沉水植物對微塑料和抗生素的生理代謝響應(yīng)機制

摘要：研究微塑料與抗生素對沉水植物的生態(tài)影響，為淡水系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的風險評估提供理論支持和依據(jù)。通過模擬試驗，研究實驗室環(huán)境下聚四氟乙烯微粉（PTFE-MPs，平均粒徑5 μm，濃度50 mg/L），諾氟沙星（NFX，5 mg/L），以及兩者聯(lián)合處理（50 mg/L+5 mg/L）下沉水植物水蘊草的生理響應(yīng)機制。結(jié)果顯示，PTFE-MPs和NFX會誘導(dǎo)植物抗逆酶活性和光合作用的調(diào)節(jié)，并導(dǎo)致植物脂質(zhì)過氧化，但對植物可溶性糖含量無顯著影響；通過非靶向代謝組學檢測比較了各處理組的代謝物變化和富集，結(jié)果表明各對比組有顯著的差異代謝物變化以及代謝通路富集。從研究結(jié)果推測植物通過卵磷脂等脂類代謝物以及琥珀酸等氨基酸代謝物水平的調(diào)節(jié)對其他代謝途徑以及生理生化途徑進行調(diào)控，從而影響植物的生長，增強逆境適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：沉水植物；微塑料；抗生素；非靶向代謝組學；生理響應(yīng)機制

中圖分類號：Q948.8 " " " "文獻標志碼：A " " " "文章編號：1674-3075（2024）06-0161-11

塑料因其價格低廉、耐腐蝕、重量輕、堅固耐用，且具有強大的隔熱和絕緣性能，故使用廣泛，全球塑料年產(chǎn)量達數(shù)億噸（涂晨和駱永明，2023），塑料消費的不斷增加也不可避免導(dǎo)致了塑料垃圾的增加，其中一些塑料垃圾通過不同的途徑被排放到自然環(huán)境中，只有極小部分塑料被回收，絕大部分仍舊存在于自然界的各個角落，其漫長的自然降解過程中產(chǎn)生的塑料微顆粒更是無處不在。Thompson等（2004）提出了“微塑料”這一概念，泛指直徑小于5 mm的塑料顆粒。近年來，淡水系統(tǒng)中的微塑料污染逐漸引起人們的注意（孫超等，2023）。微塑料包括初級和次級微塑料，它們大小不均且存在形式多種多樣，成分復(fù)雜，可以通過水生生物體內(nèi)的生物放大和生物積累進入食物鏈（Hamid et al，2018）。據(jù)報道，聚乙烯會對浮萍根系生長產(chǎn)生阻斷作用，降低根細胞活力（Kal?íková et al，2017）；高濃度的聚苯乙烯微塑料會干擾狐尾藻的形態(tài)特征（van Weert et al，2019）；水體中的微塑料還會對微生物的群落多樣性、物種組成和結(jié)構(gòu)造成影響（郭佳寶和黃藝，2023）。因此，微塑料與持久性有機污染物、內(nèi)分泌干擾物和抗生素并列為4大新興污染物，引起了國際環(huán)境組織的廣泛關(guān)注。

人造抗生素可以通過多種方式進入環(huán)境，從生產(chǎn)活性藥物成分，到使用后殘留物的排放或丟棄未使用的藥物，這些不同階段的抗生素在進入人體或動物體內(nèi)后，會有5%～90%以母體結(jié)構(gòu)形態(tài)或代謝產(chǎn)物形態(tài)（例如尿液或糞便）排出體外，這些通過間接或直接途徑進入環(huán)境中的抗生素會在水環(huán)境中積累并對水生生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響（Sarmah et al，2006；Kümmerer，2009）。王朋等（2010）研究發(fā)現(xiàn)抗生素會影響農(nóng)作物發(fā)芽率以及生長狀況，Wei等（2023）的研究表明，抗生素對水生植物有毒性作用，包括代謝干擾、氧化損傷、光合系統(tǒng)損傷、抑制生長等。

