结果

1.CWs污染物去除性能的变化

本研究通过180天的实验，全面评估了NPs对CWs中污染物去除效能的影响。结果显示，NPs组的化学需氧量（COD）去除率低于未处理组1.19倍，暗示NPs可能干扰湿地中的碳水化合物代谢；氮素去除方面，NPs组的NH4+-N和NO3−-N去除率分别下降了8.04%和15.80%，总氮（TN）去除效率也降低了1.22倍，表明100微克/升的NPs可能导致氮去除过程中的急性和中期抑制。尽管短期内NPs对污染物去除产生负面影响，但预计随着时间推移，NPs组的污染物去除性能将逐步恢复，这与人工湿地系统的强韧性和自我恢复能力相符。先前研究表明，人工湿地在面对冲击负荷时具有显著的适应性和恢复力，进一步强调了其在废水处理和环境修复领域的重要地位。

图1. NPs暴露下COD、NH4+-N、NO3−-N和TN去除效率的时间变化

2.NPs暴露引起微生物毒性

在本研究中，通过荧光标记和显微镜观察发现NPs被微生物内吞并可能引起细胞毒性效应。NPs暴露导致活性氧（ROS）产生量显著增加4.68倍，并伴随着丙二醛（MDA）含量升高2.42倍，提示NPs可能引起膜损伤。为了应对ROS积累，微生物增强了抗氧化酶如过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性来减轻细胞毒性。此外，NPs暴露还破坏了细胞膜完整性和铁离子稳态，引发铁载体合成增加以补偿铁离子流失。随着NPs暴露频率的增加，微生物展现出适应性机制，表现为抗氧化酶活性、铁载体浓度以及ROS和MDA水平的下降，同时总铁离子浓度上升，这表明微生物通过调节铁载体生产和转运来适应NPs引起的铁稳态失衡。

图2. 显示微生物细胞内区域中NPs的荧光图像（A）；抗氧化酶活性、ROS水平、MDA含量（B）、总铁离子和铁载体浓度（C）对NPs积累的响应。UN和CK代表未添加NPs的样品；STA代表添加NPs后180天人工湿地运行稳定时的样品

3.NPs暴露引起的细胞铁缺乏会触发铁载体转运系统

微生物进化出了精细机制来调节铁离子的吸收、存储和解毒作用，以维持细胞内的铁离子稳态。核心机制涉及铁载体的生物合成和分泌，这些小分子能在低浓度铁环境下高效螯合Fe(III)，并通过特定的外排泵系统分泌到细胞外。本研究使用宏基因组测序技术探讨了NPs暴露对铁载体运输系统的影响。结果显示，NPs组中编码铁载体分泌蛋白的基因表达显著增加，促进了铁-铁载体复合物的合成；同时，铁摄取相关基因的表达也增加了，反映出对铁剥夺状态的有效响应。铁载体的合成与吸收受到Fur家族蛋白的调控，NPs处理后Fur蛋白相对丰度的降低表明铁载体合成被激活。此外，NPs组中Fur蛋白编码基因的相对丰度上升，有助于缓解铁过载。铁载体介导的铁吸收机制在NPs暴露情况下启动，虽然耗费能量，但确保了足够的铁供应，支持微生物生长。一旦实现铁稳态，微生物会调整策略，减少铁载体途径的使用，以更高效地分配能量资源。这种适应性机制展示了微生物如何在变化的环境中平衡即时生存需求与长期能量优化。

图3. 微生物在暴露于NPs时铁载体运输和调节的机制

4.NPs破坏微生物代谢

电子传递链（ETC）复合物产生的质子梯度被ATP合成酶利用来催化ATP的生成，这是细胞代谢和生存的关键过程。NADH作为主要的电子供体，驱动电子传递链进行ATP合成。研究表明，与未处理组相比，NPs组的NADH水平较低，导致电子传递受限，进而影响ATP的生成。此外，NPs组的电子传递系统活性显著下降，可能是因为铁剥夺影响了线粒体中依赖铁的电子传递链蛋白的功能，包括血红素和铁硫簇。这些变化导致ATP产量减少，并且细胞活性降低了23.85%，提示NPs暴露可能抑制了细胞代谢。低水平的NADH、电子传递系统活性、ATP以及细胞活性表明，氮代谢这类ATP密集型过程可能因ETC无法提供足够ATP而受到影响。氮代谢还依赖于硝酸盐还原酶（NIR）和亚硝酸盐还原酶（NAR）等关键酶的活性。NPs组中这些酶的活性分别下降至未处理组的48.14%和99.08%，这可能是由于铁离子优先分配给了超氧化物歧化酶（SOD），以减轻氧化损伤，从而损害了NAR和NIR的活性并降低了氮去除效率。

