近日，昆明理工大学潘波教授团队和中国科学院城市环境研究所崔丽团队合作在Environmental Science & Technology上发表了题为“Elevated Toxicity and High-Risk Impacts of Small Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Clusters on Microbes Compared to Large Clusters”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.4c10078），探究了不同大小多环芳烃分子团簇对微生物的毒性机制。研究人员采用两种不同的稀释方法获得了相同浓度下，不同大小的团簇，并运用原子力显微镜（AFM）和分子动力学（MD）模拟，从宏观和微观两个角度表征了四种常见多环芳烃（PAHs）分子团簇的形成。采用单细胞拉曼结合重水（D2O）标记技术和转录组分析，从表型和基因型两个方面探究了不同大小多环芳烃团簇对微生物的毒性机制。研究表明相比于较大的多环芳烃团簇，较小的团簇具有更大的毒性。

PAHs是一种广泛存在的疏水性有机污染物，由于其的疏水性和难降解性，容易进入微生物体内，并随食物链累积。值得注意的是，有机污染物的赋存形态定了其环境行为和风险，先前的研究大多忽略了有机物的团簇形态，从而可能导致对其迁移转化等环境归趋的理解存在偏差。此外，对微生物毒性的研究大多只关注了PAHs团簇在微生物或动植物细胞中的分布，而对细菌的毒性及表型的影响鲜有报道。本研究将四种常见的PAHs（萘、菲、苝、苯并芘）作为模型污染物，采用两种不同的稀释方法获得不同大小的多环芳烃团簇，运用原子力显微镜（AFM）进行团簇的表征并结合分子动力学模拟，从宏观和微观两个角度探究PAHs团簇的形成。同时，结合单细胞拉曼技术和转录组分析，从表型和基因型两方面深入解析其毒性机制。

图1 不同大小团簇的表征

AFM表征和分子动力学（MD）模拟证明了PAHs团簇的形成，小团簇的平均高度分别为60 nm、65 nm、103 nm和87 nm，而大团簇的平均高度分别为92 nm、81 nm、131 nm和133 nm。多环芳烃团簇的大小与其生态毒性相关，因此进一步探索不同浓度和大小的多环芳烃对微生物的毒性差异。

图2 细菌的代谢活性变化

本研究采用大肠杆菌（E. coli）作为目标微生物，运用重水结合单细胞拉曼技术，探究了E. coli的表型和活性的变化。结果表明随着浓度的增加，活性降低。与对照组相比，在小团簇的胁迫下，细菌的代谢活性降低了约10%（p<0.01），而在大团簇的胁迫下，细菌的代谢活性仅降低了约1%（p<0.01）。

图3 生物大分子物质和ROS的变化

进一步分析了拉曼指纹区间中出现明显偏移的峰：1002 cm-1（苯丙氨酸）、1322 cm-1（酰胺Ⅲ）、1450 cm-1（脂类）、1578 cm-1（核酸）。这些偏移表明细菌生理反应中的各种生物大分子均受到了不同大小PAHs团簇的影响。在低浓度下，暴露于较小PAHs团簇后，蛋白质含量增加，表明小的PAHs团簇激发了有关膜蛋白和外排泵基因的表达。然而，在相同浓度的大团簇暴露下，却观察到了相反的结果。另外，在亚致死剂量的PAHs胁迫下，细胞内ROS的产生显著增加（p<0.05），而在低浓度条件下，观察到的差异较小。此外，暴露于小团簇的处理组比暴露于大团簇的处理组产生更多的ROS。

图4 基因的变化

转录组分析的结果表明，在PAHs小团簇的胁迫下，与细菌氧化应激、外排泵、DNA损伤修复以及细菌运动有关的基因有所上调，这也表明小团簇的毒性更大。

这项工作从典型的疏水性有机污染物PAHs的分子团簇形态出发，揭示了PAH分子团簇的毒性机制，强调了较大团簇和较小团簇之间的毒性机制的差异，为理解PAH分子团簇对微生物的毒性提供了新的视角，强调了在未来的生态风险评估中考虑分子团簇态的必要性。

文章链接:

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c10078