《Water Research》：Mechanistic responses of coccolithophores to exposure to the marine pollutant atrazine
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本研究通過生理測量和蛋白質組學分析，發現莠去津顯著抑制球石藻（Chrysotila dentata）的光合碳固定和鈣化作用，導致其碳封存能力下降，揭示除草劑可能低估對海洋碳匯的影響。
陳向武|黃一桐|宋月濤|李卓凡|黃雪玲|李大偉|歐林建
濟南大學生命科學與技術學院/南方海洋科學與工程廣東實驗室（珠海），中國廣州510632
摘要
球石藻通過光合作用固定有機碳和生物介導的鈣化作用參與海洋碳封存，但化學污染物對這一雙重途徑的干擾程度仍知之甚少。本研究結合生理測量和蛋白質組學分析，探討了球石藻Chrysotila dentata對三嗪類除草劑阿特拉津的響應。阿特拉津暴露顯著抑制了其生長，降低了光系統II的活性，減緩了鈣化速率，并引發了明顯的氧化應激。蛋白質組學分析顯示，參與光合作用碳固定、鈣運輸和球石相關多糖生物合成的蛋白質表達均下調，這為鈣化能力下降提供了機制上的解釋。同時，C. dentata在阿特拉津作用下會降低海水中自身的濃度，表明球石藻與三嗪類除草劑之間存在生物相互作用。這些結果表明，球石藻的鈣化過程對除草劑壓力極為敏感，光合作用碳固定和生物介導的鈣化過程均受到抑制，從而削弱了球石藻的碳封存能力。我們的發現表明，如果不考慮鈣化作用的影響，沿海地區除草劑污染對海洋碳匯的影響可能會被系統性低估，因此未來在評估海洋生產力和碳預算時需要納入污染物對鈣化的影響。
引言
三嗪類除草劑是全球使用最廣泛的光系統II（PSII）抑制劑，其中阿特拉津、西瑪津和丙嗪是主要代表（LeBaron等人，2008年）。由于在農業中的廣泛使用，這些除草劑通過河流徑流和大氣沉降大量進入沿海和開闊海域（Kroon等人，2016年）。多個沿海地區報告了嚴重的三嗪類污染，例如大堡礁瀉湖的年負荷量約為30,000噸，萊州灣的濃度高達16.1 μg L?1，中國沿海養殖水域也普遍受到污染（Kroon等人，2012年；Zhang等人，2021年，2024年）。甚至在南極海域也檢測到了微克級的三嗪類化合物。盡管這些微量濃度不太可能引起急性毒性，但它們表現出極強的環境持久性和長距離傳輸能力（Jason Krutz等人，2010年）。盡管三嗪類除草劑在全球范圍內分布，但它們對海洋生態系統的生態影響——尤其是超出光合作用抑制之外的影響——仍缺乏系統研究。
海洋浮游植物是海洋食物網的基礎，貢獻了全球近一半的初級生產力（Cloern等人，2014年）。其中，硅藻和球石藻通過光合作用固定二氧化碳（CO2）并將其輸送到深海，從而在碳封存中起核心作用（Armstrong等人，2001年；Strzepek & Harrison，2004年；Li等人，2024年）。三嗪類除草劑通過與D1蛋白結合抑制光系統II（PSII）（Aro等人，1993年；Oettmeier，1999年），從而影響光合作用碳固定，可能削弱海洋碳匯。最近的全球評估表明，除草劑泄漏可能大幅抑制海洋初級生產力，這對氣候調節具有重要意義（Yang等人，2024年）。因此，了解三嗪類除草劑與主要海洋初級生產者的相互作用對于評估這些污染物對海洋碳循環的影響至關重要。
除了光合作用碳固定外，球石藻還通過鈣化途徑實現碳封存。通過產生碳酸鈣球石，球石藻成為主要的浮游鈣化生物，大約一半的CaCO3通過這一過程從表層水輸送到深海（Broecker & Clark，2009年）。這一過程不僅促進了碳酸鹽的傳輸，還為有機碳的沉降提供了支撐，從而在調節長期無機碳儲存中發揮著不可替代的作用（Schiebel，2002年；Krumhardt等人，2017年）。鈣化發生在專門的細胞內結構中，需要能量、無機碳、Ca2+和球石相關多糖的協同供應（Marsh，2003年；Mackinder等人，2010年）。盡管鈣化與光合作用之間存在能量耦合，并且依賴于相同的無機碳池，但化學污染物——尤其是針對光系統II的除草劑——對球石藻鈣化的影響尚未得到系統研究。
