南昌大学生生不息团队微藻生物技术组张琦WR:

与Chlorella sp.的相互作用重塑阿斯巴甜的环境命运：从应激反应到污染物失稳

第一作者：张龙飞

通讯作者：张琦

通讯单位：南昌大学食品科学与资源挖掘国家重点实验室、生物质转化教育部工程中心

图片摘要

成果简介

近日，南昌大学食品学院张琦副研究员团队在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为“Crosstalk with Chlorella sp. Reshapes the Environmental Fates of Aspartame: From Stress Responses to Contaminant Destabilization”的论文。文中阐明了阿斯巴甜及其转化产物与Chlorella sp.之间的互作机制，并首次发现Chlorella sp.促进阿斯巴甜转化产物异构化的证据。相关结果对进一步认识阿斯巴甜在自然水体中的迁移转化规律提供了补充，有助于加深对其环境行为的理解。

引言

阿斯巴甜（Aspartame, APM）已被证实能促进抗生素抗性基因的传播，并与自来水中的余氯发生反应形成消毒副产物，表明了其潜在的生态风险。APM在自然水体中的生态风险与其环境归趋相关。通常情况下，APM在pH 3.4-5范围内稳定。当pH < 3.4时，其水解生成天冬氨酸、苯丙氨酸衍生物（苯丙氨酸甲酯、苯丙氨酸）以及天冬酰胺-苯丙氨酸。在碱性条件下，APM发生环化和脱甲醇化反应，生成5-苄基-3,6-二氧代-2-哌嗪乙酸（二酮基哌嗪类化合物，DKP）。由于自然水环境的pH为6-9，这可能会使得APM主要生成DKP。然而，APM及其转化产物进入自然水系统后对生态系统的影响仍不明确。模式生物（斑马鱼、微藻）作为生物指示物，可用于研究污染物与水生生物的相互作用。微藻作为水生生态系统中的关键初级生产者，能通过调控生物量积累、光合作用活性及抗氧化系统对污染物胁迫作出灵敏响应，并具备去除污染物的潜力，是评估新兴污染物潜在风险的理想模式生物。本研究以Chlorella sp.作为模式生物，采用靶向和非靶向高分辨率质谱技术，阐明APM在水解、光解及Chlorella sp.作用下的转化规律，并在黄河、长江和赣江水样中进行验证。同时从宏观（生理指标）和微观（分子生物学）的角度系统评估APM及其转化产物与Chlorella sp.的相互作用机制。

图文导读

图1. APM50在水解、光解及Chlorella sp.作用下的转化规律（a-c）；（2S,5S）-DKP及其异构体在Chlorella sp.（暴露于APM200）T-EPS中的检出（d）；标准物质总离子流图（e）；APM与（2S,5S）-DKP在水解、光解及Chlorella sp.作用下的总离子流图（f）；DOM与pH对APM转化的影响（g，h）；（2S,5S）-DKP异构化鉴定（i）。

APM在水环境中主要水解成（2S,5S）-DKP，光解贡献有限。Chlorella sp.通过升高pH值加速了该过程（图1a），并进一步催化（2S,5S）-DKP的异构化——该过程在非生物条件下极少被观察到，揭示了Chlorella sp.的生物催化作用。除了（2S,5S）-DKP及其异构体外，苯丙氨酸甲酯、苯丙氨酸、天冬氨酸及α/β-天冬酰胺苯丙氨酸也被鉴定，其中β-天冬酰胺苯丙氨酸仅存在于含有Chlorella sp.的处理组中。同时，Chlorella sp.外排的可溶性有机物（Dissolved organic matter，DOM）并没有影响APM的转化（图1g），pH是决定其转化的主要因素（图1h）。此外，APM在长江、黄河和赣江水样中会100%发生转化，（2S,5S）-DKP的生成率>75.6%并观察到略微的异构化现象。这些发现丰富和发展了前期关于APM在缓冲体系中的普遍认知，图2进一步阐明了APM在水解、光解及Chlorella sp.作用下的转化路径。

图2. APM在水解、光解及Chlorella sp.作用下的推测转化途径。

图3. APM对Chlorella sp.生物量的影响（a，b）；Chlorella sp.光合色素组成与ROS水平变化（c，d）；APM对Chlorella sp.Fv/Fm及液相体系pH的影响（e，f）。

图4. Chlorella sp.生物量与色素对APM转化产物的响应（a，b）；Chlorella sp.胞内ROS水平与Fv/Fm变化（c，d）；不同体系中（2S,5S）-DKP浓度与pH动态变化情况（e，f）。

