调控黑磷纳米片的毒性：富里酸在水生环境中既是辅助剂又是解毒剂
原创作者：陈晓睿、梁昱静、何伟
导读
尽管黑磷纳米片（BPNS）对微藻表现出显著的植物毒性，但当前的风险评估往往忽视了天然有机质等关键环境介质的作用。本研究系统探究了BPNS与富里酸（FA）之间的动态相互作用，及其对莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）生理响应的调控机制。研究结果表明，BPNS会诱导剂量依赖性的植物毒性：在浓度为 100 mg/L 时，表现为超微结构变形、活性氧（ROS）过量产生（增加2.35倍）以及光系统（PSII）光抑制（最大光化学效率 Fv/Fm 降低 16.9%）。有趣的是，FA呈现出浓度依赖性的双相效应：低至中等浓度（1-10 mgC/L，以碳计）的FA会加剧氧化损伤（ROS增加超过 50%）和PS II 光抑制；高浓度FA（20 mgC/L）则可通过自由基清除、表面络合及抗氧化激活等作用显著降低BPNS的毒性。多组学分析显示，BPNS会干扰卟啉与叶绿素代谢过程，其中脱镁叶绿素a的表达量显著上调（增加19%）。而高浓度FA可通过以下方式恢复代谢稳态：促进氨基酸代谢（氨基酸代谢物增加1.35倍）与脂质周转（脂肪酸表达量上调54%）；增强光合电子传递与抗氧化防御能力，进而稳定光合活性。本研究阐明了工程纳米材料与天然有机配体之间的分子相互作用机制，为复杂水生系统中生态风险评估及可持续纳米材料设计提供了重要参考。
图1 摘要图（来源：ScienceDirect）
研究正文内容
将莱茵衣藻（C. reinhardtii）暴露于不同浓度的BPNS（ 0、5、10、25、50 和 100 mg/L）后，高浓度BPNS（50和100 mg/L）显著抑制藻细胞生长（p < 0.05），呈现出明确的剂量依赖性关系（图 1B），最大抑制率达 50.9%。浓度为 1 mgC/L 的FA（FA1）对C. reinhardtii无显著抑制作用；而其他所有浓度的FA均显著降低藻细胞的最终生物量（p < 0.05）（图 1C）。当BPNS（50 mg/L）与FA共同作用时，除 20 mgC/L FA（FA20）外，其余所有浓度的FA均会加剧BPNS的毒性。胞外荧光物质组分共识别出 3 种主要组分：类蛋白质或类色氨酸物质（C1）、陆生腐殖质与富里酸（C2），以及C. reinhardtii快速繁殖阶段分泌的藻源物质（C3）。C1含量随BPNS浓度升高而增加，主要源于藻细胞死亡释放；而FA单独处理则使其降低，表明BPNS与FA的损伤机制不同；C2的积累具有显著的FA依赖性，在FA处理组中随浓度显著上升，而BPNS单独暴露虽可轻微提升C2，但贡献远低于FA；C3在BPNS胁迫下被抑制，但在高浓度FA（如10、20 mgC/L）共暴露时显著升高，尤其以BPFA10组最为突出，表明FA缓解毒性后藻细胞恢复生长并主动分泌C3。
图1莱茵衣藻在不同胁迫条件下的生长曲线、生长抑制率、形态变化和平行因子分析（PARAFAC）组分的最大荧光强度（Fmax）变化（来源：ScienceDirect）
BPNS诱导细胞内ROS过量产生（在100 mg/L时达对照的2.35倍）。ROS的爆发导致脂质过氧化（MDA含量升高），直接损伤细胞膜结构。同时，ROS攻击光合系统，导致PSII的Fv/Fm显著下降（100 mg/L组降至对照的83.1%）。通过OJIP荧光动力学分析进一步发现，高浓度BPNS阻碍了电子从QA到QB的传递，造成电子传递链阻塞，光合作用被迫停止。当低浓度FA存在时，它不仅未能有效遏制BPNS的毒性，反而加剧了BPNS的毒性，而高浓度 FA 则能恢复 Fv/Fm 值至对照组水平以上，重建光合作用平衡。
图2 A-C: C. reinhardtii在不同胁迫条件下暴露72小时后的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线和最大光化学量子产额；D-J: C. reinhardtii在不同胁迫条件下暴露24、72、120 小时后的活性氧（ROS）、超氧化物歧化酶（SOD）及丙二醛（MDA）变化（来源：ScienceDirect）
多组学分析显示，BPNS 会显著干扰C. reinhardtii的卟啉和叶绿素代谢，导致脱镁叶绿素a表达上调19%，同时破坏氨基酸代谢和能量代谢平衡。低浓度 FA 会加剧这些代谢紊乱，而高浓度 FA 则能通过上调氨基酸代谢产物（增加1.35倍）、促进脂质周转（脂肪酸上调54%）、激活糖和嘌呤生物合成等途径，恢复细胞代谢稳态，为藻类生长提供能量和物质支持。关键代谢物分析发现，高浓度 FA 处理后，磷脂酰丝氨酸（PS）表达上调8.6%，该物质作为细胞膜关键组分，可增强膜稳定性和修复能力；同时 D-乳糖含量显著下调，表明氧化应激得到缓解。这些代谢层面的适应性变化共同构成了高浓度 FA 的解毒机制。
图3 不同浓度BPNS与FA暴露下，C. reinhardtii差异表达基因（DEGs）通路中显著改变的代谢物与基因（来源：ScienceDirect）
作者简介
何伟，现为中国地质大学（北京）水资源与环境学院副教授，博士生导师，主要从事环境科学与工程和环境有机水文地球化学方面的研究，在Environ Sci & Technol、Environ Int、Water Res等期刊已经发表了论文137余篇，Google Scholar引用5965余次，H-index为44。主持国家自然科学基金、北京市科协青年人才托举计划、北京市自然科学基金等项目---项，以主要参与人参与国家自然科学面上项目、重点项目、国际合作项目、国家水专项、国家重点研发等项目---项。
陈晓睿（第一作者），现为中国地质大学（北京）水资源与环境学院环境科学与工程专业在读博士，研究方向为天然有机质对纳米材料环境行为的影响，在Water Research等SCI期刊发表论文9篇。
参考文献：
[1] X. Chen, Y. Liang, S. Yi, B. Yi, C. Yuan and W. He. 2025. Taming the algal toxicity of black phosphorus nanosheets: fulvic acid as both accomplice and antidote in aquatic environments. Aquatic Toxicology, 107565
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2025.107565
联系作者:
何伟，中国地质大学（北京），副教授，Email: wei.he@cugb.edu.cn