摘要：研究微塑料與抗生素對(duì)沉水植物的生態(tài)影響，為淡水系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論支持和依據(jù)。通過(guò)模擬試驗(yàn)，研究實(shí)驗(yàn)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(yùn)草的生理響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果顯示，PTFE-MPs和NFX會(huì)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(guò)氧化，但對(duì)植物可溶性糖含量無(wú)顯著影響；通過(guò)非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)比較了各處理組的代謝物變化和富集，結(jié)果表明各對(duì)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(cè)植物通過(guò)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(duì)其他代謝途徑以及生理生化途徑進(jìn)行調(diào)控，從而影響植物的生長(zhǎng)，增強(qiáng)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(xué)；生理響應(yīng)機(jī)制

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

塑料因其價(jià)格低廉、耐腐蝕、重量輕、堅(jiān)固耐用，且具有強(qiáng)大的隔熱和絕緣性能，故使用廣泛，全球塑料年產(chǎn)量達(dá)數(shù)億噸（涂晨和駱永明，2023），塑料消費(fèi)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(guò)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(gè)角落，其漫長(zhǎng)的自然降解過(guò)程中產(chǎn)生的塑料微顆粒更是無(wú)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(lái)，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(jí)和次級(jí)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(guò)水生生物體內(nèi)的生物放大和生物積累進(jìn)入食物鏈（Hamid et al，2018）。據(jù)報(bào)道，聚乙烯會(huì)對(duì)浮萍根系生長(zhǎng)產(chǎn)生阻斷作用，降低根細(xì)胞活力（Kal?íková et al，2017）；高濃度的聚苯乙烯微塑料會(huì)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(huì)對(duì)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(jī)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(guó)際環(huán)境組織的廣泛關(guān)注。

人造抗生素可以通過(guò)多種方式進(jìn)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(jìn)入人體或動(dòng)物體內(nèi)后，會(huì)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(guò)間接或直接途徑進(jìn)入環(huán)境中的抗生素會(huì)在水環(huán)境中積累并對(duì)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(huì)影響農(nóng)作物發(fā)芽率以及生長(zhǎng)狀況，Wei等（2023）的研究表明，抗生素對(duì)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(zhǎng)等。

除了微塑料本身能對(duì)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(huì)吸附和積累銅進(jìn)一步增加其對(duì)海洋微藻群的毒性（Davarpanah amp; Guilhermino，2015）；微塑料的異質(zhì)聚集物會(huì)影響萊茵衣藻的生長(zhǎng)（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(qiáng)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(jí)生產(chǎn)者之一。水蘊(yùn)草[Elodea densa（Planch.）Casp.]作為淡水沉水植物具有結(jié)實(shí)且易于培育的優(yōu)點(diǎn)，常被選作富集檢測(cè)的試驗(yàn)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(duì)經(jīng)典沉水植物水蘊(yùn)草進(jìn)行暴露試驗(yàn)以及非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)，研究水蘊(yùn)草在逆境中的生理生化調(diào)控機(jī)制，以期為微塑料和抗生素對(duì)淡水系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論支持和依據(jù)。

1 " 材料與方法

1.1 " 試驗(yàn)材料

本研究選用水蘊(yùn)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(gòu)自麥克林化學(xué)試劑公司（貨號(hào)：9002-84-0）；諾氟沙星（NFX）采購(gòu)自阿拉丁化學(xué)試劑公司（貨號(hào)：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(yùn)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(guò)挑選后的水蘊(yùn)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(jìn)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(jìn)行馴化培養(yǎng)，每個(gè)容器中扦插20株個(gè)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(yíng)養(yǎng)液，繼續(xù)馴化培養(yǎng)3 d。在預(yù)培養(yǎng)后，選取長(zhǎng)勢(shì)良好均勻的植物個(gè)體用作受試植物。

1.3 " 水蘊(yùn)草的生長(zhǎng)研究

將PTFE-MPs和NFX制成儲(chǔ)備液，儲(chǔ)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(jī)對(duì)儲(chǔ)備溶液進(jìn)行渦旋和簡(jiǎn)短超聲處理，使材料在營(yíng)養(yǎng)液中有效分散，用營(yíng)養(yǎng)液稀釋原液，制成工作溶液。

正式暴露試驗(yàn)前，通過(guò)設(shè)置多個(gè)濃度培養(yǎng)組進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)以確定植物的脅迫耐受性，預(yù)試驗(yàn)結(jié)果中，水蘊(yùn)草對(duì)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(dāng)PTFE-MPs和NFX濃度高于試驗(yàn)所選濃度（PTFE-MPs大于100 mg/L，NFX濃度大于20 mg/L）時(shí)，植株變化與試驗(yàn)最高濃度基本無(wú)差別且污染物濃度設(shè)置過(guò)高對(duì)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估無(wú)實(shí)際意義。