已有研究表明，一些微藻類能夠有效吸收或積累三嗪類除草劑，例如硅藻和綠藻的生物富集因子可超過5,000，去除效率可達80%（González-Barreiro等人，2006年；Hu等人，2021年；Wang等人，2022年）。然而，現有研究主要集中在非鈣化浮游植物和光合作用方面，尚未解決化學污染物是否以及如何干擾球石藻介導的光合作用和鈣化驅動的碳封存途徑的問題。
這一知識空白在沿海地區尤為突出，因為那里三嗪類污染最為普遍，球石藻通常是浮游植物群落的重要組成部分（Takahashi & Okada，2000年；Sun等人，2014年；Godrijan等人，2018年）。觀測數據顯示，球石藻的分布與三嗪類除草劑濃度升高的區域存在廣泛的空間重疊，包括中國、歐洲、澳大利亞和北美的沿海水域（Bester & Hühnerfuss，1993年，1996年；Zhou，2008年；Hall Jr等人，2009年；Gao等人，2019年；Vernette等人，2021年；Yang等人，2021年；De Vries等人，2024年；Yang等人，2024年）。
本研究通過生理測量和蛋白質組學分析，研究了球石藻Chrysotila dentata對三嗪類除草劑的響應。結果表明，C. dentata能夠與海水中阿特拉津結合并降低其濃度，同時阿特拉津暴露會損害光合作用，抑制鈣化并改變細胞營養物質的分配。通過將污染物吸收與有機碳和無機碳封存途徑的協同破壞聯系起來，本研究強調了球石藻鈣化受損是除草劑污染削弱海洋碳匯的一個被忽視的機制。我們的發現強調了在評估污染物對海洋初級生產力和全球碳預算的影響時，需要考慮球石藻的鈣化反應。
實驗材料與條件
C. dentata菌株（CCMA-459）來自廈門大學藻類培養庫。培養液采用0.22微米過濾并高壓滅菌的自然海水，添加f/2培養基（Guillard，1975年），光照周期為12:12小時，光照強度約為150 μmol photons m?2 s?1。
為減少細菌干擾，培養液預先加入混合抗生素（0.2 g L?1氨芐西林、0.1 g L?1硫酸鏈霉素和0.1 g L?1卡那霉素）
阿特拉津在Chrysotila dentata培養中的去除和細胞內積累
在5 μg L?1的暴露濃度下，培養基中的阿特拉津濃度在第8天降至檢測限以下，無論是對照組還是C. dentata處理組（圖1A）。LC–MS色譜圖顯示，在此濃度下，細胞外培養基和藻細胞內均未檢測到阿特拉津信號（圖S1A–B）。在5 μg L?1的暴露下，也未檢測到表面相關的阿特拉津（圖S1C）。
相比之下，在100 μg L?1的暴露濃度下...
球石藻對阿特拉津的生物去除
越來越多的研究表明，除草劑在海洋環境中的去除受到非生物降解過程和浮游植物生物相互作用的影響（Navarro等人，2004年；Huang等人，2024年）。在本研究中，C. dentata在高濃度（100 μg L?1）下顯著降低了海水中阿特拉津的濃度，而在環境相關濃度（5 μg L?1）下，生物過程對總阿特拉津去除的貢獻...
結論
本研究表明，三嗪類除草劑阿特拉津通過同時抑制光合作用碳固定和鈣化作用，破壞了球石藻的關鍵生理功能。阿特拉津暴露抑制了C. dentata的生長，降低了有機碳和無機碳的產生，并改變了細胞營養物質的化學計量比，這與光合作用、鈣化相關底物供應和細胞應激反應的協同擾動一致。
此外...
作者貢獻聲明
李大偉和歐林建：設計實驗、撰寫手稿、審稿和編輯。陳向武：進行實驗、數據分析并撰寫手稿。黃一桐：進行實驗和數據收集。宋月濤：進行實驗。李卓凡：準備實驗材料。黃雪玲：數據分析。
作者貢獻聲明
陳向武：撰寫初稿、可視化處理、數據驗證。黃一桐：軟件開發、數據管理。宋月濤：數據驗證。李卓凡：數據驗證。黃雪玲：方法驗證。李大偉：撰寫、審稿與編輯、監督、概念構思。歐林建：撰寫、審稿與編輯、資金申請、概念構思。
致謝
本研究得到了南方海洋科學與工程廣東實驗室（珠海）（項目編號SML2024SP028、SML2024SP002和SML2021SP203）、全球ONECE計劃和中國博士后科學基金會（項目編號2025M780817）的支持。
