摘要：近年来，全球范围内的海洋热浪（海洋中长期的高温极端事件）显著增加。塑料污染在海洋中广泛存在，塑料的持续风化导致大量纳米塑料（NPs）的释放。然而，热浪和NPs对硅藻的交互影响及其深层机制尚不清楚。本文研究表明，4°C的热浪强度放大了聚苯乙烯NPs对全球重要的硅

Heatwaves increase the polystyrene nanoplastic-induced toxicity to marine diatoms through interfacial interaction regulation

期刊：Journal of Hazardous Materials

时间：2024.11.28

影响因子：12.2

摘要

近年来，全球范围内的海洋热浪（海洋中长期的高温极端事件）显著增加。塑料污染在海洋中广泛存在，塑料的持续风化导致大量纳米塑料（NPs）的释放。然而，热浪和NPs对硅藻的交互影响及其深层机制尚不清楚。本文研究表明，4°C的热浪强度放大了聚苯乙烯NPs对全球重要的硅藻Chaetoceros gracilis（C. gracilis）的毒性，导致其生长速率和光合作用分别降低了5.62%和9.46%。值得注意的是，在热浪条件下，NPs显著抑制了细胞特异性碳同化率，降幅达18.28%。NPs对C. gracilis的毒性增强归因于热浪条件下硅藻机械强度的下降和NPs吸附的增加，进而导致膜损伤和氧化应激的增加。转录组分析表明，NPs在热浪条件下扰乱了C. gracilis的氧化还原稳态并引发机械应激。此外，NPs处理下调了编码光合作用核心蛋白（psbA和rbcL）和关键碳固定酶RubisCo的基因表达，导致生长和碳固定速率下降。这些发现表明，热浪使C. gracilis对NPs更加敏感，并强调了全球变暖下NPs对初级生产力的负面影响。

主要内容

1. 热浪和NPs暴露的生理响应

C. gracilis在高温下的生长速率（0.651 d⁻¹）显著高于常温下的生长速率（0.633 d⁻¹）（图1a）。NPs在常温下对C. gracilis的生长影响较小，但在高温下显著抑制了藻类的生长速率，降幅为5.62%，表明NPs对硅藻的毒性具有温度依赖性，热浪增加了NPs的毒性。与常温对照组相比，C. gracilis在热浪条件下的光系统II最大光化学效率（Fv/Fm）显著增加了6.28%（图1b），反映了浮游植物对高温的热适应。NPs处理后，常温下Fv/Fm没有显著变化，而在高温下Fv/Fm显著降低了9.46%。热浪显著增加了细胞叶绿素a（chl a）含量（图1c），这与热浪条件下生长速率和光合效率的增加一致。NPs在常温下对chl a含量没有明显影响，但在高温下导致chl a含量下降了22.99%。

C. gracilis的颗粒有机碳（POC）和氮（PON）含量在热浪条件下分别显著增加了71.82%和16.45%（图1d和1e），这与热浪条件下碳和硝酸盐封存能力的增加一致。NPs在常温下对POC和PON含量没有明显影响。在热浪条件下，NPs显著降低了POC含量，降幅为19.55%，而对PON含量的影响有限。每个细胞的生物硅（bSi）含量在热浪条件下显著降低了25.14%（图1f），这使得硅藻在温暖的海洋中能够快速生长。NPs处理在高温下略微增加了硅藻的bSi含量（p>0.05），这可能是硅藻在热浪条件下对NPs的防御策略。这些结果表明，NPs对C. gracilis生理状态的影响具有温度依赖性，热浪可能增加C. gracilis对NPs的敏感性。NPs在高温下对C. gracilis的不利影响显著，而在常温下NPs对C. gracilis的影响不显著（图1g）。

