文章标题：Environmental hazard profile of gadolinium (Gd³⁺): Mechanistic insights into its ecotoxicity towards Euglena gracilis from a multi-level investigation

发表期刊：Environmental Research

影响因子：7.7

客户单位：大理大学

百趣提供服务：经典脂质组学

研究背景

稀土元素作为新兴的环境污染物，对微藻等水生初级生产者的生态毒理学威胁日益严重，因此探究其毒性机理对评估生态风险至关重要。本研究通过整合生理学、超微结构和非靶标代谢组学方法，揭示了稀土污染物钆(Gd³⁺)对纤细裸藻造成的多水平不良影响。Gd³⁺表现出强烈的剂量依赖性毒性，在80 μmol/L时导致纤细裸藻发生35.77%的生长抑制，同时引发生命体形态受损和严重的叶绿体损伤。非靶标代谢组学研究结果揭示了一种代谢重编程机制：Gd³⁺诱导细胞损伤的主要靶点是脂质代谢，其占差异代谢物的65.8%，具体表现为溶血磷脂水平显著上调、信号分子12-HETE增加近400倍，关键生物能量途径如氧化磷酸化受到扰动。Gd³⁺通过直接损伤叶绿体、重编程脂质代谢，导致纤细裸藻细胞膜破坏、信号传导异常及能量代谢紊乱。本研究最终强调，脂质代谢紊乱是稀土元素诱导有害效应的关键潜在敏感生物标志物，为环境风险评估和建立水质基准提供了重要理论依据。

研究结论

01.稀土元素对纤细裸藻生长的差异化影响Gd³⁺的选择依据

本研究探究了16种不同浓度的稀土元素(Rare Earth Elements, REEs)对纤细裸藻(Euglena gracilis)生长的影响。结果表明，稀土元素具有明显的元素特异性、浓度依赖性（通常表现为低浓度促进和高浓度抑制的兴奋效应），并且对纤细裸藻的生长具有培养条件依赖性的调节作用。在混合营养条件下，几种稀土元素在特定低浓度下对纤细裸藻的生长有显著促进作用，如镧(La³⁺)等轻稀土元素(LREEs)和镥(Lu³⁺)、钬(Ho³⁺)等重稀土元素(HREEs)。其中Lu³⁺在2.8 μmol/L时的促进作用最高，达到62.22%（表1）。钆(Gd³⁺)作为中稀土元素(MREEs)，在所有浓度下都显著抑制纤细裸藻的生长，且抑制作用随着浓度增加而增强；当浓度为280 μmol/L时，Gd³⁺对细胞生长的抑制率为60.00%，某些重稀土元素如钪(Sc³⁺)也表现出较强的抑制作用。在自养条件下，稀土元素对纤细裸藻的生长产生不同影响，例如，在混合营养条件下强烈抑制生长的Gd³⁺，在自养条件下中等浓度（14-35 μmol/L）时反而促进其生长（图1A、C）。

Gd³⁺是一种具有明确环境相关性的新兴人为源污染物，与许多表现出复杂兴奋效应的稀土元素（包括部分轻稀土、重稀土）不同，其在混合营养条件下表现出稳定的、强效且剂量依赖的抑制作用。此外，Gd³⁺在各种氧化还原条件下几乎完全以稳定的三价（3+）状态存在，通常被用作标准化和计算氧化还原敏感性稀土元素（如铈（Ce/Ce*）和铕（Eu/Eu*））浓度异常的基准。因此，作者选择Gd³⁺作为模式稀土元素进行深入的毒理机制研究。