除了微塑料本身能對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害外，其可能與水體中沉積的其他污染物相結(jié)合產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)從而加重危害程度。例如，微塑料會吸附和積累銅進一步增加其對海洋微藻群的毒性（Davarpanah amp; Guilhermino，2015）；微塑料的異質(zhì)聚集物會影響萊茵衣藻的生長（Lagarde et al，2016）。另有研究表明，微塑料由于體積小，比表面積高，能附著生物膜，增強在水環(huán)境中的吸附能力，并生物降解一些抗生素污染物（Zhuang amp; Wang，2023）。

沉水植物作為水生態(tài)環(huán)境的重要組成成分，亦是水生生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級生產(chǎn)者之一。水蘊草[Elodea densa（Planch.）Casp.]作為淡水沉水植物具有結(jié)實且易于培育的優(yōu)點，常被選作富集檢測的試驗物種。本研究選用聚四氟乙烯微粉（PTFE-MPs）和諾氟沙星（NFX）2種材料對經(jīng)典沉水植物水蘊草進行暴露試驗以及非靶向代謝組學檢測，研究水蘊草在逆境中的生理生化調(diào)控機制，以期為微塑料和抗生素對淡水系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的風險評估提供理論支持和依據(jù)。

1 " 材料與方法

1.1 " 試驗材料

本研究選用水蘊草作為受試植物，由河北保定頤安生態(tài)科技提供；聚四氟乙烯微粉（PTFE-MPs，5 μm）采購自麥克林化學試劑公司（貨號：9002-84-0）；諾氟沙星（NFX）采購自阿拉丁化學試劑公司（貨號：70458-96-7）；培養(yǎng)容器為口徑15 cm、高30 cm的柱形玻璃容器。

1.2 " 水蘊草的馴化培養(yǎng)

將玻璃容器洗凈后底部鋪入5 cm深的底砂用于固定植物。將經(jīng)過挑選后的水蘊草清洗干凈，去除雜質(zhì)，放入去離子水中浸泡2 h，將浸泡后的植物活體進行多次沖洗后截取植物活體頂端12 cm株體移入玻璃容器中進行馴化培養(yǎng)，每個容器中扦插20株個體，置于室內(nèi)馴化培養(yǎng)7 d后，按照1：10的比例加入Hoagland營養(yǎng)液，繼續(xù)馴化培養(yǎng)3 d。在預(yù)培養(yǎng)后，選取長勢良好均勻的植物個體用作受試植物。

1.3 " 水蘊草的生長研究

將PTFE-MPs和NFX制成儲備液，儲備液濃度分別為1和0.5 g/L，使用渦旋混勻儀和超聲波清洗機對儲備溶液進行渦旋和簡短超聲處理，使材料在營養(yǎng)液中有效分散，用營養(yǎng)液稀釋原液，制成工作溶液。

正式暴露試驗前，通過設(shè)置多個濃度培養(yǎng)組進行預(yù)試驗以確定植物的脅迫耐受性，預(yù)試驗結(jié)果中，水蘊草對50 mg/L濃度下的PTFE-MPs和5 mg/L濃度下的NFX比較敏感，并且不至于死亡，當PTFE-MPs和NFX濃度高于試驗所選濃度（PTFE-MPs大于100 mg/L，NFX濃度大于20 mg/L）時，植株變化與試驗最高濃度基本無差別且污染物濃度設(shè)置過高對于生態(tài)風險評估無實際意義。

