综述：用于去除双酚A的绿藻：在细胞和分子水平上毒理学与代谢响应的综合分析

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Green algae for the removal of bisphenol A: Integrated analysis of toxicological and metabolic responses at the cellular and molecular levels

　　

双酚A（Bisphenol A，BPA）是一种合成有机化合物，由于微塑料的分解而释放到环境中。由于其广泛存在且对生物体具有高毒性，它构成了重大的环境挑战。在水生生态系统中，光合绿色微藻（绿藻门，Chlorophyta）是初级生产者，对于水质评估和监测至关重要。尽管绿藻是宝贵的生物化合物来源，例如对人类饮食重要的脂肪酸或蛋白质，并且是可再生能源，但关于双酚A暴露对这些微生物代谢的影响知之甚少。本综述总结了近期关于双酚A在环境中的存在的研究，包括水、废水、渗滤液、土壤、沉积物、污泥、空气和灰尘，并介绍了当前关于绿藻去除双酚A机制的知识。本研究还探讨了双酚A对绿色微藻生长、叶绿素荧光、基因表达和代谢途径的影响。

1. Introduction（引言）：绿藻（Chlorophyta）作为光合初级生产者，是水生食物链的基础，在维持生态系统平衡和全球碳循环中起关键作用，并用作毒性生物测定的指示生物。新兴污染物（ECs，如双酚A（BPA））在环境中生物利用度低且难以自发降解，废水处理厂（WWTP）出水常含痕量ECs，影响微生物生长和代谢，并可沿食物链传递至人类。BPA用于塑料、化学和金属工业，通过聚碳酸酯和环氧树脂的酯键水解释放到水生环境，主要进入途径包括废水处理厂出水、固体废物、垃圾渗滤液、工业排放和垃圾焚烧。BPA浓度因环境、区域、采样时间和基质而异，水生生态系统浓度最高，微藻细胞可有效去除ECs，但ECs毒性抑制细胞生长和代谢过程，降低去除效率。本综述旨在全面概述BPA对绿藻的影响，重点关注其在环境中的存在、降解转化机制以及对代谢通路和分子响应的影响。

2. Production and application of BPA（BPA的生产与应用）：目前95%的BPA用于塑料工业生产聚合物，主要是环氧树脂（30%）和聚碳酸酯（65%），广泛应用于光盘、食品容器、水管、水瓶、电子设备、涂料、热敏纸等。全球BPA消耗量逐年增加，2015年为770万吨，2022年估计达1060万吨，2032年预计达1220万吨；201年全球产量中欧洲占20%，美国15%，亚太地区63%。

3. BPA in the environment（环境中的BPA）：BPA广泛存在于水、废水、渗滤液、土壤、沉积物、污泥、空气和灰尘中。在北美，淡水BPA浓度低于废水（如加拿大STP进水和出水浓度平均高出12.6倍）。拉丁美洲和南美洲的巴西河水中BPA含量高于墨西哥废水。非洲水体中BPA浓度较高，如尼日利亚河流达1.22×10⁴ ng L^-1，埃及地下水达8.6×10⁴ ng L^-1。亚洲是BPA最大产区，台湾淡水中BPA浓度最高（如湿地水达1.73×10³ ng L^-1），日本废水中BPA可达4.1×10³ ng L^-1，垃圾渗滤液达1.7×10⁷ ng L^-1。欧洲淡水中BPA浓度较低（如波兰最高3113 ng L^-1，德国5–776 ng L^-1），但废水和渗滤液中浓度高（如法国WWTP进水4000 ng L^-1，德国渗滤液达1.1×10⁷ ng L^-1）。全球淡水、河口和海水BPA浓度范围分别为0–6.4×10⁴、0–5.1×10³和0–1.92×10³ ng L^-1。土壤中BPA吸附受pH、有机质和粘土含量影响，在中国广东土壤中40 cm以上深度占95%。沉积物中BPA浓度因地区而异，如尼日利亚河流沉积物1.2–166.5 μg kg^-1，日本河底沉积物达2.2×10³ μg kg^-1。污泥中BPA含量更高（如加拿大STP污泥达3.7×10⁴ μg kg^-1），表明BPA倾向于在污泥中积累。空气中BPA浓度较低，城市区域（如中国20–2340 pg m^-3）高于海洋和极地地区；灰尘中BPA浓度显著高于空气，例如美国室内灰尘达1.8×10⁴ μg kg^-1，办公室灰尘8.4×10³ μg kg^-1。

