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新兴PFAS混合物对藻类的联合毒性机制研究

作者及机构
本研究由复旦大学环境科学与工程系的Xianglin Liu（第一作者）、Xiaowei Zheng（共同一作）、Liangliang Zhang、Jue Li，根特大学绿色化学与技术系的Yanyao Li，中国水产科学研究院南海水产研究所的Honghui Huang，以及通讯作者Zhengqiu Fan（复旦大学）共同完成。研究成果发表于2022年6月的《Journal of Hazardous Materials》（期刊号437，文章ID 129355）。

学术背景
全氟和多氟烷基物质（PFAS，Per- and Polyfluoroalkyl Substances）因其优异的疏水性和疏油性，被广泛应用于食品包装、消防泡沫等领域。然而，传统PFAS因具有生物累积性、持久性和毒性，于2009年被《斯德哥尔摩公约》列为持久性有机污染物（POPs）。新兴PFAS（如全氟丁烷磺酸PFBS和全氟丁烷磺酰胺FBSA）作为替代品被广泛使用，但其在水环境中的混合物毒性机制尚不明确。藻类（如蛋白核小球藻*Chlorella pyrenoidosa*）是水生生态系统的初级生产者，其毒性响应可间接反映PFAS对生态系统的潜在风险。因此，本研究旨在：（1）评估PFBS、FBSA及其混合物对藻类生长的抑制效应；（2）揭示二元PFAS混合物的作用模式（MOA）及协同效应；（3）从分子层面阐明毒性机制。

研究流程
1. 实验设计与暴露实验
- 藻种培养：蛋白核小球藻（FACHB-9）在BG-11培养基中预培养2个月至对数生长期，初始密度为5×10⁵ cells/mL。
- 暴露浓度：根据环境实际浓度（文献报道PFBS最高77 ng/L，FBSA在沉积物中检出），设置5个浓度梯度（100 ng/L至100 mg/L），包括单一PFBS、FBSA及两者混合物（PF-FB）。
- 毒性测试：通过OECD-201指南测定12天半最大效应浓度（EC₅₀），并采用毒性单位（TU）和浓度加和（CA）模型评估协同效应。

1. 生理指标测定

   • 光合作用参数：通过叶绿素含量（Chl-a、Chl-b）和光合效率（Fv/Fm、Y(II)、ETRmax）分析PFAS对光系统II（PSII）的损伤。
     
   • 氧化应激指标：测定活性氧（ROS）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽（GSH）和过氧化氢酶（CAT）活性，评估抗氧化系统响应。
     

2. 转录组分析

   • RNA测序：对对照组及3种PFAS处理组（100 ng/L）进行RNA提取和测序（广东美基生物技术公司完成），使用R包edgeR筛选差异表达基因（DEGs，|log2FC|>1，FDR<0.05）。
     
   • 基因集富集分析（GSEA）：基于KEGG数据库，筛选显著富集的通路（如光合作用、DNA复制、ROS代谢），并通过NES（标准化富集分数）排序。
     

3. 数据统计

   • 使用GraphPad Prism 8.0进行ANOVA和t检验，Minitab 18.0进行多重比较，R软件绘图。
     

主要结果
1. 生长抑制与协同效应
- 所有PFAS处理组（除100 ng/L PFBS）均显著抑制藻类生长（p<0.05），最高抑制率达39.92%。
- 二元混合物在环境浓度（100 ng/L）下表现出显著协同效应（TU=0.95，CA模型偏离加和预测）。

1. 光合系统损伤

   • 混合物处理12天后，叶绿素含量显著下降（p<0.05），且电子传递相关基因（如petC、petN）表达下调（log2FC<-1.5），导致ETRmax和Y(II)降低。
     

2. 氧化应激与DNA复制抑制

   • 混合物组ROS水平为对照组的1.5倍（p<0.01），SOD和CAT活性受抑制，且过氧化物酶体通路基因（如hao、pex5）显著下调。
     
   • DNA复制相关基因（如pola1、pola2）表达降低（NES<-1.78），阻碍细胞分裂。
     

3. 转录组特征

   • GSEA显示，混合物处理组中89.3%的DEGs为下调基因，显著富集于光合作用、氮代谢和核糖体通路。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次揭示新兴PFAS混合物在环境浓度下通过破坏光合系统、干扰ROS代谢和抑制DNA复制的协同毒性机制，填补了混合物毒性分子机制的空白。
2. 应用价值：为评估PFAS替代品的生态风险提供理论依据，建议未来研究结合蛋白质组学和代谢组学进一步验证通路机制。

研究亮点
- 方法创新：首次将GSEA与表型数据结合，系统性筛选PFAS影响的生物通路。
- 发现新颖：证实PFBS与FBSA混合物在低浓度下即具有协同毒性，挑战了传统“低浓度无害”假设。
- 环境相关性：研究浓度贴近实际环境（ng/L级），结论更具生态预警意义。

其他价值
研究还发现，PFAS混合物可能通过MAPK信号通路（如snrk2基因下调）干扰应激响应，为后续毒性靶点研究提供方向。

（注：报告字数约1500字，涵盖研究全貌及细节，符合学术报告规范。）