馴化后的水蘊草植株移植于玻璃容器中，加入5 L 10%的Hoagland營養(yǎng)液，模擬不同的環(huán)境對受試植株進行培養(yǎng)觀察，并設(shè)置空白對照進行對比，根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，各處理組濃度設(shè)置分別為：除10%的Hoagland營養(yǎng)液外不添加任何材料，記為CK；添加50 mg/L的PTFE-MPs，記為P；添加5 mg/L的NFX，記為N；添加50 mg/L的PTFE-MPs和5 mg/L的NFX，記為NP。試驗共設(shè)置4個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共12組，試驗周期為3周，試驗結(jié)束后立即進行統(tǒng)一取樣并保存于超低溫冰箱中待測。試驗期間，每天進行水分（10%的Hoagland營養(yǎng)液）補充，溫度為（30±3）°C，光暗周期為14：10。

1.4 " 植物生理指標測定

1.4.1 " 株長 " 用直尺（精確到0.1 cm）測量每組樣品株長，統(tǒng)計并計算株長相對生長率（RRG，L），計算公式如下：

RRG，L=[lgN2?lgN1×1000t2?t1] " " " " ①

式中：N2為最終株長，N1為初始株長，單位均為cm；t2為結(jié)束時間，t1為初始時間。

1.4.2 " 生物量 " 每個分組隨機撈取植株樣品3株，用超純水進行反復(fù)清洗，置于紗布上瀝水30 min，用電子天平稱量其鮮重（精確到0.001 g）。

1.4.3 " 光合色素含量 " 隨機采集每組樣品中植株葉片共0.5 g，剪碎置于研缽中磨碎，用乙醇溶液（96%，v/v）反復(fù)沖洗轉(zhuǎn)置于10 mL比色管中，加乙醇溶液定容至10 mL，放置冰箱內(nèi)48 h，采用分光光度法于649、665、470 nm波長下測定其吸光值（Hartmut amp; Alan，1983），用乙醇溶液（96%，v/v）調(diào)零，所用儀器為UV-5500型紫外-可見分光光度計，下同。分別計算葉綠素a（Ca，mg/L）、葉綠素b（Cb，mg/L）和類胡蘿卜素含量（Cx+c，mg/L）：

Ca=13.95×A665－6.88×A649 " ②

Cb=24.96×A649－7.32×A665 ③

Cx+c=（1000×A470－2.05×Ca－114.8×Cb）/245 ④

1.4.4 " 抗逆酶活性和丙二醛含量 " 3種抗氧化指標依照試劑盒方法進行測定，所用3種試劑盒購買自索萊寶生物科技有限公司，過氧化物酶（POD）試劑盒貨號為BC0095，過氧化氫酶（CAT）試劑盒貨號為BC0205，丙二醛（MDA）試劑盒貨號為BC0020。

1.4.5 " 可溶性總糖含量 " 取植物在110°C烘箱中烘15 min，然后調(diào)至70°C繼續(xù)進行烘干，直至水分完全去除。干燥后的植物組織磨碎后稱取0.05 g樣品倒入刻度試管內(nèi)，加入4 mL 80%乙醇溶液，置于80°C水浴中不斷攪拌40 min，離心，收集上清液，其殘渣加入2 mL 80%乙醇溶液重復(fù)提取2次，合并上清液。在上清液中加0.01 g活性炭粉，80°C脫色30 min，最后加入80%乙醇溶液定容至10 mL，過濾后取濾液測定。繪制標準曲線，根據(jù)標準曲線計算可溶性總糖含量（張志良，1990）。

1.5 " 基于非靶向代謝組學的檢測分析

本試驗將P組、N組、NP組與CK組水蘊草植株樣本進行非靶向代謝組檢測，每組檢測6個平行樣本，共4組；并進行對比分析，分別標記為P-CK、N-CK、NP-CK。

稱取60 mg樣本到1.5 mL離心管中，加入2顆小鋼珠和600 μL甲醇-水（V：V=7：3，含混合內(nèi)標，4 μg/mL）；在-40°C冰箱中預(yù)冷2 min后，放入研磨機中研磨（60 Hz，2 min）；冰水浴超聲提取30 min，-40°C靜置過夜；低溫離心10 min（12 000 rpm，4°C），用注射器吸取150 μL的上清液，使用0.22 μm的有機相針孔過濾器過濾后，轉(zhuǎn)移到LC進樣小瓶，-80°C下保存，直到進行LC-MS分析。質(zhì)控樣本（QC）由所有樣本的提取液等體積混合制備而成。所有提取試劑使用前均在-20°C進行預(yù)冷。