图4. NADH（A）、ETSA（B）、ATP（C）、细胞活力（D）、NAR（E）和 NIR（F）水平对NPs积累的响应。UN和STA 分别代表未处理组和稳定阶段

5.NPs改变微生物共生模式

本研究通过微生物共现网络分析探讨了NPs暴露对微生物群落的影响。结果显示，NPs暴露导致微生物网络的稳定性降低，反映在模块性指数的变化上。为了适应这一变化，微生物群落通过铁载体介导的铁摄取机制增强了其营养获取能力和多样性。在种间互作模式中，NPs暴露促进了资源利用型微生物之间的合作，增加了网络中正相关边的比例。研究还观察到，涉及铁载体吸收的基因表达量随时间逐渐减少，符合黑色皇后假说中关于最小化昂贵分子生产的观点。此外，NPs暴露似乎削弱了微生物间的有效通信能力，表现为平均路径长度的增加，这可能影响氮代谢过程。在网络结构中，反硝化细菌的相对丰度增加，而硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的丰度下降，这可能是对电子缺乏的一种补偿性反应。网络中的“枢纽节点”分析显示，反硝化细菌在未处理组和稳定阶段扮演着更为关键的角色，而硝化细菌则在早期阶段起主导作用。这些发现强调了NPs暴露下，硝化过程对于缓解电子缺乏状态的重要性，并揭示了植物如何在环境压力下招募具有特定功能需求的微生物类群。

图5. 未处理组（A）和NPs组（早期阶段（B）和稳定阶段（C））中的微生物共现网络。响应NPs暴露的节点级拓扑特征（度和接近中心性）的比较（D）

6.NPs暴露介导铁利用和氮转化的交集

本研究探讨了NPs暴露对微生物细胞内铁含量及其对氮代谢的影响。铁的氧化还原反应与氮转化过程紧密相关。研究发现，NPs暴露下，微生物通过铁载体介导的吸收机制维持铁稳态，但Fe3+需要还原为Fe2+才能有效利用。NPs组中，与厌氧氨氧化相关的基因相对丰度增加，而与硝化过程相关的基因相对丰度减少，这表明Fe3+与亚硝酸之间可能存在电子竞争，抑制了氨氮和亚硝酸的氧化。此外，NPs组初期与电子产生和传输相关的基因表达增加，促进了Fe3+还原。研究还发现，NPs暴露下调了与反硝化相关的基因表达，因为NPs内化导致细胞内铁含量降低。这些结果揭示了微生物在NPs暴露下通过复杂的策略适应铁缺乏，并影响氮代谢的过程。铁离子随后被用于合成依赖铁的蛋白质，参与多种代谢和调节功能。本研究不仅增进了我们对微生物中铁利用与氮转化之间相互作用的理解，也为未来的环境修复策略提供了重要的科学依据。

图6. NPs暴露下的铁氮耦合机制

结论

纳米塑料（NPs）的细胞内化被认为是一种潜在的干扰因素，它导致细胞内铁离子的泄漏。为了应对这种细胞内铁的缺乏，铁载体的生物合成及其摄取在转录层面得到了上调，这有助于在NPs存在的环境中促进微生物的铁螯合，进而支持其生长和代谢。值得注意的是，进入细胞的铁离子似乎在氮转化过程中与其他电子受体竞争，从而限制了氮代谢中的电子转移过程。此外，细胞内铁的不足可能会对总表面积（ETSA）及与氮代谢相关的关键酶活性产生负面影响。结果表明，在未处理组中，总氮（TN）的去除效率分别比NPs组的早期和稳定阶段高出1.43倍和1.01倍。这项研究为进一步探索微生物中铁利用与氮代谢之间复杂的相互作用提供了新的视角。

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