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北京大学孙卫玲组发表封面文章揭示碳纳米管和抗生素对蓝藻的复合毒性及机理
近日，北京大学环境科学与工程学院孙卫玲教授课题组在学术期刊Environmental Science: Nano （IF=7.683）上在线发表了题为“Carbon nanotubes influence the toxic effects of chloramphenicol and tetracycline on cyanobacterium Synechocystis sp. in different ways”的封面文章，运用蛋白质组学技术揭示了碳纳米管和抗生素对蓝藻的复合毒性及机理。
今天我们邀请到该研究的第一作者尤明涛博士，分享该研究的主要结论和其背后的科学故事。
撰文 | 尤明涛 博士（北京大学环境科学与工程学院）
碳纳米管（CNTs）和抗生素都是典型的新兴污染物，在使用、处理和处置过程中这些污染物会释放到水体中，从而对水生生物产生危害。目前有关CNTs和抗生素毒性机理的研究多局限于单一类污染物，很少关注二者复合污染的毒性效应。作为水生生态系统的初级生产者，藻类对污染物的响应通常比其他水生生物更敏感，是毒理学研究中常用的受试生物。我们以一种常用的光合模式蓝藻——集胞藻（Synechocystis sp.）作为研究对象，评估了CNTs和两种抗生素（氯霉素和四环素）对集胞藻的单一和联合毒性效应。
单一污染体系中，四环素对蓝藻毒性较强，并明显破坏细胞膜；而氯霉素会使细胞膜损伤，进入细胞内部，并导致细胞变小。活性氧（ROS）淬灭实验发现，ROS引起的氧化损伤是CNTs对集胞藻的致毒机制之一，但对于选定的两种抗生素，ROS对其致毒机制没有贡献。复合污染体系中，CNTs和氯霉素对集胞藻的联合毒性效应是累加作用，而CNTs和四环素对集胞藻的联合毒性效应是拮抗作用。CNTs对四环素的吸附是拮抗作用的重要原因，且四环素降解消耗了CNTs产生的ROS也是其拮抗作用的原因之一；然而氯霉素在CNTs存在时则没有明显的变化。
图 差异蛋白KEGG代谢通路富集分析
基于质谱的蛋白质组学分析（景杰生物提供技术支持）表明，CNTs引起了抗氧化相关的蛋白质上调，同时光合作用通路显著上调，这说明CNTs引起了蓝藻的氧化损伤并对其产生遮蔽效应。四环素导致集胞藻周质空间相关蛋白上调，周质空间是细胞壁合成的场所，这是集胞藻对四环素破坏细胞膜的应激反应。氯霉素抑制蛋白质合成，导致集胞藻中大量的蛋白质下调，直接抑制了光合作用、氧化磷酸化和氨基酸代谢等多项细胞基础活动。复合污染暴露时，CNTs减轻了氯霉素对蛋白质合成的抑制作用，而氯霉素增强了CNTs对蛋白质的上调作用。四环素则增强了CNTs对核糖体相关蛋白的影响。
光合作用的KEGG通路
该工作主要致力于探究CNTs和抗生素对蓝藻的复合毒性机制，利用蛋白组学分析，揭示了集胞藻对CNTs或/和抗生素毒性的分子响应机制，为多污染物共存对蓝藻的联合毒性效应研究提供了新的见解。
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参考文献
Mingtao You, et al., 2021, Carbon nanotubes influence the toxic effects of chloramphenicol and tetracycline on cyanobacterium Synechocystis sp. in different ways. Environmental Science: Nano.