色譜柱：ACQUITY UPLC HSS T3 （100 mm×2.1 mm，1.8 μm）；柱溫：45°C；流動相：A-水（含0.1%甲酸），B-乙腈；流速：0.35 mL/min；進樣體積：3 μL。

離子源：ESI；樣品質(zhì)譜信號采集采用正負離子分開掃描，具體采集模式為DDA（data dependent acquisition）數(shù)據(jù)依賴型掃描模式。

1.6 " 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，結(jié)果用平均值±標準差（mean±SD）表示；采用SPSS 25進行單因素方差分析（one-way ANOVA）及最小顯著差異（LSD）分析（Plt;0.05），采用多重方差法分析顯著性，對水蘊草在不同處理下的各參數(shù)變化進行差異性比較；采用Origin 2018軟件作圖。

2 " 結(jié)果與分析

2.1 " 水蘊草對環(huán)境變化的生理響應(yīng)

圖1a顯示了不同處理下水蘊草的形態(tài)特征變化，圖1b與圖1c顯示了不同處理組下植株的鮮重增長量和株長相對生長率。相較于CK組，N組植株生物量減少（圖1a）。而NP組相較于CK組、P組以及N組，其鮮重明顯降低，分別降低了76.68%、88.18%、78.70%（圖1b）；株長增長被稍微抑制，低于總體水平（圖1c）。

P組和N組水蘊草植株與CK組植株樣本對比，都表現(xiàn)出了不同程度的氧化應(yīng)激反應(yīng)。P組植株與CK組對比，CAT酶活性降低了36.09%；N組比CK組的CAT酶活性稍有增加，增加了15.65%；NP組與CK組相比，CAT酶活性顯著增加了51.42%（圖2a）。3種不同處理下的水蘊草植株與CK組相比，POD酶活性都有所增加，P組和NP組分別顯著增加了97.52%、123.67%；N組植株P(guān)OD酶活性增加了24.24%（圖2b）。3種處理下的植株樣本MDA含量都要高于CK組，其中，P組植株MDA水平顯著增加了60.99%；而N組和NP組的植株相比較于CK組增加了10.41%、26.61%（圖2c）。與CK組可溶性糖含量相比，P組和N組的植株無明顯變化；而NP組的植株可溶性糖含量顯著增加了85.70%（圖2d）。如圖2e所示，與CK組相比，各處理組葉綠素a含量均有降低，其中P組植株葉綠素a含量降低了18.28%，而N組和NP組植株葉綠素a含量顯著降低了64.14%、54.70%；各處理組植株葉綠素b也處于抑制狀態(tài)，N組和NP組植株樣本葉綠素b含量顯著降低；除P組植株比CK組植株類胡蘿卜素素增加了30.03%外，N組和NP組的植株類胡蘿卜素分別比CK組降低了48.46%、37.80%。

2.2 " 水蘊草的代謝組學分析

在本研究中，建立多元統(tǒng)計分析模型分析樣本數(shù)據(jù)，以確定組間代謝譜的總體差異。分析結(jié)果顯示，每個組的樣本都有較好的聚集情況，即在試驗過程中每組的生物學重復(fù)間差異較小，組內(nèi)變異在正常范圍內(nèi)?？傮w來講，運用該種多元分析方法所建立的模型能基本解釋樣本間的代謝差異。