表1. 混合营养条件下16种稀土元素不同浓度对纤细裸藻的生物学效应

图1. 不同浓度的16种稀土元素对纤细裸藻的生物学效应

02.Gd³⁺对纤细裸藻的生长、表型和细胞结构的剂量依赖性影响

为证实和量化Gd³⁺的毒性效应，作者研究了在混合营养条件下不同浓度（0、6、16、80、160 μmol/L）的Gd³⁺对纤细裸藻的影响。结果表明，其对纤细裸藻的生长具有强烈的抑制作用，并呈剂量依赖性。随着Gd³⁺浓度的增加，细胞密度增长速率显著减慢，比生长率大幅下降，生长抑制率急剧上升，在80 μmol/L Gd³⁺时达到35.77%；生物量也随Gd³⁺浓度升高而显著降低，80 μmol/L Gd³⁺处理组的生物量比对照组低16.34%（图2）。

图2. Gd³⁺浓度对纤细裸藻生长动态和生物量积累的影响定与分析

Gd³⁺诱导的生长抑制还伴随培养物和细胞表型的显著异常：80 μmol/L Gd³⁺处理的培养物最初为鲜艳绿色，从第6天开始逐渐变黄，指示细胞健康状况恶化；显微观察发现，Gd³⁺胁迫诱导纤细裸藻细胞形态发生剧烈改变——对照组中占主导的健康细长纺锤形细胞，其比例在处理后急剧下降，例如第10天时，该形态细胞占比从对照组的60.60%降至80 μmol/L Gd³⁺处理组的25.14%，同时异常或应激诱导的圆形、不规则卵圆形细胞占比显著升高（图3）。

图3. Gd³⁺暴露对纤细裸藻宏观表型和微观形态的调节作用

在亚细胞水平，透射电镜观察到80 μmol/L Gd³⁺对纤细裸藻的细胞器造成严重损伤：对照组细胞的叶绿体为规则纺锤形，内部类囊体膜整齐堆叠；而 Gd³⁺胁迫下，叶绿体明显肿胀、呈不规则圆形，内部类囊体膜系统紊乱、松散甚至解体，类囊体片层间空间扩大。同时，对照组细胞的细胞质中电子致密黑点极少，而Gd³⁺处理组细胞的液泡数量和体积显著增加，部分液泡含深色电子致密物质，且细胞内的副淀粉颗粒和脂滴更显著，提示存在广泛的细胞器应激和结构重塑。这些电镜观察表明，Gd³⁺可能优先在叶绿体和液泡中积累或发挥作用。定量形态计量学分析进一步验证了上述定性观察，与对照组相比，Gd³⁺处理组细胞的平均叶绿体面积、液泡与细胞质面积比均显著升高（图4）。

图4. 混合营养条件下Gd³⁺胁迫诱导纤细裸藻叶绿体超微结构重构的透射电镜分析结果

03.Gd³⁺胁迫对纤细微藻光合色素和副淀粉代谢的影响

作者进一步研究Gd³⁺对光合色素和主要储存碳水化合物副淀粉的影响。结果表明，80 μmol/L Gd³⁺处理显著抑制了纤细裸藻光合色素的积累，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的总含量分别比对照组降低了24.21%、64.54%和14.53%（图5A）。而当在单细胞水平分析时，每个细胞的总叶绿素含量（叶绿素a+b）增加了8.36%（图5B），这归因于单细胞叶绿素a和类胡萝卜素含量显著增加，而单细胞叶绿素b含量明显降低（图5C）。这些结果表明，在Gd³⁺胁迫下，单个细胞内的色素水平发生了复杂的变化。

此外，Gd³⁺胁迫也显著降低了藻体中贮藏碳水化合物副淀粉的积累量，其中80 μmol/L 处理组比对照组减少了16.52%（图5D）。与光合色素观察到的趋势相似，Gd³⁺处理后，每个细胞的副淀粉含量显著增加了27.29%（图5E）。

培养8天后，含有纤细裸藻的培养基中Gd³⁺浓度降低了23.7%（图5F），表明培养基中Gd³⁺的减少可能是通过生物吸附或细胞内生物累积实现的。该去除水平显著低于先前报道的纤细裸藻对其他稀土元素（如Ce³⁺在废水处理方案中吸收率可达90%）的富集效率。

