《Journal of Hazardous Materials》：Environment-driven regulation of EPS secretion and interfacial coupling in microalgae-microplastic hetero-aggregates: insights from molecular mechanisms to utilization potential
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微塑料污染微藻胞外聚合物分泌與界面耦合機制研究，采用多組學技術揭示PS/PVC在不同氮水平下調控Scenedesmus sp. EPS組分及異質聚集行為的作用規律，建立分子互作模型指導生物塑料資源化利用。
Kaiwei Xu|Ke Liu|Xiaotong Zou|Zhou Shen|Shaohua Zhao
中國西安科技大學西部礦區生態環境修復研究所，西安 710054
摘要
微塑料（MPs）作為一種新興污染物，在水生生態系統中越來越多地被檢測到，它們與微藻的相互作用對污染物的傳輸和生態風險有著重要影響。本研究旨在闡明不同營養水平和微塑料類型如何調節Scenedesmus種的細胞外聚合物物質（EPS）分泌及其異質聚集行為。通過實驗觀察和密度泛函理論（DFT）模擬相結合的方法，研究了Scenedesmus種與兩種代表性微塑料——聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）之間的界面相互作用，并通過代謝組學分析來考察相應的生化反應。結果表明，PS暴露誘導形成了更大且更松散的絮體，其最大沉降效率為99.63%；而PVC則形成了更小且更緊密的聚集體（93.57%）。DFT分析進一步表明，PS-EPS相互作用主要由非局域化的范德華力和氫鍵作用主導，而PVC-EPS復合物則涉及由蛋白質類EPS介導的局部極性相互作用。代謝組學分析顯示，PS和PVC都干擾了嘌呤代謝和脂質重塑，其中PVC還激活了氨基酸和氮代謝途徑。總體而言，營養水平和微塑料類型共同調節了EPS的組成、界面耦合及聚集特性。本研究為理解微塑料與微藻之間的界面機制提供了分子層面的證據。這種異質聚集現象可進一步用于生物柴油生產，從而實現廢棄材料的增值轉化。
引言
微塑料（MPs）定義為尺寸小于5毫米的塑料碎片，已成為水生生態系統中普遍存在的污染物，對環境和健康構成重大威脅[1]。這些塑料主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）組成，占全球塑料產量的大約90%[2]。由于它們的穩定性和普遍性，微塑料可以在自然生態系統中積累，經過風化形成納米塑料（NPs），最終進入全球食物鏈，對人類健康構成潛在威脅[3]。根據聯合國環境規劃署的預測，在維持現狀且不采取有效干預措施的情況下，進入水生生態系統的塑料廢物量可能從2016年的每年900萬至1400萬噸增加到2040年的每年2300萬至3700萬噸[4]。
傳統的處理技術如膜過濾和化學絮凝雖然高效，但能耗較高，容易發生膜污染，并可能造成二次污染[5]。相比之下，微藻作為自然界中普遍存在的第一生產者，已被證明可以通過異質聚集與微塑料相互作用。微藻分泌的細胞外聚合物物質（EPS）可以促進微塑料的附著，并通過抑制水平擴散和促進垂直沉降來改變其環境行為，從而減緩微塑料的遷移和轉化[6]、[7]、[8]。與傳統去除方法相比，利用微藻去除微塑料的方法更具可持續性、可重復性和可擴展性，能耗更低，對環境的影響也較小。此外，將微藻培養與微塑料去除相結合，還能通過光合作用捕獲二氧化碳，有助于同時減輕塑料污染和減少碳排放[9]。
本研究創新性地使用了一種來自陸地生物膜但也能很好地適應水生培養的藻類Scenedesmus種。Scenedesmus種廣泛分布于淡水環境中，對環境變化具有很強的適應性，能夠在不同的營養條件下穩定生長[10]、[11]、[12]。與常見的淡水/海洋藻類相比，生物膜藻類具有表面粘附性強、分泌大量細胞外聚合物物質（EPS）以及自然絮凝傾向等特性[13]、[14]、[15]。這些特性為利用該物種通過生物聚集過程去除微塑料提供了獨特的機會。微藻與微塑料（MP）的異質聚集效率在很大程度上取決于微藻分泌的細胞外聚合物物質（EPS）。這些EPS充當分子橋梁，促進藻細胞與微塑料之間的界面粘附[16]、[17]。
