壬基酚污染及危害

壬基酚（Nonylphenol，NP）作为一种重要的化工原料在工业领域得到了广泛应用，其次NP也是壬基酚乙氧基酸酯（nonylphenol ethoxylates，NPEOs）的降解产物之一，后者作为第二大类非离子表面活性剂，被广泛应用于乳化剂、抗静电剂和农药中。环境中NP主要来源于含有NP的污水排放和环境中NPEOs的降解，NP会随污水流入河流、湖泊和海洋从而对水生生态系统造成污染。进入环境的NP可通过挥发、吸附、生物富集等过程在各圈层内发生迁移，不断扩大NP的污染范围。

 

 

图1 壬基酚结构式

 

目前，国内外的海洋、湖泊和土壤受NP污染的报道层出不穷，NP的危害及其治理已引起人们的广泛关注。NP具有亲脂性和生物蓄积性的特点，水生生物可对其进行生物富集并通过食物链不断扩大污染范围，这将成为危害人类健康的重要问题。NP具有弱的雌激素效应，可通过损伤生精小管造成雄鼠生精功能受损，并通过影响睾酮的分泌进而影响小鼠的性行为。NP还可通过诱导炎症或细胞凋亡，从而影响神经递质合成和破坏重要的信号通路，干扰神经递质的分泌，导致抑郁、焦虑、记忆受损等认知功能障碍。

微藻作为水域环境中的初级生产者，其生长、光合作用和抗氧化系统也极易受到NP不同程度的胁迫。因此，将环境中NP的含量降至安全水平是至关重要的。目前，环境中NP的去除主要有物理吸附、化学光解和生物降解等方法，其中物理吸附和化学光解等非生物去除方法由于成本较高且实际应用较为困难，因此生物降解逐渐成为人们研究的热点。微藻作为水域环境中的初级生产者，利用其处理含NP的污水也被证明是可行和有效的。

为此，本研究探究了不同浓度的NP对小球藻（Chlorella pyrenoidesa FACHB-5,购自国家水生生物种质资源库淡水藻种库，https://algae.ihb.ac.cn/）细胞密度、叶绿素a含量、光合活性（Fv/Fm）、抗氧化酶活性（POD和SOD）和丙二醛（MDA）含量等的影响，并对小球藻降解NP的机制进行了初步推断，为发展环境激素生态毒理学和降解研究提供了基础参考。

研究结果

（1）不同浓度NP对小球藻生长和光合的影响

如图2所示：不同浓度的NP对小球藻的细胞密度、叶绿素a含量和光合活性均具有抑制效应，且抑制效应随NP浓度的增加而增加。不同浓度NP对小球藻细胞密度和叶绿素a含量的影响趋势相似，说明藻细胞的细胞密度和叶绿素a含量具有一定的相关性。

比生长速率（μ）（图c）的结果表明NP降低了藻类生物量，抑制了生长，但培养3~4 d后，比生长速率均高于第2天，在培养第5天时不同浓度NP处理下小球藻的比生长速率达到相同水平，说明随着培养时间的延长，其生长逐渐恢复。当小球藻暴露在8 mg/L NP 48 h时其光合活性降至最低，但随着培养时间的增加，其光合活性可逐渐恢复。

 

 

图2 不同浓度（0、2、4、6和8 mg/L）NP对（a）藻类生物量、（b）叶绿素a含量、（c）比生长速率和（d）Fv/Fm的影响

 

（2）不同浓度NP对小球藻抗氧化酶及丙二醛含量的影响

如图3所示：随着NP处理浓度的增加，小球藻SOD和POD的活性也随着增加，但同一处理组内藻细胞的抗氧化酶活性随着暴露时间的延长而降低。这一结果表明NP引起了小球藻的氧化应激，从而刺激抗氧化酶活性的提高以此来抵御NP的氧化胁迫。从图3（c）中可以看出，MDA含量的变化也随着NP浓度的增加而增加，说明NP诱导的ROS对藻类细胞造成了氧化损伤。

 

 

图3 不同浓度（0、2、4、6和8 mg/L）NP对小球藻暴露24h、72h、120h后的（a）SOD活性、（b）POD活性和（c）MDA含量的影响

 

 （3）NP降解机制推断

如图4所示：NP降解中间体的结构均具有完整的苯环，且中间产物的烷基链均含有羟基或羧基，表明NP的降解源于壬烷基的断裂，推测壬烷基碳原子的羟基化可能是NP降解的主要方式。此外，还有三种化合物在苯环中有两个羟基，表明NP的降解过程中有新的羟基插入了苯环中。

 

 

图4 NP降解中间体的结构推断

 

（4）转录组分析NP胁迫下小球藻的相应机制

通过转录组测序分析了NP暴露下小球藻的差异表达的基因，以及这些基因在GO和KEGG的富集情况。GO分子功能富集分析结果（图5）显示小球藻显著上调了抗氧化酶和超氧化物歧化酶的相关基因来抵御NP的胁迫，氧化还原酶相关基因的过量表达可能具有促进NP降解的作用。KEGG代谢通路富集分析结果（图6）显示，除光合活性相关基因的表达被NP抑制外，藻细胞内一些基础代谢途径如脂肪酸生物合成、淀粉和蔗糖代谢、氨基酸和核苷酸代谢途径也均被NP抑制。

 

 

图5 DEGs富集的GO条形图（Term代表三种GO类别下的下一个层次，计数表示注释到一个术语中的基因数量）

 

图6 富含DEGs的KEGG通路图

 

 总结与展望

本研究通过探究小球藻在暴露在不同浓度（0、2、4、6和8 mg/L）的NP下其细胞密度、叶绿素a含量、光合活性等指标变化，结果表明其对NP对小球藻均具有抑制作用，但小球藻对NP具有较高的耐受性。重要的是，小球藻能有效去除NP，表明该微藻具有修复NP污染环境的潜力。SOD、POD和MDA含量的测定以及转录组的差异基因分析也表明小球藻可提高抗氧化酶活性以抵抗NP氧化胁迫。将NP降解中间体与转录组基因分析相结合推断出可能的NP降解机制。本研究为小球藻降解NP提供了初步证据，在进一步的研究中，需要相关的氧化还原酶抑制剂或任何其他技术来为小球藻降解NP的生物降解机制提供更有力的证据。

研究团队

本研究由天津科技大学海洋与环境学院/教育部海洋资源化学与食品技术重点实验室所发表，由宋东辉教授为通讯作者，研究生冯雨等人共同完成。相关研究结果在Science of the Total Environment杂志上发表（https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150507）

 

本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号