經(jīng)檢測得到代謝物共6 253種，其中，負離子模式下共檢測出2 851種代謝物，正離子模式下共檢測出3 402。2種模式下的差異代謝物表達模式相似，但數(shù)量上有所差異，正離子模式下檢測到的差異代謝物更多，這證明與水蘊草植株響應(yīng)PTFE-MPs、NFX 2種污染物關(guān)系密切的差異代謝物主要在正離子模式下被檢出。將檢測所得差異代謝物根據(jù)其化學分類歸屬信息進行分類，其中，除未分類化合物所占比例13.71%外，被檢測出的化合物分類中脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子（lipids and lipid-like molecules）占比最高為30.51%，另外有機雜環(huán)化合物（organoheterocyclic compounds）占比13.43%，有機酸及其衍生物（organic acids and derivatives）占比12.92%，以及其他代謝物占比如圖3a所示。

對P組、N組以及NP組的水蘊草植株對比CK對照組進行代謝差異分析，采用單維多維相結(jié)合的分析辦法，篩選各組間的差異代謝物。顯著差異代謝物的篩選條件為VIPgt;1且Plt;0.05。為了更直觀體現(xiàn)不同處理組水蘊草植株對比CK組的差異代謝物變化情況，將各組篩選出的所有差異代謝化合物根據(jù)P值、VIP值、FC值（fold change）進行可視化分析，如圖3b、3c、3d。其中，P組對比CK組中（圖3b），顯著上調(diào)代謝物549種，顯著下調(diào)代謝物226種；N組對比CK組中（圖3c），顯著上調(diào)代謝物352種，顯著下調(diào)代謝物285種；NP組對比CK組中（圖3d），顯著上調(diào)代謝物463種，顯著下調(diào)代謝物172種。

本試驗還選取了各處理組前50種差異代謝物進行聚類分析（圖4、5、6）。結(jié)果顯示，各對比組組內(nèi)聚類明顯，各組樣本生物重復(fù)比較一致。其中，P-CK對比組中（圖4），42種代謝物上調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子36種，有機酸及其衍生物2種，烴類化合物1種，有機雜環(huán)化合物1種及2種未分類化合物；8種代謝物下調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子4種，有機酸及其衍生物1種，有機含氧化合物1種及2種有機含氮化合物。

N-CK對比組中（圖5），32種代謝物上調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子23種，有機酸及其衍生物1種，有機雜環(huán)化合物4種，苯基丙酮和多酮類化合物1種，有機含氧化合物1種以及2種未分類的化合物；18種代謝物下調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子9種，有機酸及其衍生物2種，有機雜環(huán)化合物1種，有機含氧化合物1種，烴類化合物1種，苯基丙酮和多酮類化合物1種以及3種未分類的化合物。

NP-CK對比組中（圖6），46種代謝物上調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子26種，有機酸及其衍生物5種，有機含氧化合物3種，有機雜環(huán)化合物4種以及8種未分類化合物；4種化合物下調(diào)，包括脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子3種以及1種未分類化合物。

基于KEGG pathway mapper功能對顯著差異代謝通路途徑進行代謝物變化網(wǎng)絡(luò)圖繪制。脂質(zhì)代謝富集結(jié)果（圖7）顯示，PTFE-MPs處理組中水蘊草的花生四烯酸（Arachidonate）顯著降低了34.64%（Plt;0.05），花生四烯酸是生物細胞膜的組成部分，賦予其流動性和柔韌性，有助于細胞增殖和組織再生（Hanna amp; Hafez，2018）。幾種花生四烯酸代謝中間產(chǎn)物也有不同程度的變化，PGH2、9（S）-HOTrE、2，3-Dinor-8-iso PGF 1α、（8Z，11Z，14Z）-Heptadecatrie noic acid、6-Keto-PGF 1α顯著性增長（Plt;0.05），分別增加了1.23、1.29、1.31、1.92、15.88倍；而13（S）-HpOTrE、12-Keto-LTB4、Traumatic acid、15（S）-HPETE幾種代謝物顯著性降低（Plt;0.05），分別降低了36.31%、37.11%、47.09%、48.19%這些生物活性代謝物，統(tǒng)稱為類花生酸，類花生酸可能參與細胞調(diào)節(jié)的核心方面（Piomelli，1993）。