图1 NPs对C. gracilis在常温和高温下生理特征的影响

(a) 生长速率，(b) Fv/Fm（光系统II的最大光化学效率），(c) 叶绿素a含量，(d) 颗粒有机碳（POC）含量，(e) 颗粒有机氮（PON）含量，(f) C. gracilis中的生物硅（bSi）含量。(g) C. gracilis在高温和NPs暴露下的生理变化示意图。绿色箭头表示显著减少。数值以平均值±标准差表示；n=3次生物学独立实验。不同字母表示由热浪引起的显著差异（p

2. NPs在热浪条件下减少碳固定

通过¹³C和¹⁵N同位素标记和NanoSIMS可视化，进一步验证了NPs对C. gracilis碳和氮固定的影响。根据²⁸Si图像绘制了C. gracilis的细胞轮廓，因为硅藻细胞壁主要由硅组成。¹³C/¹²C比值图突出了¹³C固定导致的细胞内碳富集区域（图2a），这些碳以淀粉形式富集在淀粉体中。NPs处理后，常温下C. gracilis的¹³C/¹²C比值变化不大（图2b）。相比之下，NPs在热浪条件下显著降低了C. gracilis的¹³C/¹²C比值，降幅为6.21%，这与POC含量的下降一致，表明NPs对碳同化产生了不利影响。新固定的¹⁵N主要储存在叶绿体中（图2c），叶绿体是氮固定的主要细胞器。热浪降低了C. gracilis的¹⁵N/¹⁴N比值，而NPs对¹⁵N同化没有显著影响（图2d）。此外，NPs和热浪的共同暴露降低了¹⁵N/¹⁴N比值，与常温下的细胞相比有所下降。这些结果表明，热浪和NPs影响了C. gracilis的碳和氮固定。

C. gracilis在常温下无NPs暴露和有NPs暴露的细胞特异性碳同化率分别为15.77和16.33 fmol C cell⁻¹ day⁻¹（图2e）。在高温下，无NPs暴露和有NPs暴露的C. gracilis细胞特异性碳同化率分别为20.93和17.11 fmol C cell⁻¹ day⁻¹。因此，NPs在热浪条件下显著降低了净碳同化率，降幅为18.28%。此外，NPs在常温和热浪条件下均降低了细胞特异性氮同化率，但氮同化率的差异不显著（图2f）。NPs在热浪条件下对碳和氮同化的影响表明，C. gracilis的碳封存能力比氮同化更容易受到NPs的影响。这些结果表明，热浪条件下NPs可能抑制C. gracilis的初级生产力。

图2 不同温度下C. gracilis的碳和氮固定

(a) ¹³C/¹²C比值图。分析的256×256像素区域从左到右为30×30 µm。比例尺=5 µm。(b) 单细胞中的¹³C/¹²C比值。(c) ¹²C¹⁵N/¹²C¹⁴N比值图。(d) 单细胞中的¹⁵N/¹⁴N比值。(e和f) 细胞特异性碳和氮同化速率。数值以平均值±标准差表示。不同字母表示由热浪引起的显著差异（p

3. 温度调控的纳米塑料（NPs）对硅藻的毒性效应

在常温下，Chaetoceros gracilis的细胞表现出完整的超微结构，细胞壁、叶绿体、线粒体和其他细胞器清晰可见。常温下，NPs处理对细胞超微结构没有显著影响，表明NPs在常温下的毒性损害有限。热浪破坏了C. gracilis的叶绿体和细胞壁的超微结构。值得注意的是，NPs处理在热浪条件下进一步加剧了超微结构的损伤，尤其是细胞壁的破坏。高温下，C. gracilis的细胞膜损伤率比常温下增加了54.48%（图3a），表明热浪损害了细胞膜的完整性。在热浪条件下，NPs暴露进一步使膜损伤程度增加了26.47%，这与透射电子显微镜（TEM）的结果一致。热浪显著增加了C. gracilis的ROS水平（图3b），这是由于高温下光合作用和呼吸速率加快所致。NPs在常温下对ROS水平没有显著影响，但在热浪条件下显著增加了ROS水平，增幅为13.72%，表明ROS在NPs诱导的植物毒性中起重要作用。侧向散射（SSC）通常用于指示颗粒的内化。NPs暴露后，细胞的SSC强度没有显著变化，表明NPs未被细胞摄取。此外，硅藻细胞壁的孔径约为5-70 nm，限制了实验中使用的80 nm NPs进入细胞。因此，我们推测NPs通过直接与硅藻接触引发毒性，导致热浪条件下的膜损伤和氧化应激。

