微塑料与铜复合物对浮游植物光合作用碳封存的综合影响：基于智能传感技术的铜生物可利用性的多视角分析

《Marine Pollution Bulletin》：Combined effect of microplastics and copper complex on phytoplankton photosynthetic carbon sequestration: Intelligent sensing and multi-perspective analysis of copper bioavailability

　　

范丽文|黄倩彦|李顺星|蔡明刚|罗家毅|黄旭光|刘凤娇

中国漳州闽南师范大学化学、化学工程与环境学院

摘要

浮游植物对碳的固定量约占地球总碳固定量的50%。微塑料是一种新的污染物，微塑料与痕量金属结合对浮游植物的生态影响受到了广泛关注。铜是浮游植物光合作用和呼吸作用的重要辅因子，其生物可利用性与其形态分布和环境因素密切相关。本研究通过智能传感技术和多角度分析探讨了微塑料对铜生物可利用性的影响，以及这种影响如何进一步作用于浮游植物的碳固定过程。在添加光敏剂（PS）、铜配体及PS-铜配体的条件下，当铜的吸收浓度分别增加1 pg/cell时，碳固定速率分别增加了106.25、406.43和2.47 μmol/min。研究发现，铜配体通过改变铜的生物可利用性在不同程度上增强了碳固定能力，而光敏剂则表现出抑制作用，尤其是在添加PS-铜配体时这种抑制作用更为显著，表现出拮抗效应。本研究首次从铜生物可利用性与碳固定关系的角度揭示了微塑料-铜复合物的拮抗机制，为评估微塑料的生态风险提供了新的科学依据，也为阐明微塑料-铜复合物如何影响铜生物可利用性与碳固定之间的关系提供了新的视角。

引言

海洋浮游植物的碳固定量约占地球总初级生产量的50%（Zhao等人，2025年），这是水生环境中提供初级生产力的重要途径（Irion等人，2021年）。浮游植物的光合作用碳固定能力取决于其生物量水平和生理功能，同时受到环境因素的影响（Liu等人，2023年）。铜广泛存在于水中，是生物体必需的痕量金属，是浮游植物生长、光合作用及相关功能蛋白（如质体蓝蛋白、细胞色素c氧化酶和铜锌超氧化物歧化酶）的关键成分（Liu等人，2024年；Dengg等人，2025年）。我们发现，纳米塑料对铜生物可利用性的干扰会降低碳固定能力（Du等人，2024a；Du等人，2024b）。因此，铜的生物可利用性成为浮游植物光合作用碳固定的关键因素，为研究浮游植物的碳固定机制提供了新的方法。

微塑料（MPs）是一种新的污染物，全球每年塑料产量超过4亿吨，其中900万至1400万吨进入海洋（Zhao等人，2025年；Moon等人，2024年）。微塑料体积小但表面积大，常作为重金属污染物的载体，在水生环境中导致污染物和有毒物质的生物累积（Hodson等人，2017年）。微塑料可以改变环境的物理化学性质，影响金属或类金属物质的生物可利用性（Liu等人，2022年；Huang等人，2024年）。先前的研究表明，聚乙烯微塑料会降低有机结合态金属的生物可利用性并增加其含量，表明微塑料促进了金属从可利用形态向有机结合形态的转化（Li等人，2023年）。我们的先前研究还发现，微塑料通过损害浮游植物的生理功能来降低痕量金属的生物可利用性（Du等人，2024a；Du等人，2024b）。

在光照带海水中，容易与铜形成复合物的常见有机配体主要包括类腐殖质物质、胞外多糖、硫醇以及其他由微生物产生的低分子量化合物（Ruacho等人，2022年）。在河口-沿海系统中，溶解态铜占总铜含量的不到0.3%，其生物可利用性极低，其中仅有离子态铜能够被藻类直接利用。目前，金属-有机形态的分析主要基于有机配体的表征，包括竞争性配体交换/吸附方法或分子水平鉴定（Benedict等人，2025年）。这些方法需要专门的检测仪器，如电化学工作站、液相色谱-质谱仪、X射线荧光光谱仪和核磁共振光谱仪。现有的铜形态分析方法仍存在技术瓶颈，如操作复杂、重复性差、设备成本高、分析多物种难度大且不适用于野外检测（Soomro等人，2014年）。因此，我们开发了一种光稳定的dCu可视化传感器，用于基于深度学习的溶解有机铜的生物可利用性评估和形态分析（Huang等人，2025年）。

