海洋学院海洋微型生物多样性与进化团队李丽芳教授课题组近日在环境毒理学领域取得重要突破，通过以单细胞真核模式生物（如草履虫和游仆虫）为研究对象，系统揭示了水生微生物对重金属、全氟化合物、微塑料等常见污染物的分子响应机制。相关研究成果分别发表于Journal of Hazardous Materials（两篇）、Environmental Chemistry and Ecotoxicology、Ecotoxicology and Environmental Safety、Environmental Pollution、Marine Environmental Research等国际知名期刊，为理解污染物对水生微生物的毒性效应及生态风险提供了新视角。以下是系列进展的详细内容：
01 微纳塑料的尺寸依赖性毒性作用机制
该研究系统评估了聚苯乙烯微纳塑料（PS-MNPs）对草履虫的毒性机制。塑料污染日益严峻，微纳塑料可通过食物链传递并威胁生态系统。团队选取50 nm、500 nm和5 μm三种尺寸PS颗粒，发现毒性呈尺寸依赖性：500 nm颗粒毒性最强，遵循“500 nm > 50 nm > 5 μm”规律。这些颗粒抑制种群生长，引发氧化应激、线粒体紊乱和生物分子损伤，草履虫通过提升抗氧化酶活性启动解毒。转录组显示其能量代谢、DNA修复通路受干扰，加权基因网络鉴定出pss2、acsf2等枢纽基因，与毒性效应高度相关。该成果发表于《Journal of Hazardous Materials》（中科院一区Top期刊，影响因子11.3），打破了“颗粒越小毒性越强”的认知，揭示了原生动物摄食特性与颗粒尺寸的匹配关系在毒性中的关键作用（Ni et al., 2025）。
草履虫响应PS-MNPs的生物学通路示意图
02锌胁迫下草履虫的解毒机制研究
该研究以水环境中常见的多小核草履虫Paramecium cf. multimicronucleatum为对象，探讨了环境污染物锌胁迫的分子机制。随着工业发展，锌在水生生态系统中的污染问题日益严重，可通过食物链富集并干扰生物正常功能。团队通过分析不同浓度锌离子暴露对草履虫种群生长、转录组和抗氧化酶的影响，发现长期锌暴露会抑制种群生长，且响应呈剂量和时间依赖性。转录组分析显示，吞噬体通路可能介导锌吸收，而ABC转运蛋白和Na+/K+转运ATP酶参与锌外排和渗透压平衡。锌积累引发DNA损伤、线粒体紊乱和氧化应激，同时金属离子结合、能量代谢等相关基因表达显著变化。抗氧化酶（如SOD、CAT）活性在第4天达峰值，启动解毒机制以维持细胞内稳态。该成果发表于《Journal of Hazardous Materials》（中科院一区Top期刊，影响因子14.2），揭示了锌胁迫对细胞结构的损害及纤毛虫的适应性响应，为重金属毒性评估提供了理论基础（Li et al., 2023）。
锌离子胁迫下草履虫体内的生物学途径示意图
03 海洋纤毛虫对镉胁迫的耐受性机制解析
该研究聚焦海洋底栖纤毛虫Euplotes vannus，探讨其应对重金属镉的响应机制。镉是海洋沉积物中常见污染物，可破坏生态系统健康。团队发现扇形游仆虫对镉具有高耐受性（24 h-LC50 = 38.75 mg/L），但镉仍以剂量依赖性方式抑制种群生长。镉在游仆虫体内的积累导致DNA损伤、蛋白质氧化和线粒体功能紊乱，进而激活SOD、CAT等抗氧化酶系统。转录组分析表明，参与镉外排转运、DNA修复、能量代谢和蛋白质合成的基因表达显著改变，核糖体生物合成、谷胱甘肽代谢等通路富集，表明游仆虫可以通过转录后调控增强对镉的耐受性。该研究发表于《Marine Environmental Research》（中科院二区期刊，影响因子3.2），阐明了海洋纤毛虫在镉污染下的生存策略，对海洋生态风险评估具有启示意义（Tian et al., 2025）。
镉离子胁迫下游仆虫体内的生物学途径示意图
04 淡水酸化加剧镉毒性的交互作用机制
该研究创新性地探讨了淡水酸化与镉污染对典型模式生物第四双小核草履虫Paramecium tetraurelia的联合效应。镉污染广泛存在，而淡水酸化可能与之协同加剧生态风险。团队以草履虫为模型，发现酸化环境加速镉生物积累和生物可利用性，呈现协同毒性效应。共暴露显著降低种群丰度和生物量，破坏溶酶体膜稳定性，诱导氧化应激并持续消耗ATP。转录组可塑性使草履虫在酸化条件下形成了镉胁迫适应性转录谱，通过上调转运和解毒基因，将能量从生长转移至应激解毒过程，这种适应策略对草履虫的生存至关重要。该成果发表于《Environmental Pollution》（中科院二区Top期刊，影响因子7.3），首次揭示了酸化与镉的交互作用机制，为淡水生态系统多重胁迫研究提供了新范式（Li et al., 2025a）。
淡水酸化联合镉污染下草履虫体内的生物学途径示意图
05 全氟化合物与镉的联合毒性比较
该研究以广盐性纤毛虫Paramecium duboscqui为模型，首次系统解析了全氟辛酸（PFOA）及其替代品HFPO-DA与镉的复合毒性机制。研究发现，HFPO-DA比PFOA表现出更强的毒性效应，其与镉共暴露会协同破坏细胞膜结构，增强镉的生物可利用性，并显著抑制抗氧化酶活性，导致氧化应激和能量代谢紊乱。转录组分析表明，复合暴露显著干扰了糖酵解和脂代谢通路，引起ATP供应不足，并下调纤毛运动相关基因表达，直接导致纤毛虫游泳能力下降。该研究揭示了新型污染物与重金属的协同生态风险，为河口生态系统复合污染评估提供了关键科学依据。该研究发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》（中科院一区Top期刊，影响因子8.2），强调PFOA替代品可能与重金属产生复合生态风险，呼吁监管框架需综合考虑新型污染物（Li et al., 2025b）。
