大约90%[2]。由于它们的稳定性和普遍性，微塑料可以在自然生态系统中积累，经过风化形成纳米塑料（NPs），最终进入全球食物链，对人类健康构成潜在威胁[3]。根据联合国环境规划署的预测，在维持现状且不采取有效干预措施的情况下，进入水生生态系统的塑料废物量可能从2016年的每年900万至1400万吨增加到2040年的每年2300万至3700万吨[4]。
传统的处理技术如膜过滤和化学絮凝虽然高效，但能耗较高，容易发生膜污染，并可能造成二次污染[5]。相比之下，微藻作为自然界中普遍存在的第一生产者，已被证明可以通过异质聚集与微塑料相互作用。微藻分泌的细胞外聚合物物质（EPS）可以促进微塑料的附着，并通过抑制水平扩散和促进垂直沉降来改变其环境行为，从而减缓微塑料的迁移和转化[6]、[7]、[8]。与传统去除方法相比，利用微藻去除微塑料的方法更具可持续性、可重复性和可扩展性，能耗更低，对环境的影响也较小。此外，将微藻培养与微塑料去除相结合，还能通过光合作用捕获二氧化碳，有助于同时减轻塑料污染和减少碳排放[9]。
本研究创新性地使用了一种来自陆地生物膜但也能很好地适应水生培养的藻类Scenedesmus种。Scenedesmus种广泛分布于淡水环境中，对环境变化具有很强的适应性，能够在不同的营养条件下稳定生长[10]、[11]、[12]。与常见的淡水/海洋藻类相比，生物膜藻类具有表面粘附性强、分泌大量细胞外聚合物物质（EPS）以及自然絮凝倾向等特性[13]、[14]、[15]。这些特性为利用该物种通过生物聚集过程去除微塑料提供了独特的机会。微藻与微塑料（MP）的异质聚集效率在很大程度上取决于微藻分泌的细胞外聚合物物质（EPS）。这些EPS充当分子桥梁，促进藻细胞与微塑料之间的界面粘附[16]、[17]。
然而，环境因素（如营养物质的可用性、温度和光照强度）在调节EPS分泌方面起着关键作用[18]、[19]。例如，Gopalakrishnan和Kashian[20]报告称，适中的温度（最高25°C）可以增加藻类密度和微塑料沉积量，而过高的温度（32.5°C）则会降低两者。同样，Wang等人观察到，在高光照强度下，Chlorella pyrenoidosa会分泌富含蛋白质的EPS，从而增强对PS颗粒的粘附力，表明环境条件显著影响EPS的组成和聚集行为[17]。天然水体中通常含有多种共存的污染物，如有机微污染物和金属离子，这些物质可能会与微塑料竞争EPS结合位点，从而改变EPS介导的界面耦合[5]。此外，在自然水生系统中，营养物质（尤其是氮）的水平存在显著的空间和时间异质性，这会动态改变EPS的组成，进而影响其聚集行为[21]、[22]、[23]。同时，微塑料本身也会通过诱导氧化损伤、破坏膜完整性和改变细胞代谢对藻细胞产生毒性压力[24]、[25]。这些生理扰动进一步影响EPS的产量和分子结构，表明微塑料暴露和环境条件共同影响EPS介导的聚集行为。尽管如此，微塑料暴露和环境因素共同调节EPS生物合成和界面耦合的程度仍不甚清楚。现有研究主要描述了聚集现象，而没有阐明其背后的分子机制，这限制了基于微藻的可持续微塑料修复策略的发展。
因此，本研究系统地研究了在代表性营养条件（0.75、1.5和3.0克/升）下Scenedesmus种与微塑料（PS和PVC）之间的异质聚集机制，这些条件分别对应于低氮（LN）、中氮（MN）和高氮（HN）环境[26]、[27]。此外，采用了综合分析方法，包括三维激发-发射矩阵耦合平行因子分析（3D-EEM-PARAFAC）、密度泛函理论（DFT）模拟以及非靶向代谢组学分析。具体目标是：（1）阐明营养化学计量的变化如何调节EPS的分泌模式和组成变化；（2）揭示EPS–MP界面处的分子级结合机制；（3）建立代谢途径调整与EPS粘附能力之间的多维相关性，从而提供关于环境条件和聚合物表面化学如何共同决定微塑料聚集行为和环境命运的机制性见解。
部分摘要
微藻菌株和化学物质
淡水微藻Scenedesmus种是从中国陕西省曹家滩采集的生物土壤膜中分离得到的。分离采用标准划线平板法进行。该藻株在含有1升BG11培养基（Hope Biotechnology Co., Ltd, 青岛，中国）的2升玻璃锥形烧瓶中培养。培养在光照强度为6000勒克斯的照明培养箱（RGX, Beijing Zhongxingweiye Instrument Co., 北京，中国）中进行。
微藻-微塑料聚集体的形成
图2显示了在不同氮条件下Scenedesmus-微塑料或Scenedesmus聚集体的沉降行为和理化特性。随着培养的进行，微塑料-Scenedesmus系统的沉降效率显著提高，其中PS处理在促进絮体形成方面始终优于PVC，表明PS具有更强的絮体形成能力。相比之下，即使在没有微塑料的培养物中也会发生沉降。
结论
本研究全面探讨了在PS和PVC微塑料存在下Scenedesmus种的聚集行为、界面机制和代谢反应。PS和PVC都促进了EPS的分泌和异质聚集，但PS产生的絮体更大且更松散。光谱分析显示，PS暴露下EPS富含多糖/腐殖质，而PVC暴露下EPS以蛋白质为主。DFT模拟进一步
环境影响
微藻与微塑料的相互作用决定了微塑料在水生环境中的移动性、滞留和生态风险。本研究创新性地使用了一种具有强粘附性和高EPS产量的生物膜藻类，来阐明氮的可用性和聚合物类型如何调节异质聚集过程中的EPS组成和界面耦合。所得的机制性见解揭示了环境因素如何调节微塑料的沉降特性和空间分布
作者贡献声明
Zhou Shen：验证、方法学研究。Shaohua Zhao：数据管理。Ke Liu：研究、数据管理。Xiaotong Zou：写作 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。Kaiwei Xu：写作 – 初稿撰写、研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号22408289）和陕西省自然科学基金（项目编号2024JC-YBQN-0279和2024JC-YBQN-0132）的支持。