关于铜复合物变化对浮游植物碳固定影响的研究较少。此外，天然环境中传统微塑料（MPs）与铜之间存在相互作用，以及它们对生物体的综合影响（Sarkar等人，2021年；Chen等人，2021年）。目前，人们主要关注微塑料对铜吸附、吸收或微塑料-铜结合对浮游植物的生态影响，但MPs之间的吸附行为和机制的比较分析仍有限。本研究将基于铜的生物可利用性，探讨微塑料对河口-近海系统中浮游植物碳固定的影响及其机制，为基于浮游植物碳固定研究微塑料生态效应提供了新的视角。

本研究旨在探讨七种典型有机配体（EDTA、黄原酸（FA）、腐殖酸（HA）、谷胱甘肽（GSH）、L-半胱氨酸（CYS）、葡萄糖酸铜、牛血清蛋白）对一种主要沿海硅藻Phaeodactylum tricornutum的铜形态和生物可利用性的影响。EDTA用作合成参考复合物，FA和HA代表典型的天然复合物，GSH和CYS代表典型的藻类来源复合物（Dulaquais等人，2020年；Liu等人，2020年）。COPT1是一种高亲和力的铜转运蛋白，定位于浮游植物的质膜上，其表达受细胞内铜浓度的负调控。因此，COPT1的表达水平可以反映微藻中铜离子的吸收和运输特性以及铜的生物可利用性。P. tricornutum中选择叶绿素a作为光合作用能力的主要指标，因为它是硅藻中的主要光合色素，占总叶绿素的90%以上，其变化可靠地反映了植物对环境压力的生理响应。

我们研究了浮游植物在微塑料和有机复合物共同作用下的金属生物可利用性、生理和生化参数、表面功能团以及细胞形态的变化。此外，通过生化指标（如酶活性）的变化，阐明了有机配体如何影响铜的生物可利用性，从而调节沿海系统中的碳固定过程。还使用基于深度学习的比色传感器分析了P. tricornutum的铜形态。通过ICP-MS元素分析、分子指标和碳固定测量，从多角度系统阐明了有机配体如何影响铜的生物可利用性，进而调节微塑料和有机复合物共同作用下的碳固定过程。

章节摘录

海水的制备和浮游植物培养

人工海水和f/2培养基的制备遵循了我们之前报告中的指导原则（Du等人，2024a；Du等人，2024b）。选择Phaeodactylum tricornutum作为典型的硅藻模型。将生长活跃的藻细胞接种到f/2培养基中，并向每个处理组添加不同的复合物。根据自然浓度，这些复合物的浓度设定为20 μmol/L（Du等人，2024a；Du等人，

光敏剂（PS）和不同配体对P. tricornutum细胞密度的影响

在不同配体培养基中培养15天后，不同配体对P. tricornutum生长的影响各不相同（图1）。EDTA抑制了生长，抑制率介于6.16%至21.66%之间。然而，HA和FA促进了生长，促进率分别达到18.23%和36.5%。CYS和GSH处理组则表现出先促进后抑制的规律。

在同时添加PS和

结论

本研究利用智能传感技术和多角度分析方法系统研究了微塑料和铜复合物对铜生物可利用性的影响，揭示了它们对浮游植物碳固定的生态影响机制。PS和不同配体可以影响生化指标（细胞密度和叶绿素a）、与铜转运相关的蛋白质、CTR基因表达、铜形态以及铜的吸收

CRediT作者贡献声明

范丽文：撰写——原始稿件、方法学设计、实验实施、数据分析。黄倩彦：项目监督、项目管理、资金筹集。李顺星：项目监督、项目管理、资金筹集。蔡明刚：撰写——审稿与编辑、资源准备、概念构思。罗家毅：数据可视化、软件开发、概念构思。黄旭光：撰写——审稿与编辑、结果验证、项目监督。刘凤娇：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

所有作者声明，在开始本研究后的三年内，与任何个人或组织不存在实际或潜在的利益冲突，包括财务、个人关系等，这些关系可能不当影响或被认为可能影响他们的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（编号22574071和22074058）、福建省自然科学基金（编号2024J01810）以及福建省平和县华山溪流域土壤重金属污染预防、控制与综合治理项目（编号HX2023233）的支持。