图3 毒性效应和界面相互作用

(a) 细胞膜损伤，(b) ROS水平。(c–f) 代表性扫描电子显微镜（SEM）图像。–NP：无NPs处理；+NP：有NPs处理。(g) NPs的吸附量。(h) 硅藻的粘附力。(i) 硅藻的Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）模量。数值以平均值±标准差表示；n=3次生物学独立实验。不同字母表示由热浪引起的显著差异（p

4.纳米塑料（NPs）与硅藻的界面相互作用

常温下，NPs处理后的硅藻保持了完整的超微结构，而在高温下，NPs处理导致细胞壁凹陷（图3c-f）。NPs与细胞表面的粘附是其诱导毒性的关键途径，可能导致物理损伤、光合效率下降和生长抑制（由于遮光效应）。在热浪条件下，NPs对C. gracilis的定量吸附显著增加，常温下为0.10 pg/细胞，高温下为0.15 pg/细胞（图3g）。硅藻在生长过程中分泌大量胞外多糖，这些多糖会重组为透明胞外聚合物颗粒（TEPs）。研究表明，4°C的升温显著促进了硅藻TEPs的形成，这可能增加了高温下硅藻对NPs的粘附。原子力显微镜（AFM）显示，热浪显著增强了硅藻表面的粘附力（图3h），表明高温下细胞对NPs的粘附力强于常温，支持了热浪条件下NPs吸附增加的现象。热浪降低了硅藻的机械强度，削弱了其抵御NPs的能力。高温下细胞的平均Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）模量（54.4 MPa）显著低于常温下的模量（80.3 MPa，图3i），这归因于热浪条件下硅化作用的下降（图1f）。

5. 温度调控的C. gracilis对NPs的转录组响应

通过转录组分析，研究了在常温和热浪条件下暴露于NPs的C. gracilis的细胞响应。主成分分析（PCA）显示，热浪（HW）和热浪+NPs（HW+NP）处理显著影响了C. gracilis的转录组，而单独NPs的影响较小（图4a），表明热浪是NPs和热浪共同作用的主要驱动因素。在常温和热浪条件下，NPs对C. gracilis的转录组有不同的影响。在AM+NP/AM和HW+NP/HW比较中，分别鉴定出21和1184个DEGs（图4b），表明NPs在高温下诱导的转录组响应更为显著，反映了C. gracilis在热浪条件下对NPs的耐受性较低。hsp基因编码热休克蛋白，其表达在热浪条件下显著上调，表明细胞对高温的适应。然而，NPs在热浪条件下显著降低了hsp的表达，表明NPs破坏了C. gracilis的热耐受性（图4c）。MSCL基因在热浪条件下NPs处理后显著上调，该基因能够感知机械力并在机械应激下激活（图4d），这与NPs在热浪条件下引起的膜损伤增加一致（图3a）。

图4 C. gracilis在常温和高温下对NPs的转录组响应

(a) 基于转录组数据计算的PCA。(b) 差异表达基因（DEGs）的维恩图。(c和d) 编码热休克蛋白的hsp基因（c）和编码机械敏感离子通道的MSCL基因（d）的表达。(e) HW+NP与HW比较中富集的KEGG通路。(f) psbA基因的表达。(g) 参与光合作用系统的DEGs的归一化表达水平。(h) rbcL基因的表达。不同字母表示由热浪引起的显著差异（p

在热浪条件下，NPs显著影响了碳代谢、卟啉和叶绿素代谢、核糖体生物合成和过氧化物酶体等代谢和调控过程（图4e）。核糖体生物合成是最显著富集的KEGG通路，NPs抑制了相关基因的转录，表明NPs可能降低了蛋白质合成能力。