4. Mechanisms of BPA removal by green algae（绿藻去除BPA的机制）：生物方法比物理化学方法更可持续和经济，绿藻通过吸附、生物降解、光降解和生物积累去除BPA。

4.1. Biodegradation of BPA（BPA的生物降解）：生物降解是主要机制，效率取决于藻种、BPA浓度和敏感性。高浓度BPA（如75 mg L^-1）下降解效率显著低于低浓度（如25 mg L^-1），例如Picocystis sp. CINS 23在25 mg L^-1下降解39.87%，75 mg L^-1下仅20.7%。吸附基于BPA的疏水性和细胞表面功能基团（如甲基和疏水蛋白），生物吸附在活细胞和死细胞中均可发生。吸附的BPA通过细胞壁摄取到细胞质，细胞壁结构（如Chlamydomonas mexicana较柔韧）影响摄取效率。胞内BPA通过酶促途径（氧化、还原、结合）转化为低毒物质，主要途径包括：a）糖基化生成羟基化化合物（主要解毒途径）；b）羟基化生成单羟基BPA等；c）C-C键氧化裂解生成单酚结构。参与降解的酶包括过氧化物酶（peroxidase）、P450、谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferases）以及UDP-葡萄糖基转移酶（UDP-glucosyltransferase）等。藻-菌共生体系可提高降解效率，如Chlorella sorokiniana与污泥细菌共培养实现完全转化。

4.2. Photodegradation of BPA（BPA的光降解）：光降解在非生物降解中起重要作用，活性氧（ROS，如•OH）参与BPA分解。Eio等发现无藻条件下50 mg L^-1 BPA有18.8%光降解，暗处无显著变化。Chlorella fusca在光照下降解98%（40 μM BPA），暗处仅27%。光照条件提高绿藻对BPA的耐受性。

4.3. Bioaccumulation（生物积累）：绿藻可将吸收的BPA以未改变形式积累在脂质中。效果因种而异，低浓度下积累量较低，但高浓度下（如25和50 mg L^-1）积累显著，且随暴露时间延长可能下降。生物积累在总去除中作用相对较小（如Graesiella和Picocystis分别积累4%和2%），但可能引发胞内抗氧化响应和ROS产生。

5. Effects of BPA on green algae（BPA对绿藻的影响）：

5.1. Effects on growth（对生长的影响）：BPA对绿藻生长的影响呈浓度依赖性，低浓度可能无影响或刺激（如Tetraselmis sp.在0.5 mg L^-1下生长刺激），高浓度抑制（如C. sorokiniana在20和50 mg L^-1下生长率下降）。不同种敏感性差异大，如Desmodesmus sp. WR1在1–13.5 mg L^-1 BPA下无显著抑制，而Chlamydomonas reinhardtii在30–50 mg L^-1下均受抑制。长期暴露可降低毒性效应。

5.2. Effects on pigments（对色素的影响）：BPA影响叶绿素（a和b）和类胡萝卜素含量，响应呈剂量、时间和种依赖性。低浓度（如10 mg L^-1）可刺激Chlorella pyrenoidosa中叶绿素a增加，但高浓度（如50 mg L^-1）显著降低叶绿素a（如C. vulgaris降低85%）。时间响应中，Chlamydomonas reinhardtii在40 mg L^-1 BPA下叶绿素a先降80%（24 h）后恢复至80%（96 h）。