NFX處理組水蘊草植株中亞油酸（Linoleate）、花生四烯酸（Arachidonate）分別顯著下調(diào)了24.24%、41.86%（Plt;0.05），與其相關(guān)富集的其他中間代謝產(chǎn)物15（S）-HPETE、PGH2、（8Z，11Z，14Z）-Heptadecatrie noic acid顯著上調(diào)（Plt;0.05），分別上調(diào)了1.17、1.19、1.74倍；12-Keto-LTB4、13（S）-HpOTrE、13-OxoODE、9（S）-HPODE、12-OPDA、9（S）-HpOTrE顯著下調(diào)（Plt;0.05），分別下調(diào)了42.86%、43.50%、44.44%、45.36%、46.24%、46.81%。亞油酸和花生四烯酸的代謝調(diào)節(jié)對植物調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，保護植物免受環(huán)境傷害具有重要作用。

聯(lián)合處理組水蘊草植株中卵磷脂顯著增加（Plt;0.05），其增加倍率高達2 043倍，卵磷脂是膽堿的前體，是所有活細胞細胞膜的主要成分，它通過增加乙酰膽堿的合成、釋放和可用性起作用，調(diào)節(jié)植株抗氧化活性（Ezzat et al，2022）。與其相關(guān)富集的代謝物PGH2、15（S）-HPETE、20-OH-LTE4顯著增加（Plt;0.05），增加倍率分別為1.41、1.54、25.42倍；Linoleate、Arachidonate、12-OPDA、13（S）-HpOTrE、9（S）-HPODE顯著下降（Plt;0.05），下降倍率分別為33.33%、34.21%、42.20%、43.50%、47.09%。

另外在3個對比組中，多種差異代謝物還顯著富集在氨基酸代謝中（圖8），例如琥珀酸、谷氨酸以及天冬氨酸等表現(xiàn)出不同程度的上調(diào)和下調(diào)，我們推測氨基酸代謝物的變化可能與植物抵抗PTFE-MPs和NFX脅迫有著密切關(guān)聯(lián)。

3 " 討論

本研究通過暴露試驗以及非靶向代謝組學技術(shù)，對PTFE、NFX以及兩者聯(lián)合處理下的水蘊草進行了生理代謝的研究，并與空白組分析結(jié)果進行對照。暴露試驗結(jié)果顯示，單PTFE-MPs暴露主要影響水蘊草的生理效應(yīng)，且影響比較??；而單NFX暴露會誘導(dǎo)水蘊草抗逆酶活性和光合調(diào)節(jié)，總體來說，NP組植株樣本2種抗逆酶活性都高于其他3個組，水蘊草植株在2種污染物的復(fù)合毒性干擾下，其光合系統(tǒng)受到了極大的損傷，可能是株體中光合器官在受到PTFE-MPs和NFX脅迫后受損，導(dǎo)致植株光合色素合成受阻，而光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)（Hu et al，2023），光合作用被抑制，也導(dǎo)致了植株生物量積累被限制（Wei et al，2024）。2種污染物的復(fù)合毒性要高于單獨暴露下的毒性，植株反應(yīng)更為強烈，這些代謝活動在應(yīng)對脅迫方面具有不同的功能，會發(fā)揮協(xié)同保護作用，維持細胞穩(wěn)定性和植物生長（Jiang et al，2019）。NP組的多糖含量要明顯高于其他組，可能是植株在抵抗2種污染物的復(fù)合毒性時，通過積累糖類大分子化合物，維持自身水分平衡、提高細胞滲透壓和保護細胞膜（Dong et al，2024），以增強自身抗逆性，對抗復(fù)合毒性的侵害。另外污染物暴露還導(dǎo)致植物體內(nèi)MDA含量增加，影響水生植物的分子細胞效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)以及行為效應(yīng)（Franzellitti et al，2019）。聯(lián)合處理下的植株酶活性、MDA含量、可溶性糖含量顯著增加，光合色素降低，可能是由于微塑料與抗生素的相互作用機制加深了NFX對水草植株的毒性作用，其主要毒性可能主要來自于過量的抗生素，微塑料在這一過程中起到了富集和轉(zhuǎn)運的作用。

