本研究由Jiaxuan Song、Kai Yang、Aizhong Ding、Naifu Jin、Yujiao Sun和Dayi Zhang共同完成，作者单位包括北京师范大学水科学学院、吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室、吉林大学新能源与环境学院以及沈阳大学区域环境与生态恢复教育部重点实验室。研究成果发表于2025年的《Journal of Hazardous Materials》期刊，标题为《Antagonistic effects of polystyrene microplastics and tetracycline on Chlorella pyrenoidosa as revealed by infrared spectroscopy coupled with multivariate analysis》。

学术背景

微塑料（microplastics）和抗生素（antibiotics）是环境中典型的新兴污染物，对生态系统和人类健康构成显著风险。已有研究表明，微塑料与抗生素共存时可能产生协同或拮抗效应，破坏细胞膜、抑制光合能力并诱导抗氧化酶活性。然而，这些相互作用的机制尚未完全阐明。本研究以淡水单细胞光合微藻Chlorella pyrenoidosa（蛋白核小球藻）为模型，结合红外光谱（FTIR）与多变量分析，探索聚苯乙烯微塑料（polystyrene microplastics）与四环素（tetracycline）共暴露对藻类的生理生化毒性及其拮抗效应机制。研究旨在解决现有生态毒性评估方法的局限性——传统方法难以区分复合污染中单一污染物的毒性贡献，而动物模型成本高且存在伦理问题。

研究流程

1. 实验设计与暴露处理

   • 研究对象：蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa）在BG11培养基中培养至对数生长期，分为六组：空白对照（CK）、0.2 μm微塑料单独暴露（PS_0.2）、1.0 μm微塑料单独暴露（PS_1）、四环素单独暴露（TC）、四环素与0.2 μm微塑料共暴露（TC+PS_0.2）、四环素与1.0 μm微塑料共暴露（TC+PS_1）。
     
   • 暴露条件：四环素和微塑料浓度设为0.1、1和10 mg/L，培养温度为25°C，光照周期12 h/12 h，摇床转速150 rpm。每日取样测定生长和光合效率，第4天收集样本进行毒性评估和FTIR光谱采集。
     

2. 生理与氧化应激指标测定

   • 光合色素：通过甲醇提取法测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，使用酶标仪在665 nm、652 nm和470 nm波长下检测吸光度。
     
   • 氧化应激参数：测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性，以及丙二醛（MDA）含量和活性氧（ROS）水平。细胞膜通透性通过FDA染色法评估。
     

3. 红外光谱与显微表征

   • FTIR光谱采集：使用Shimadzu IRAffinity-1S光谱仪（分辨率8 cm⁻¹，扫描64次）获取900–1800 cm⁻¹区间的光谱数据，经基线校正和向量归一化处理后，通过主成分分析-线性判别分析（PCA-LDA）提取特征峰。
     
   • 透射电镜（TEM）：观察微塑料在藻细胞内的分布及细胞结构损伤，样本经戊二醛固定、锇酸后固定、丙酮梯度脱水后包埋切片。
     

4. 数据建模与毒性溯源

   • 随机森林模型（Random Forest, RF）：基于FTIR光谱数据构建分类模型，训练集与测试集比例为6:4，评估指标包括准确率（accuracy）、灵敏度（sensitivity）和特异度（specificity）。模型用于解析复合暴露中微塑料与四环素的毒性贡献比例。
     

主要结果

1. 单一污染物毒性

   • 微塑料：0.2 μm微塑料通过内化进入藻细胞，导致ROS水平显著升高117.2%，SOD和CAT活性分别增加114.3%和23.6%，MDA含量上升87.2%，表明氧化应激和膜脂过氧化损伤。TEM显示细胞边缘结构破坏。
     
   • 四环素：抑制蛋白合成，叶绿素a和b含量分别增加14.8%和14.5%，但类胡萝卜素下降21.9%。特征峰（937 cm⁻¹和1566 cm⁻¹）显示其干扰信号转导和核糖体功能。
     

2. 拮抗效应机制

   • 共暴露组（TC+PS）的ROS、SOD、CAT和MDA水平均低于单一暴露组，且1.0 μm微塑料的拮抗作用更强。FTIR特征峰（1285 cm⁻¹和1420 cm⁻¹）表明复合污染通过减少ROS生成、调节抗氧化酶活性和稳定细胞膜实现毒性抵消。
     
   • 随机森林模型显示，四环素在二元毒性中贡献占比达85.14%（TC+PS_0.2）和93.97%（TC+PS_1），微塑料尺寸通过吸附能力差异影响毒性分配。
     

结论与价值

本研究首次通过红外光谱结合多变量分析，揭示了微塑料与四环素对蛋白核小球藻的拮抗效应机制：微塑料通过吸附四环素降低其生物有效性，同时调控抗氧化酶活性和膜稳定性。随机森林模型实现了复合污染毒性来源的定量溯源，为新兴污染物的生态风险评估提供了高效、低成本的分析方法。

研究亮点

1. 方法创新：FTIR-PCA-LDA技术成功区分单一与复合污染的毒性特征，随机森林模型毒性溯源准确率达98.75%。
   
2. 机制发现：阐明微塑料尺寸依赖性吸附对四环素毒性的拮抗作用，为污染治理策略提供理论依据。
   
3. 应用价值：为水环境中微塑料与抗生素的协同管控提供科学指导，推动非破坏性高通量毒性评估技术的发展。
   

其他发现

环境变量（如pH和温度）对FTIR光谱影响可忽略，但高温（35°C）会干扰毒性特征峰（如1134 cm⁻¹和1550 cm⁻¹），提示实际应用中需控制培养条件。