微塑料和轮胎颗粒的共同暴露会加剧斑马鱼（Danio rerio）的氧化应激和肠道微生物群失调

微塑料（MPs）与轮胎颗粒（TPs）联合暴露对斑马鱼生理及肠道菌群的影响研究。实验采用1和5 mg/L浓度的MPs（含PET、PE、PP碎片及纤维）与TPs单独及混合暴露，发现颗粒主要累积于肠道和肝脏，显著升高脂质过氧化产物MDA水平及氧化酶活性，引发肝脏氧化应激。肠道菌群分析显示Proteobacteria减少，耐污菌增加，形成菌群失调，且PCoA分析证实联合暴露导致菌群结构更显著改变。研究揭示MPs与TPs混合暴露产生协同毒性效应，较单一暴露更具生态风险。

金玲康（Kimleng Keang）| 成硕（Shuo Cheng）| 赵小莉（Xiaoli Zhao）| 斯内哈尔·瓦斯尼克（Snehal Wasnik）| 张浩歌（Haoge Zhang）| 杰弗里·S·克罗斯（Jeffrey S. Cross）

东京理化学研究所环境与社会学院跨学科科学与工程系，日本东京目黑区大冈山2-12-1，邮编152-8552

摘要

微塑料（MPs）和轮胎颗粒（TPs）是广泛存在的水生污染物，然而它们在现实混合环境下的联合毒性效应尚未得到充分研究。在本研究中，成年斑马鱼被长期暴露于含有不同尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）碎片（每种聚合物类型分别为6.5、13和75微米）的混合物中（浓度为1和5毫克/升），以及PET和PP纤维（分别为300-450微米和300-500微米），同时单独暴露于TPs，或同时暴露于MPs和TPs（MPs-TPs）的混合物中。颗粒主要在肠道中积累，其次在肝脏中沉积。所有暴露组在鳃、肠道和肝脏组织中都表现出氧化应激反应，其中在5毫克/升MPs-TPs暴露组中，丙二醛（MDA）水平升高和抗氧化酶活性受到显著影响，这反映了肝脏在解毒过程中的核心作用。肠道微生物群分析显示，微生物群结构和多样性发生了显著变化，包括变形菌门丰度降低和耐污染物菌株增加，表明存在菌群失调。主坐标分析（PCoA）证实了不同处理组之间的微生物聚集差异，表明MPs、TPs，尤其是MPs-TPs的联合暴露导致了肠道微生物组的显著重组。这些变化反映了菌群失衡的特征，随后部分恢复，表明微生物具有一定的恢复能力。综上所述，这些结果表明，MPs和TPs的联合暴露比单独暴露于任一污染物具有更严重的毒性效应，突显了水生环境中复杂污染物混合物的生态风险。

引言

自20世纪50年代以来，全球塑料产量呈指数级增长，近年来每年达到约4亿吨，并预计在未来几十年内将继续急剧增加（Geyer等人，2017年）。鉴于微塑料（MPs）在水生环境中的普遍存在及其对水生生物的有害影响，MPs引起了公众的广泛关注，并逐渐成为环境问题（Sharma和Chatterjee，2017年；Roager和Sonnenschein，2019年）。MPs是指尺寸小于五毫米的塑料颗粒，是淡水栖息地中的常见污染物。多种物种可能会摄入MPs，它们可能对人类健康造成危害（Chico-Ortiz等人，2020年；Scherer等人，2020年；Klein等人，2022年）。在水生系统中最常见的MPs类型包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）（Liang等人，2024年）。其中，轮胎颗粒（TPs）这一特定亚组因其复杂的化学成分和较高的毒性潜力而值得特别关注。TPs主要通过轮胎与路面的摩擦产生，含有橡胶聚合物、金属和多环芳烃（PAHs），这些成分会增强其持久性和毒性（Baensch-Baltruschat等人，2020年；Zhang等人，2023年）。由于人类活动和车辆使用量的增加，全球TPs排放量显著上升（Lv等人，2024年），导致多种环境介质（包括土壤（Rausch等人，2022年）、空气（Ding等人，2023年）和水生系统（Wagner等人，2018年；Shin等人，2022年）受到广泛污染。由于TPs通过径流进入水体，水生生态系统特别容易受到污染，从而危及生物多样性并污染水质（Bodus等人，2024年）。最新研究表明，TPs经常与其他MPs共同存在于环境中。例如，在雨水处理湿地沉积物中，15%至38%的MPs（相当于每千克干重80至260个MPs）来源于轮胎（Ziajahromi等人，2020年）。在南卡罗来纳州的查尔斯顿港河口，所有检测的支流中都发现了TPs和MPs，沉积物中的TPs含量范围为每千克3,840至18,000个颗粒。在每个采样地点，沉积物和表层水中都发现了MPs，主要为纤维和碎片（Leads和Weinstein，2019年）。因此，淡水生物很容易摄入MPs（Kim等人，2021年），这可能导致多种有害效应，包括代谢紊乱、物理应激和氧化应激（Ge等人，2021年；Park和Kim，2022年，2022年；Wāng和Jiang，2024年）。早期研究表明，MPs的形式（球形、碎片或纤维）会显著影响其在各种水生物种胃肠道中的摄入和积累（Gray和Weinstein，2017年；Jeon等人，2023年；Park等人，2024年）。