与Fv/Fm的下降一致（图1b），NPs在热浪条件下显著下调了光系统II（PSII）相关基因的表达。psbA基因编码PSII复合体中的D1反应中心蛋白，NPs在高温下显著下调了psbA的表达（图4f），表明NPs破坏了PSII的修复。类似的下调模式也出现在PSII的psbB、psbC、psbV基因和PSI的psaB基因中（图4g）。光合作用相关基因的差异表达分析揭示了NPs在热浪条件下引起的光合系统损伤和ATP供应不足（图4i），最终导致生长速率和碳固定速率的下降。

编码碳固定酶RubisCo大亚基的rbcL基因在热浪条件下NPs处理后显著下调（图4h），RubisCo含量也相应减少，限制了C. gracilis的碳固定能力。为补偿RubisCo的不足，C. gracilis通过上调HCO₃⁻转运蛋白和碳酸酐酶（CA）基因（SLC和cah）来优化CO₂的供应。总体而言，转录组结果揭示了NPs在热浪条件下诱导的C. gracilis无机碳获取和固定的适应策略，强调了NPs对关键碳固定酶RubisCo合成的不利影响。

7. 热浪条件下NPs对C. gracilis的代谢响应

通过GC-MS鉴定了38种代谢物，包括氨基酸、碳水化合物和其他小分子物质。PCA显示，HW和HW+NP组的代谢物显著分离，而AM和AM+NP组有重叠（图5a）。NPs在高温下引起的代谢扰动更为显著，共鉴定出16个显著变化的代谢物（SCMs）。这些结果表明，NPs引起的代谢扰动具有温度依赖性，且在高温下更为严重，这与生理和转录组响应一致。

对HW+NP与HW比较中的16种SCMs进行了层次聚类和通路分析（图5b和5c）。NPs在热浪条件下显著影响了精氨酸生物合成、谷胱甘肽代谢、精氨酸和脯氨酸代谢以及乙醛酸和二羧酸代谢等氮代谢相关通路（图5c）。谷氨酸和谷氨酰胺是这些通路中的共享代谢物，NPs处理后其含量分别减少了23.74%和29.21%。谷氨酸是叶绿素a合成和谷氨酰胺氨合成的底物，其减少导致叶绿素a和谷氨酰胺含量下降（图1c）。此外，NPs还显著降低了丝氨酸和海藻糖的含量，分别减少了29.12%和59.97%，这可能加剧了ROS的积累和热耐受性的下降（图3b）。硬脂酸（一种饱和脂肪酸）的含量也显著减少了13.77%，可能导致膜损伤（图3a）。总体而言，这些发现在表型和分子水平之间建立了联系，提供了NPs在热浪条件下引起代谢扰动的机制性见解，并强调了NPs刺激下碳和氮代谢、氧化还原稳态以及膜完整性变化的分子调控（图5d）。

图5 C. gracilis在高温下对NPs响应的分子机制

(a) 基于代谢组数据计算的PCA。(b) 显著变化代谢物的层次聚类分析。(c) 显著变化的代谢富集通路。(d) 通过整合代谢组和转录组分析揭示的分子机制。HW+NP与HW比较中显著差异表达的代谢物和基因概述。红色和蓝色符号分别表示上调和下调的DEGs。棕色箭头表示下调的代谢物。

结论

热浪增加了C. gracilis对NPs的敏感性，NPs的毒性在高温下显著增强。界面相互作用分析表明，热浪降低了硅藻的机械强度并增加了NPs的吸附，导致膜损伤和氧化应激增加。转录组和代谢组分析进一步揭示了NPs在热浪条件下对光合作用、碳固定和代谢通路的显著影响。硅藻在海洋碳固定中起关键作用，NPs在热浪条件下对其碳固定能力的抑制可能削弱海洋碳汇功能。未来研究应扩展至其他类型的NPs和更广泛的温度梯度，以全面评估全球变暖下NPs的生态风险。

来源：科学知青