作者进一步对酸性Cramer-Myers(CM)培养基中Gd³⁺的化学形态进行探究，Visual MINTEQ的结果预测，游离水合离子(Gd³⁺)是绝对优势化学形态（>99.9%），碳酸盐或磷酸盐络合物形式可忽略不计。该结果证实了观察到的毒性可归因于游离Gd³⁺离子，并且培养基中Gd³⁺浓度的降低主要是由于生物摄取造成的。

图5. Gd³⁺胁迫对纤细裸藻副淀粉及光合色素合成的影响

04.Gd³⁺胁迫诱导以脂质代谢为核心的全局代谢网络重编程

为全面分析Gd³⁺胁迫下纤细裸藻的分子响应机制，作者采用非靶标代谢组学方法研究其代谢谱的整体变化。代谢组学数据的主成分分析(PCA)显示，80 μmol/L Gd³⁺处理组(Gd)和对照组(PT)的代谢谱存在清晰分离（图6A）；OPLS-DA模型具有优异的预测能力，表明Gd³⁺胁迫引起细胞整体代谢状态的显著改变。

火山图分析结合OPLS-DA模型的VIP值，共鉴定出73种显著差异代谢物，与对照组相比，Gd³⁺处理组中有49个代谢物上调、24个代谢物下调（图6B）。

对这些差异代谢物进行KEGG通路分析，结果表明 “脂质及其衍生物” 是受扰最显著的代谢模块，占所有鉴定差异代谢物的65.8%（图6C）；此外，“有机酸” 和 “氨基酸及其衍生物” 相关的代谢物也受到显著影响。层次聚类热图分析进一步可视化了不同样品中差异代谢物的相对丰度模式，清晰区分了处理组与对照组，并凸显了上调、下调代谢物的聚类特征（图7）。综上，这些分析结果凸显了Gd³⁺对纤细裸藻代谢网络的广泛扰动，且脂质代谢是核心响应模块。

图6. 纤细裸藻在Gd³⁺胁迫下的非靶标代谢组学分析

图7. Gd³⁺处理组差异代谢物表达谱的层次聚类热图

05.Gd³⁺胁迫下纤细裸藻特定代谢物及KEGG通路的变化

在上调的脂质代谢物中，溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)和溶血磷脂酸(LPA)显著增加，炎症介质前体12-羟基二十碳四烯酸(12-HETE)含量增加了约400倍。同时，二酰基甘油(DG)、硫代异鼠李糖甘油二酯(SQDG)和磷脂酰肌醇(PI)等脂质代谢物显著下调。

非脂质差异代谢物中，氨基酸代谢通路相关产物变化显著：各种二肽（如酪氨酰-苯丙氨酸）和芳香族氨基酸（如L-苯丙氨酸）显著上调，而L-天冬酰胺含量下调。在有机酸代谢中，甘露醇、琥珀酸等化合物上调，提示细胞可能通过调整渗透平衡或强化胁迫防御反应适应Gd³⁺胁迫。此外，特定萜类化合物、生物碱、核苷等次级代谢物及基本代谢成分的含量也发生显著变化。

为探究Gd³⁺诱导的代谢物变化所关联的通路扰动，作者对差异代谢物进行 KEGG 通路富集分析，发现 Gd³⁺胁迫显著影响了纤细裸藻的次级胆汁酸生物合成、氨酰-tRNA生物合成、氧化磷酸化及ABC转运蛋白等核心生物学过程（图8）。

图8. 差异代谢物的KEGG通路富集分析

研究总结

本研究系统阐述了稀土元素钆(Gd³⁺)的重要生态毒理机制。研究结果表明，Gd³⁺作为一种新兴的人为源环境污染物，其对纤细裸藻的生长抑制具有显著剂量依赖性，造成多水平生理损伤——包括直接破坏叶绿体超微结构、扰乱光合色素与副淀粉的代谢平衡，且诱导以脂质代谢重编程为核心的全局代谢紊乱。这些研究结果为稀土元素污染的环境风险评估、水质基准制定及生态保护策略优化提供重要理论基础。