差異代謝物篩選結(jié)果顯示，不同處理下都鑒定出了不同程度的代謝物顯著差異，包括糖類、脂質(zhì)以及氨基酸等多種代謝物，多種代謝物的調(diào)節(jié)可以共同影響酶促反應(yīng)和其他代謝活動（Wang et al，2019），推測水蘊草在不同逆境中通過上調(diào)和下調(diào)某些化合物的代謝，從而影響各種抗逆酶和葉綠素的調(diào)節(jié)，以緩解毒害，適應(yīng)逆境生長。PTFE-MPs及NFX處理后的水蘊草樣本與空白組對比，其受調(diào)節(jié)的顯著差異代謝物中大部分為脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子、有機酸及其衍生物，脂類的主要生理作用為供能儲能、構(gòu)成生物膜、協(xié)助脂溶性維生素吸收和提供植物所必需的脂肪酸以及保護和保溫作用（Bullon，2014），而有機酸的主要作用為促進植物生長以及提高植物抗逆性，這些代謝物的調(diào)節(jié)可能對水蘊草植株維持細胞穩(wěn)定性和滲透作用有著重要作用（Leverett，2021）。

依據(jù)差異代謝物KEGG富集分析結(jié)果，得知差異代謝物主要富集的代謝通路有組氨酸代謝、ABC轉(zhuǎn)運蛋白、不飽和脂肪酸的生物合成等，不同處理下的水蘊草通過提高或降低氨基酸、脂質(zhì)等代謝途徑中代謝物的含量，進而改變半乳糖、氨基酸及脂類等代謝過程，此過程有助于維持細胞形態(tài)，平衡氧化脅迫，減少微塑料和抗生素對水蘊草的毒害作用。植物在逆境脅迫中，琥珀酸、谷氨酸、組氨酸等氨基酸代謝物發(fā)揮作用，作為特殊的信號分子，調(diào)節(jié)CAT、POD等抗逆酶的合成與活化、激素以及植物光合色素的合成，清除多余的活性氧，減少過度氧化帶來的損傷，使植物在抗逆性上表現(xiàn)出更好的性能，從而維持體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，適應(yīng)逆境生長。推測琥珀酸等有機酸會影響酶促反應(yīng)，在植物代謝中起主導(dǎo)作用，這與Litsanov等（2014）的研究結(jié)果相符。除氨基酸外，還有大量的脂質(zhì)代謝物顯著變化，植物在逆境脅迫下，不飽和脂肪酸含量會增加，有利于細胞膜的流動性，從而削弱植物所受毒害，增強植物逆境適應(yīng)能力。另外，植物ABC轉(zhuǎn)運蛋白利用水解ATP產(chǎn)生的能量，完成對小到各種離子大到蛋白的各種各樣物質(zhì)的轉(zhuǎn)運，從而調(diào)節(jié)植物生理活動，為植物代謝提供原料。

4 " 結(jié)論

本研究探究了聚四氟乙烯微塑料（PTFE-MPs）和諾氟沙星（NFX）的濃度與水蘊草植株生長生理指標的關(guān)系，對比了PTFE-MPs和NFX 2種污染物對水蘊草的單一毒性和復(fù)合毒性作用以及處理前后差異代謝物的變化，評價了水蘊草植株的抗逆機制，結(jié)果可為新興污染物積累的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。具體研究結(jié)論如下：