馴化后的水蘊(yùn)草植株移植于玻璃容器中，加入5 L 10%的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，模擬不同的環(huán)境對(duì)受試植株進(jìn)行培養(yǎng)觀察，并設(shè)置空白對(duì)照進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，各處理組濃度設(shè)置分別為：除10%的Hoagland營(yíng)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(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共12組，試驗(yàn)周期為3周，試驗(yàn)結(jié)束后立即進(jìn)行統(tǒng)一取樣并保存于超低溫冰箱中待測(cè)。試驗(yàn)期間，每天進(jìn)行水分（10%的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液）補(bǔ)充，溫度為（30±3）°C，光暗周期為14：10。

1.4 " 植物生理指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 " 株長(zhǎng) " 用直尺（精確到0.1 cm）測(cè)量每組樣品株長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算株長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)率（RRG，L），計(jì)算公式如下：

RRG，L=[lgN2?lgN1×1000t2?t1] " " " " ①

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

1.4.2 " 生物量 " 每個(gè)分組隨機(jī)撈取植株樣品3株，用超純水進(jìn)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(jī)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(zhǎng)下測(cè)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(jì)，下同。分別計(jì)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(biāo)依照試劑盒方法進(jìn)行測(cè)定，所用3種試劑盒購(gòu)買自索萊寶生物科技有限公司，過(guò)氧化物酶（POD）試劑盒貨號(hào)為BC0095，過(guò)氧化氫酶（CAT）試劑盒貨號(hào)為BC0205，丙二醛（MDA）試劑盒貨號(hào)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(jìn)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?jiān)尤? 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(guò)濾后取濾液測(cè)定。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算可溶性總糖含量（張志良，1990）。

1.5 " 基于非靶向代謝組學(xué)的檢測(cè)分析

本試驗(yàn)將P組、N組、NP組與CK組水蘊(yùn)草植株樣本進(jìn)行非靶向代謝組檢測(cè)，每組檢測(cè)6個(gè)平行樣本，共4組；并進(jìn)行對(duì)比分析，分別標(biāo)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(biāo)，4 μg/mL）；在-40°C冰箱中預(yù)冷2 min后，放入研磨機(jī)中研磨（60 Hz，2 min）；冰水浴超聲提取30 min，-40°C靜置過(guò)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(jī)相針孔過(guò)濾器過(guò)濾后，轉(zhuǎn)移到LC進(jìn)樣小瓶，-80°C下保存，直到進(jìn)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(jìn)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(dòng)相：A-水（含0.1%甲酸），B-乙腈；流速：0.35 mL/min；進(jìn)樣體積：3 μL。

離子源：ESI；樣品質(zhì)譜信號(hào)采集采用正負(fù)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(jì)分析

采用Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示；采用SPSS 25進(jìn)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(duì)水蘊(yùn)草在不同處理下的各參數(shù)變化進(jìn)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(yùn)草對(duì)環(huán)境變化的生理響應(yīng)

圖1a顯示了不同處理下水蘊(yùn)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(zhǎng)量和株長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)增長(zhǎng)被稍微抑制，低于總體水平（圖1c）。

P組和N組水蘊(yùn)草植株與CK組植株樣本對(duì)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(duì)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(yùn)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(wú)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(yùn)草的代謝組學(xué)分析

在本研究中，建立多元統(tǒng)計(jì)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(gè)組的樣本都有較好的聚集情況，即在試驗(yàn)過(guò)程中每組的生物學(xué)重復(fù)間差異較小，組內(nèi)變異在正常范圍內(nèi)?？傮w來(lái)講，運(yùn)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(cè)得到代謝物共6 253種，其中，負(fù)離子模式下共檢測(cè)出2 851種代謝物，正離子模式下共檢測(cè)出3 402。2種模式下的差異代謝物表達(dá)模式相似，但數(shù)量上有所差異，正離子模式下檢測(cè)到的差異代謝物更多，這證明與水蘊(yùn)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(cè)所得差異代謝物根據(jù)其化學(xué)分類歸屬信息進(jìn)行分類，其中，除未分類化合物所占比例13.71%外，被檢測(cè)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(jī)雜環(huán)化合物（organoheterocyclic compounds）占比13.43%，有機(jī)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(duì)P組、N組以及NP組的水蘊(yùn)草植株對(duì)比CK對(duì)照組進(jìn)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(yùn)草植株對(duì)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(jìn)行可視化分析，如圖3b、3c、3d。其中，P組對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)還選取了各處理組前50種差異代謝物進(jìn)行聚類分析（圖4、5、6）。結(jié)果顯示，各對(duì)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(duì)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(jī)酸及其衍生物2種，烴類化合物1種，有機(jī)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(jī)酸及其衍生物1種，有機(jī)含氧化合物1種及2種有機(jī)含氮化合物。

N-CK對(duì)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(jī)酸及其衍生物1種，有機(jī)雜環(huán)化合物4種，苯基丙酮和多酮類化合物1種，有機(jī)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(jī)酸及其衍生物2種，有機(jī)雜環(huán)化合物1種，有機(jī)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(duì)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(jī)酸及其衍生物5種，有機(jī)含氧化合物3種，有機(jī)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(duì)顯著差異代謝通路途徑進(jìn)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(yùn)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(xì)胞膜的組成部分，賦予其流動(dòng)性和柔韌性，有助于細(xì)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(zhǎng)（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(xì)胞調(diào)節(jié)的核心方面（Piomelli，1993）。