Chlorella sp.对APM的响应表现出生物量积累减缓、光合色素组成改变、光合作用活性降低及氧化损伤效应，这些现象最初暗示APM诱导的胁迫效应（图3）。Chlorella sp.在生长后期的恢复表明其在维持水生生态系统稳态方面具有较强的潜力（图3）。此外，（2S,5S）-DKP的羧基导致了不同浓度APM处理组间的pH差异，可能也是影响Chlorella sp.新陈代谢的因素之一（图3f）。随后，（2S,5S）-DKP（APM主要转化产物）的回加实验以及pH对Chlorella sp.影响的实验表明（2S,5S）-DKP是诱导Chlorella sp.积累ROS的主要驱动因素，而不同浓度的（2S,5S）-DKP造成组间pH的差异是导致Chlorella sp.生物量、光合色素组成和光合作用存在差异的主要原因。同时，（2S,5S）-DKP异构化的机制被证实由pH和Chlorella sp.的催化作用共同介导，其中Chlorella sp.在异构化过程中具有主导作用（图4e）。重要的是，长江、黄河和赣江水样pH的稳定以及Chlorella sp.介导（2S,5S）-DKP的异构化（异构化率为46.7%）均表明了Chlorella sp.在自然水体中对APM及其转化产物的耐受性和利用潜力。

图5. APM200与APM0的KEGG注释分析（a），APM200与APM0的KEGG富集和弦图（b），APM200与APM0的差异表达基因（c）（OP，氧化磷酸化；VBM，维生素B6代谢； BER，碱基切除修复；MR，错配修复；AAM，抗坏血酸与羧酸代谢；AAGM，丙氨酸、天冬氨酸与谷氨酸代谢；PM，苯丙氨酸代谢；AAPM，精氨酸与脯氨酸代谢；TCA，三羧酸循环；ABC，ABC转运蛋白；NM，氮代谢；GG，糖酵解/糖异生； PPER，内质网蛋白质加工；CFPO，光合生物中的碳固定）。

图6. APM与Chlorella sp.之间的相互作用机制

转录组的结果进一步证实APM暴露12天时，Chlorella sp.在代谢通路、光合作用及环境信息处理（膜转运）方面呈现重编程机制，表明Chlorella sp.在应对APM及其转化产物的影响进行适应性调整（图5）。例如调控Chlorella sp.光系统核心蛋白基因的下调，编码光系统II外围蛋白和光合天线蛋白的上调表明光合系统的重编程和后期恢复的潜力。与谷胱甘肽、抗坏血酸和维生素B6相关酶的基因上调表明Chlorella sp.正在修复氧化应激损伤。此外，编码ABC转运蛋白和相关氨基酸（天冬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、组氨酸、精氨酸和脯氨酸）代谢通路基因的上调表明Chlorella sp.正在增强对APM转化产物的摄入或催化（图6），证明了其对APM转化产物的生物利用性，有利于降低水环境中APM的潜在风险。

小结

本研究首次直接证实了APM与Chlorella sp.的相互作用。结果表明进入自然水体（长江、黄河和赣江）的APM主要转化为（2S,5S）-DKP和甲醇，其中（2S,5S）-DKP是Chlorella sp.细胞内ROS积累的主要驱动因子。同时，Chlorella sp.通过重塑光合作用系统、抗氧化机制和能量代谢途径并催化（2S,5S）-DKP异构化，有效缓解了ROS的积累，表现出维持细胞稳态的潜力。值得注意的是，APM在水环境中转化规律的阐明似乎有助于消除其诱导抗性基因的传播以及消毒副产物产生的担忧。尽管（2S,5S）-DKP异构体相关的潜在影响虽不似预期严重，但仍需进一步研究。

本项目得到了江西省自然科学基金杰出青年基金项目和南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室自由探索课题的资助。

作者简介

通讯作者：张琦 南昌大学副研究员、硕士生导师、博士后，中国藻业协会会员，江西省生态饲养学会理事。2019年入选国家“博士后创新人才支持计划”，2022年入选江西省主要学科学术和技术带头人培养计划--青年人才，2024年入选江西省杰出青年基金项目。主要从事畜禽沼液的微藻生物膜法资源化技术、高效微藻光生物反应器的开发设计与优化相关领域的科研与教学工作。主持国家级项目2项；省部级项目7项；横向5项。以第一/通讯作者在Water Research、Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Journal等期刊上发表SCI论文26篇【中科院1区/TOP 20篇，IF>10论文17篇】；申请发明专利9项。受邀担任SCI期刊Biocontaminant、Foods、Frontiers in Microbiology、Frontiers in Energy Research客座编辑，以及水生态学杂志青年编委。

通讯邮箱：zhangqi09300218@163.com;zhangqi093115@ncu.edu.cn

第一作者：张龙飞 博士研究生，现就读于南昌大学食品学院。目前以第一作者在Water Research、Journal of Environmental Management、环境科学等期刊上发表论文4篇，其中封面文章1篇。联系邮箱：zhang_longfei@hotmail.com

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124650