（1）PTFE-MPs對水蘊草影響效應(yīng)大多體現(xiàn)為生理效應(yīng)，而NFX對水蘊草生物毒性顯著。此外，由于PTFE-MPs與NFX的相互作用機制，會加劇NFX對水蘊草植株的復(fù)合毒性效應(yīng)，這種復(fù)合毒性效應(yīng)要高于二者的單一效應(yīng)，加重水蘊草植株的損傷程度。

（2）PTFE-MPs和NFX處理后的植株差異表達代謝物調(diào)節(jié)均以脂質(zhì)和脂類分子相關(guān)代謝物為主，其次還有一些有機酸和有機酸衍生物等代謝化合物，這些代謝物的調(diào)節(jié)可以幫助植株改善體內(nèi)環(huán)境，提高抗逆性。

PTFE-MPs和NFX處理前后差異代謝物的變化進一步驗證了PTFE-MPs和NFX 2種污染物的相互作用會對水蘊草植株產(chǎn)生負面影響。根據(jù)本研究結(jié)論，后續(xù)研究將考慮2種污染物在植株體內(nèi)外的轉(zhuǎn)運和傳遞，并將非靶向代謝組檢測出的顯著相關(guān)代謝物進行靶向鑒定，量化其大小，以驗證2種污染物的實際影響，提高結(jié)論可靠性，對生物生理毒性和生態(tài)修復(fù)提供實際意義。

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（責任編輯 " 熊美華）

Physiological and Metabolic Response of Submerged Plants

to Microplastics and Antibiotics

ZHAO Jie， CHENG Jin‐cai， GONG Yan

（School of Life Sciences， Shanxi Normal University， Taiyuan " 030000， P.R. China）

Abstract： Accumulation of two emerging pollutants， microplastics （MPs） and antibiotics （Ats）， in the aquatic environment has attracted extensive scholarly attention and poses an international ecological challenge. Several studies have demonstrated the individual ecological effects of microplastics and antibiotics in aquatic ecosystems， but little is known about their combined effects， particularly their combined effects on aquatic plants. In a controlled laboratory environment， we investigated the physiological responses of Elodea densa （Planch.） Casp. when exposed to polytetrafluoroethylene micropowders （PTFE-MPs， average particle size 5 μm， concentration 50 mg/L）， norfloxacin （NFX， 5 mg/L）， and the two in combination （50 mg/L+5 mg/L）. The physiological and biochemical response mechanisms of E.densa "to stress were also investigated. The aim of the study was to provide the data and theory necessary to assess the risks posed by microplastics and antibiotics on freshwater systems. Four treatments were set， including a control group （CK） and three treatment groups： 50 mg/L PTFE-MPs （P）， 5 mg/L NFX （N）， and 50 mg/L PTFE-MPs plus 5 mg/L NFX （NP）. Exposure duration was 3 weeks and each treatment was run in triplicate. Results show that PTFE-MPs and NFX induced plant stress-resisting enzyme activity and photosynthesis， and led to lipid peroxidation， but had no significant effect on plant soluble sugar content. We also compared metabolite changes and enrichment among the treatments using a non-targeted metabolomics assay. Assay results indicate significant changes in metabolites as well as metabolite enrichment among the treatment groups. Based on these results， we hypothesized that plants activate additional metabolic pathways and physiological and biochemical pathways by adjusting the levels of lipid metabolites， such as lecithin， and amino acid metabolites， such as succinic acid， thereby affecting plant growth and enhancing adaptation to adverse conditions. In general， the effect of PTFE-MPs on E.densa. was manifested primarily as physiological effects， while NFX exhibited significant biotoxicity. Furthermore， PTFE-MPs and NFX in combination appear to act synergistically， exacerbating the toxic effect of NFX on E.densa.

Key words：submerged plants; microplastics; antibiotics; untargeted metabolomics; physiological response mechanism