然而，環境因素（如營養物質的可用性、溫度和光照強度）在調節EPS分泌方面起著關鍵作用[18]、[19]。例如，Gopalakrishnan和Kashian[20]報告稱，適中的溫度（最高25°C）可以增加藻類密度和微塑料沉積量，而過高的溫度（32.5°C）則會降低兩者。同樣，Wang等人觀察到，在高光照強度下，Chlorella pyrenoidosa會分泌富含蛋白質的EPS，從而增強對PS顆粒的粘附力，表明環境條件顯著影響EPS的組成和聚集行為[17]。天然水體中通常含有多種共存的污染物，如有機微污染物和金屬離子，這些物質可能會與微塑料競爭EPS結合位點，從而改變EPS介導的界面耦合[5]。此外，在自然水生系統中，營養物質（尤其是氮）的水平存在顯著的空間和時間異質性，這會動態改變EPS的組成，進而影響其聚集行為[21]、[22]、[23]。同時，微塑料本身也會通過誘導氧化損傷、破壞膜完整性和改變細胞代謝對藻細胞產生毒性壓力[24]、[25]。這些生理擾動進一步影響EPS的產量和分子結構，表明微塑料暴露和環境條件共同影響EPS介導的聚集行為。盡管如此，微塑料暴露和環境因素共同調節EPS生物合成和界面耦合的程度仍不甚清楚。現有研究主要描述了聚集現象，而沒有闡明其背后的分子機制，這限制了基于微藻的可持續微塑料修復策略的發展。
因此，本研究系統地研究了在代表性營養條件（0.75、1.5和3.0克/升）下Scenedesmus種與微塑料（PS和PVC）之間的異質聚集機制，這些條件分別對應于低氮（LN）、中氮（MN）和高氮（HN）環境[26]、[27]。此外，采用了綜合分析方法，包括三維激發-發射矩陣耦合平行因子分析（3D-EEM-PARAFAC）、密度泛函理論（DFT）模擬以及非靶向代謝組學分析。具體目標是：（1）闡明營養化學計量的變化如何調節EPS的分泌模式和組成變化；（2）揭示EPS–MP界面處的分子級結合機制；（3）建立代謝途徑調整與EPS粘附能力之間的多維相關性，從而提供關于環境條件和聚合物表面化學如何共同決定微塑料聚集行為和環境命運的機制性見解。
部分摘要
微藻菌株和化學物質
淡水微藻Scenedesmus種是從中國陜西省曹家灘采集的生物土壤膜中分離得到的。分離采用標準劃線平板法進行。該藻株在含有1升BG11培養基（Hope Biotechnology Co., Ltd, 青島，中國）的2升玻璃錐形燒瓶中培養。培養在光照強度為6000勒克斯的照明培養箱（RGX, Beijing Zhongxingweiye Instrument Co., 北京，中國）中進行。
微藻-微塑料聚集體的形成
圖2顯示了在不同氮條件下Scenedesmus-微塑料或Scenedesmus聚集體的沉降行為和理化特性。隨著培養的進行，微塑料-Scenedesmus系統的沉降效率顯著提高，其中PS處理在促進絮體形成方面始終優于PVC，表明PS具有更強的絮體形成能力。相比之下，即使在沒有微塑料的培養物中也會發生沉降。
結論
本研究全面探討了在PS和PVC微塑料存在下Scenedesmus種的聚集行為、界面機制和代謝反應。PS和PVC都促進了EPS的分泌和異質聚集，但PS產生的絮體更大且更松散。光譜分析顯示，PS暴露下EPS富含多糖/腐殖質，而PVC暴露下EPS以蛋白質為主。DFT模擬進一步
環境影響
微藻與微塑料的相互作用決定了微塑料在水生環境中的移動性、滯留和生態風險。本研究創新性地使用了一種具有強粘附性和高EPS產量的生物膜藻類，來闡明氮的可用性和聚合物類型如何調節異質聚集過程中的EPS組成和界面耦合。所得的機制性見解揭示了環境因素如何調節微塑料的沉降特性和空間分布
作者貢獻聲明
Zhou Shen：驗證、方法學研究。Shaohua Zhao：數據管理。Ke Liu：研究、數據管理。Xiaotong Zou：寫作 – 審稿與編輯、監督、資源獲取、資金申請。Kaiwei Xu：寫作 – 初稿撰寫、研究、概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了中國國家自然科學基金（項目編號22408289）和陜西省自然科學基金（項目編號2024JC-YBQN-0279和2024JC-YBQN-0132）的支持。