NFX處理組水蘊(yùn)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(duì)植物調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，保護(hù)植物免受環(huán)境傷害具有重要作用。

聯(lián)合處理組水蘊(yùn)草植株中卵磷脂顯著增加（Plt;0.05），其增加倍率高達(dá)2 043倍，卵磷脂是膽堿的前體，是所有活細(xì)胞細(xì)胞膜的主要成分，它通過(guò)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(gè)對(duì)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(cè)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(guò)暴露試驗(yàn)以及非靶向代謝組學(xué)技術(shù)，對(duì)PTFE、NFX以及兩者聯(lián)合處理下的水蘊(yùn)草進(jìn)行了生理代謝的研究，并與空白組分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。暴露試驗(yàn)結(jié)果顯示，單PTFE-MPs暴露主要影響水蘊(yùn)草的生理效應(yīng)，且影響比較??；而單NFX暴露會(huì)誘導(dǎo)水蘊(yùn)草抗逆酶活性和光合調(diào)節(jié)，總體來(lái)說(shuō)，NP組植株樣本2種抗逆酶活性都高于其他3個(gè)組，水蘊(yùn)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(zhǎng)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(dú)暴露下的毒性，植株反應(yīng)更為強(qiáng)烈，這些代謝活動(dòng)在應(yīng)對(duì)脅迫方面具有不同的功能，會(huì)發(fā)揮協(xié)同保護(hù)作用，維持細(xì)胞穩(wěn)定性和植物生長(zhǎng)（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(shí)，通過(guò)積累糖類大分子化合物，維持自身水分平衡、提高細(xì)胞滲透壓和保護(hù)細(xì)胞膜（Dong et al，2024），以增強(qiáng)自身抗逆性，對(duì)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(xì)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(jī)制加深了NFX對(duì)水草植株的毒性作用，其主要毒性可能主要來(lái)自于過(guò)量的抗生素，微塑料在這一過(guò)程中起到了富集和轉(zhuǎn)運(yùn)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(dòng)（Wang et al，2019），推測(cè)水蘊(yùn)草在不同逆境中通過(guò)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(zhǎng)。PTFE-MPs及NFX處理后的水蘊(yùn)草樣本與空白組對(duì)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(jī)酸及其衍生物，脂類的主要生理作用為供能儲(chǔ)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(hù)和保溫作用（Bullon，2014），而有機(jī)酸的主要作用為促進(jìn)植物生長(zhǎng)以及提高植物抗逆性，這些代謝物的調(diào)節(jié)可能對(duì)水蘊(yùn)草植株維持細(xì)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(yùn)蛋白、不飽和脂肪酸的生物合成等，不同處理下的水蘊(yùn)草通過(guò)提高或降低氨基酸、脂質(zhì)等代謝途徑中代謝物的含量，進(jìn)而改變半乳糖、氨基酸及脂類等代謝過(guò)程，此過(guò)程有助于維持細(xì)胞形態(tài)，平衡氧化脅迫，減少微塑料和抗生素對(duì)水蘊(yùn)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(hào)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(guò)度氧化帶來(lái)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(zhǎng)。推測(cè)琥珀酸等有機(jī)酸會(huì)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(huì)增加，有利于細(xì)胞膜的流動(dòng)性，從而削弱植物所受毒害，增強(qiáng)植物逆境適應(yīng)能力。另外，植物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用水解ATP產(chǎn)生的能量，完成對(duì)小到各種離子大到蛋白的各種各樣物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而調(diào)節(jié)植物生理活動(dòng)，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(yùn)草植株生長(zhǎng)生理指標(biāo)的關(guān)系，對(duì)比了PTFE-MPs和NFX 2種污染物對(duì)水蘊(yùn)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(píng)價(jià)了水蘊(yùn)草植株的抗逆機(jī)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(duì)水蘊(yùn)草影響效應(yīng)大多體現(xiàn)為生理效應(yīng)，而NFX對(duì)水蘊(yùn)草生物毒性顯著。此外，由于PTFE-MPs與NFX的相互作用機(jī)制，會(huì)加劇NFX對(duì)水蘊(yùn)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(yùn)草植株的損傷程度。

（2）PTFE-MPs和NFX處理后的植株差異表達(dá)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(jī)酸和有機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證了PTFE-MPs和NFX 2種污染物的相互作用會(huì)對(duì)水蘊(yùn)草植株產(chǎn)生負(fù)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(yùn)和傳遞，并將非靶向代謝組檢測(cè)出的顯著相關(guān)代謝物進(jìn)行靶向鑒定，量化其大小，以驗(yàn)證2種污染物的實(shí)際影響，提高結(jié)論可靠性，對(duì)生物生理毒性和生態(tài)修復(fù)提供實(shí)際意義。

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（責(zé)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