随着社会和工业生产的发展，环境中有机污染物、纳米材料、重金属等多种污染物无处不在，这引起了相当大的*理学问题，尤其是在世界范围内带来的不可预测的长期影响。不同类型污染物的相互作用如何影响它们的联合*性仍处于初级阶段。因此，探索水环境中各种污染物的联合*性就显得尤为重要。北京大学孙卫玲教授课题组在先前的研究中发现碳纳米管(CNTs)，氯霉素(CAP)或四环素(TC)联合作用时，CNTs与CAP呈累加作用，而与TC呈拮抗作用[1]。
近日，孙卫玲教授课题组在EnvironmentalScience:Nano（IF=8.13）上发表了题为AdsorptionofantibioticsontographeneoxideimpartstheirantagonisticeffectsonSynechocystissp.:Modeldevelopmentandproteomicanalysis的研究论文，研究基于氧化石墨烯（GO）和四种典型抗生素对蓝藻(Synechocystissp.)PCC的联合*性结果，结合吸附等温线和等效线图解法建立了预测GO和抗生素联合*性效应(γ)的模型，并提出该模型可应用于其他碳材料和有机污染物的联合*性效应预测。蛋白质组学从分子水平上解析了污染物的*性机制，并进一步印证了联合暴露组中的累加和拮抗效应。景杰生物为该研究提供了蛋白组学分析支持。
研究者首先对GO和抗生素进行了单独及复合*性测定，结果显示GO增强了氟苯尼考(FLO)的*性，且随着GO浓度升高*性越强；然而GO减弱了红霉素(ETM)、氧氟沙星(OFL)、金霉素(CTC)的*性，GO浓度越高减弱作用越明显。随后结合吸附等温曲线和等效线图解法，建立了预测GO和抗生素联合*性效应(γ)的模型。模型可以通过单一污染体系中GO和抗生素*性结果(A，B)、GO浓度(a)和吸附参数(kF,1/n,kD)，来预测GO和抗生素的复合*性效应(γ)。
图1模型建立和适用性验证
研究者进一步通过蛋白组学分析，发现GO和FLO联合暴露组的差异蛋白数量高于GO或FLO单独暴露组，印证了GO和FLO之间存在累加效应。GO和其他三种抗生素(ETM、OFL和CTC）的共同暴露组中差异蛋白的数量与GO的单一暴露组相似甚至更低，表明GO和ETM、OFL或CTC之间存在拮抗作用。FLO、ETM和CTC的*性机制为抑制核糖体蛋白质合成，OFL*性机制为影响藻DNA复制。GO或GO与抗生素联合暴露组的大多数差异性蛋白与能量产生和转换、氨基酸和核苷酸的运输和代谢以及翻译、核糖体结构和生物发生有关，表明蓝藻的能量代谢、DNA复制和蛋白质合成受到严重干扰。
图2蛋白组学揭示*性机制
氧化磷酸化是蓝藻能量代谢的一个重要过程，4种抗生素均显著下调氧化磷酸化途径，表明抗生素抑制了能量的产生，而在所有联合暴露组中，氧化磷酸化通路的失调变得不明显，表明GO缓解了抗生素对能量产生的影响。ETM、OFL、CTC和GO_OFL同时也显著干扰了ABC转运通路。ABC转运系统紊乱是环境压力下的典型反应。此外，ABC转运通路的改变会影响渗透压，并进一步导致细胞膜损伤，改变细胞膜的通透性。本研究共鉴定出24种与感知和传递高渗应激信号有关的蛋白质，其中一些在单一抗生素暴露组中上调，表明由于膜通透性改变引起了高渗应激的反馈。然而，GO可以通过下调相关蛋白干扰这种反馈机制。GO会降低联合暴露组中感知和传递高渗应激信号的相关蛋白，这解释了联合暴露组中膜通透性增加的原因。
图3不同暴露组中核糖体、氧化磷酸化和ABC转运途径相关蛋白的变化
本研究系统探讨了GO和4种抗生素对蓝藻的单一和联合*性效应。结果表明，GO和FLO对蓝藻的联合*性表现为累加效应；而GO与ETM、OFL、CTC的联合*性表现为拮抗效应，这是因为GO可以吸附ETM、OFL和CTC，而对FLO的吸附量非常小。本文建立了预测GO与抗生素拮抗效应（γ）模型，该模型理论预测值（γ）与实验值吻合较好。此外，蛋白质组学分析揭示了GO和/或抗生素的*性机制。这项研究强调了GO吸附污染物在评估其联合*性方面的重要性，为碳纳米材料和有机污染物的复合*性研究提供了新的思路。