金属有机框架（MOFs）对亚历山大藻（Alexandrium minutum）生长和毒素产生的影响及其作用机制

《Materials Today Chemistry》：Effects of metal-organic frameworks (MOFs) on growth and toxin production of Alexandrium minutum and corresponding mechanisms

本研究探讨了铜基和锌基金属有机框架（MOFs）对有毒微藻Alexandrium minutum的生长抑制及毒素合成的调控机制。结果表明，Cu-MOF在低浓度下显著抑制藻类生长，并降低毒素产量，其机制涉及氧化应激、膜损伤及光合作用抑制，转录组分析揭示营养代谢失衡，尤其是磷吸收与氮同化基因表达变化。

　　

穆罕默德·萨迪克·尼克扎德（Mohammad Sadiq Nikzad）|邱江兵（Jiangbing Qiu）|王贵祥（Guixiang Wang）|纳特纳埃尔·西萨伊·德莫（Natnael Sisay Demo）|吴光耀（Guangyao Wu）|李艾峰（Aifeng Li）

中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100

摘要

有害藻华（HABs）的全球蔓延已成为一个严重的环境问题，亟需创新的控制方法。本研究探讨了基于铜和锌的金属有机框架（MOFs）对产毒微藻Alexandrium minutum生长和毒素产生的抑制效果。物理表征数据显示，Cu-MOF的表面积（1207 m² g^?1）高于Zn-MOF（56.9 m² g^?1）。这两种材料都能以浓度依赖的方式抑制A. minutum的生长，其中Cu-MOF在低浓度下就表现出显著的抑制效果。然而，Zn-MOF在低浓度下会促进生长，但在高浓度（≥5 mg L^?1）时则表现出抑制作用。这两种MOFs均会导致氧化应激、细胞膜变化以及光合作用受阻。此外，转录组分析发现营养代谢发生了显著变化：与磷吸收相关的基因大多上调，而与氮同化相关的基因则大多下调。培养基中磷含量的降低和氮水平的变化也反映了这种转录响应，表明营养比例失衡。进一步的研究表明，这两种MOFs在高浓度下能够减少麻痹性贝类毒素（GTX1、GTX4、GTX2和GTX3）的总体产量。本研究展示了MOFs作为针对性多孔材料在控制有害藻华方面的潜在应用价值。

引言

有害藻华（HABs）的快速全球蔓延已成为近期主要的环境问题之一[1]。藻华事件会严重威胁海洋生物、公共健康和水产养殖业，造成巨大的经济损失[2]。Alexandrium minutum是一种非常著名的物种，能够产生麻痹性贝类毒素（PSTs），对人类健康和生命安全构成威胁。这种甲藻最初在埃及亚历山大港的赤潮中被发现[3]，此后在全球范围内扩散，对水生生物和人类健康造成了影响[4]。该物种产生的麻痹性贝类毒素直接威胁生态系统和食品安全，因此需要采取有效的措施来控制其藻华[5]。 目前已有许多技术（如生物、化学和物理方法）被用于控制藻华。然而，这些方法通常会带来一些副作用，尽管它们能有效抑制藻华[6]。因此，仍需寻找更先进和可持续的控制方法。金属有机框架（MOFs）作为一种由多齿有机连接体和金属离子组成的多孔材料，成为实现这一目标的有希望的手段[7]。MOFs具有丰富的结构和组成多样性，由于有机连接体和金属节点的高度可调节性，其性能具有很强的可调性[8]。这些特性使MOFs在多个领域获得了广泛应用[9]。一些研究表明，MOFs可用于水处理和生物医学应用，以及从水环境中去除和降解各种污染物[10][11][12]。此外，某些MOFs具有催化活性，可以干扰对微藻生长和毒素生物合成至关重要的酶活性或代谢途径[13]。MOFs还能改变环境因素（如营养含量和pH值），从而不利于微藻的繁殖[14]。基于铜和锌的MOFs因其广泛的应用前景而受到关注[15,16]。在这些MOFs中，Cu²⁺和Zn²⁺离子可以被封装在框架内，实现离子的调控释放，从而提高其作为微藻抑制剂的效力[17]。早期研究显示，基于铜和锌的MOFs能够有效抑制蓝细菌[18]，这表明它们也可能对其他微藻具有抑制作用。 尽管取得了这些进展，但MOFs在控制A. minutum方面的应用尚未得到充分评估。因此，本研究的目的是探讨Cu-MOF和Zn-MOF对A. minutum生长的抑制效果及其对细胞内和细胞外毒素产生的影响。

材料

醋酸锌、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和2,5-二羟基对苯二甲酸购自Aladdin Bio-Chem Technology（中国上海）。硝酸铜三水合物、硫酸铜五水合物和氯化锌购自Sinopharm Chemical Reagent（中国上海）。MDA、SOD、GSH、CAT和ROS的检测试剂盒购自Solarbio Biochemical Assay Division（中国北京）。

MOFs的制备与表征

Cu-MOF和Zn-MOF是通过水热法合成的

MOFs的形态表征

通过SEM、XRD和BET分析了合成MOFs的形态和结构特性。XRD数据显示在6.8°和11.8°处有分离的峰，表明Cu-MOF结构形成良好（图1A）。SEM图像（图1B）显示Cu-MOF颗粒具有聚集的针状结构。这些衍射峰和SEM图像与先前研究报道的MOF-74一致[19,21]。表面分析结果也证实了这一点。

结论

两种合成的MOFs均通过诱导氧化应激抑制了A. minutum的生长，其中Cu-MOF由于具有较大的表面积、较小的孔径以及Cu²⁺离子较高的毒性而表现出更强的抑制效果。其杀藻机制较为复杂，包括光合作用指标的显著变化、细胞形态的改变以及细胞膜的损伤。转录组研究的一个重要发现是营养代谢的显著改变，特别是与磷吸收相关的基因上调，而与氮同化相关的基因下调。

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·萨迪克·尼克扎德（Mohammad Sadiq Nikzad）：撰写初稿、方法学设计、数据整理。 邱江兵（Jiangbing Qiu）：项目管理、方法学设计。 王贵祥（Guixiang Wang）：数据整理。 纳特纳埃尔·西萨伊·德莫（Natnael Sisay Demo）：数据整理。 吴光耀（Guangyao Wu）：数据整理。 李艾峰（Aifeng Li）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法学设计、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U2106205）和山东省泰山学者专项基金（tstp20231216）的支持。