5.3. Effects on chlorophyll fluorescence（对叶绿素荧光的影响）：Fv/Fm（光系统II最大量子产率）是衡量光合活性的指标。低浓度BPA对Fv/Fm影响较小，如Chromochloris zofingiensis在5 mg L^-1下仅降低4%，而高浓度（如Picocystis sp.在75 mg L^-1下降低73%）导致严重抑制，且抑制作用随时间和浓度增加而增强。

5.4. Impact on metabolite pathways（对代谢途径的影响）：BPA影响碳水化合物、蛋白质、脂质和脂肪酸代谢。碳水化合物方面，C. vulgaris和C. mexicana中碳水化合物含量分别增加6.5%和9.6%；C. reinhardtii中总可溶性糖下降4倍，淀粉积累。蛋白质方面，S. obliquus和Desmodesmus sp.联合体在17 mg L^-1 BPA下蛋白质含量增加15%。脂质积累方面，Coelastrella sp. M60在10–50 mg L^-1 BPA下总脂质含量降低，但较低浓度（10和20 mg L^-1）下脂质生产力（LP）更高，并诱导三酰甘油（triacylglycerides）积累。S. obliquus联合体在17 mg L^-1下脂质含量增加37.84%。脂肪酸谱方面，BPA增加不饱和脂肪酸比例（如Ji等研究中C. mexicana和C. vulgaris），但也发现高浓度（30 mg L^-1）下总饱和脂肪酸增加（Ajithkumar等）。脂肪酸甲酯（FAME）产量在5–10 mg L^-1 BPA下最高。ROS和丙二醛（MDA）方面，BPA暴露导致ROS和MDA水平升高，如C. pyrenoidosa在5–11 mg L^-1下MDA增加，Graesiella中MDA随浓度和时间增加。Coelastrella sp. M60中琥珀酸盐和柠檬酸盐（保护细胞免受ROS）上调。低浓度（如2 mg L^-1）和某些种（如C. zofingiensis在5 mg L^-1下）未观察到显著变化。

5.5. Molecular responses（分子响应）：转录组分析表明，高浓度BPA（如10 mg L^-1）诱导更多差异表达基因（DEGs），上调与细胞突起和四吡咯代谢过程相关的基因，下调与激酶活性和支链氨基酸代谢相关的基因。低浓度（0.1 mg L^-1）上调能量代谢相关基因（如细胞呼吸），高浓度抑制三羧酸循环（TCA）、糖酵解、脂肪酸代谢和线粒体电子传递。异柠檬酸脱氢酶基因（IDH1、IDH2、IDH3）下调导致TCA循环抑制。光合作用相关基因（如psbA）在高浓度下被抑制，但M. aeruginosa和C. reinhardtii中反而上调，可能为适应机制。应激响应基因（如CAT、Fe-SOD、Mn-SOD、GPX、GST）上调。蛋白组分析显示M. aeruginosa暴露后72个蛋白上调（涉及光合作用、核糖体、脂肪酸生物合成等），105个下调（涉及群体感应、碱基切除修复、ABC转运体等），但72 h后恢复。

6. Conclusions（结论）：BPA是与微塑料相关的广泛有害污染物，在土壤和水环境中浓度高，其高迁移性和生物利用度增加水生生态系统的污染风险。生物降解是主要的生物去除机制，但效率受光降解等非生物因素和种特异性影响。BPA的疏水性促进吸附到细胞表面，并受细胞外聚合物影响。藻种间降解途径存在差异。光降解有贡献，但中间代谢产物信息有限。绿藻对BPA的响应因种、浓度和暴露时间而异，包括生长抑制、叶绿素降低、光合效率下降和基因表达变化，但潜在分子机制（特别是降解途径和代谢紊乱）尚不完全清楚。BPA对脂肪酸组成的影响研究不足，鉴于低浓度（几mg L^-1）已对光合自养水生生物产生不利影响，水质管理应重视低浓度BPA的长期监测并降低其环境水平。