PFOA/HFPO-DA联合镉污染下草履虫体内的生物学途径示意图
06 草履虫金属硫蛋白家族响应重金属胁迫的功能解析
该研究在草履虫中开展了金属硫蛋白（MT）基因家族的全基因组鉴定与功能分析。课题组在13种草履虫物种中鉴定出21个MT基因，均属于7a亚家族。对第四双小核草履虫转录组与蛋白质组的分析表明，MT基因在镉/铜胁迫下呈现时间依赖性表达，且对镉的响应更迅速。功能研究表明，过表达MT基因可显著增强草履虫的金属耐受性：对镉，MT通过促进镉积累并激活SOD、CAT等抗氧化酶以清除ROS；对铜，MT则可能通过与铜转运蛋白互作，促进解毒并降低细胞内铜含量。该成果发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》（中科院一区Top期刊，影响因子6.1），首次系统揭示了草履虫金属硫蛋白家族在重金属解毒中的关键作用（Li et al., 2026）。
第四双小核草履虫的金属硫蛋白基因对镉/铜胁迫的响应
本系列研究从单一污染物到复合胁迫，系统阐明了纤毛虫作为水生微生物典型代表在环境压力下的分子适应机制。成果不仅深化了对污染物毒性机理的理解，也为水生生态系统风险评估和污染治理提供了科学依据。未来，团队将继续聚焦微型生物环境响应，为全球变化下的生态保护贡献力量。
上述系列研究得到国家自然科学基金面上项目（31772431）的支持。系列文章第一作者分别为海洋学院博士生李丛君、倪萍，硕士生田影璇，通讯作者为李丽芳教授，山东大学为第一完成单位和唯一通讯单位。
文章链接：
Li, C., Fu, Y., Tian, Y., Zang, Z., Gentekaki, E., Wang, Z., Warren, A., Li, L. *. (2023). Comparative transcriptome and antioxidant biomarker response reveal molecular mechanisms to cope with zinc ion exposure in the unicellular eukaryote Paramecium. Journal of Hazardous Materials, 453, 131364. 10.1016/j.jhazmat.2023.131364
Ni, P., Li, C., Fu, Y., Stover, N. A., Li, L. *. (2025). Physiological and molecular responses to different sizes of polystyrene micro/nanoplastics in the model unicellular eukaryote Paramecium tetraurelia. Journal of Hazardous Materials, 495, 138963. 10.1016/j.jhazmat.2025.138963
Tian, Y., Li, C., Fu, Y., Gentekaki, E., Li, L. *. (2025). Comparative transcriptome analysis reveals the response mechanism of the typical marine ciliate Euplotes vannus to heavy metal cadmium exposure. Marine Environmental Research, 208, 107153. 10.1016/j.marenvres.2025.107153
Li, C., Wang, H., Fu, Y., Gentekaki, E., Guo, Y., Li, L. *. (2025a). Multiple biological responses and transcriptome plasticity of the model unicellular eukaryote Paramecium for cadmium toxicity aggravated by freshwater acidification. Environmental Pollution, 368, 125725. 10.1016/j.envpol.2025.125725
Li, C., Fu, Y., Gentekaki, E., Li, L.*. (2025b). HFPO-DA and PFOA exert differential combined toxicity with Cd in Paramecium: growth, behavior and molecular insights. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 8, 339-351. 10.1016/j.enceco.2025.11.032
Li C., Fu Y., Guo, Y., Gentekaki E., Pang, Q., Li L.*. (2026). Genome-wide identification and functional analysis of metallothionein family genes in response to cadmium/copper exposure in the unicellular eukaryote Paramecium. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2026. 310, 119768. 10.1016/j.ecoenv.2026.119768