除了物理和生化影响外，越来越多的证据表明肠道微生物群是MPs和TPs暴露的关键靶标。肠道中栖息着高度多样的微生物群，包含约330万个基因，远远超过人类基因组，它在消化、免疫调节和维持生理稳态方面起着关键作用（Jin等人，2017年；Chen等人，2022年）。斑马鱼的肠道微生物群在门水平上与哺乳动物相似，尽管其组成有所不同，其中变形菌门占主导地位，其次是厚壁菌门和梭菌门（Xia等人，2022年）。这些微生物群对于营养消化、代谢产物产生、免疫调节和维持生理平衡至关重要（Turnbaugh等人，2007年）。

尽管人们对MPs和TPs的危害认识逐渐增加，但仍存在重要的知识空白。大多数现有研究集中在单一颗粒暴露或个别聚合物类型上，无法反映自然环境中遇到的复杂混合物。例如，研究表明PET纳米塑料会通过氧化应激破坏斑马鱼胚胎的线粒体活性和解毒途径，而浓度为1至100毫克/升的PP-MPs会导致肝脏毒性、氧化损伤和神经效应。类似地，轮胎磨损和道路颗粒的渗滤液会损害斑马鱼幼体的眼睛发育，干扰光响应通路并改变其行为（Chang等人，2023年）。然而，这些研究主要评估的是孤立暴露情况。迄今为止，尚未有研究系统地研究多种聚合物类型的MPs混合物与TPs的联合长期效应，特别是它们对肠道微生物群组成、氧化应激反应和生理表现的潜在交互影响。这一知识空白限制了我们对环境现实条件下混合物毒性的理解。为了确保研究的现实相关性，暴露浓度是根据淡水系统中报告的MPs和TPs浓度选定的。据报道，水生环境中的MPs浓度最高可达2毫克/升（Qiang等人，2021年；Abinandan等人，2023年），而河流中的轮胎颗粒浓度在高输入条件下为0.5至5毫克/升（Unice等人，2019年）。因此，选择1毫克/升作为具有环境相关性的暴露浓度，5毫克/升则用于模拟较高但环境上可能的污染情景。

为填补这一关键知识空白，本研究使用了斑马鱼（Danio rerio），这种鱼在生态毒理学中是常用的模型（Bhagat等人，2020年），来研究不同类型的微塑料（MPs）和轮胎颗粒（TPs）及其混合物在环境相关浓度（1毫克/升和5毫克/升）下的长期效应。我们评估了它们在肠道和肝脏组织中的积累情况，评估了生长和氧化应激生物标志物，并通过16S rRNA基因测序分析了肠道微生物群的变化。这项工作为MPs和TPs的生态风险提供了新的见解，无论是单独存在还是联合存在，从而更全面地了解了它们对淡水生态系统的潜在影响。

部分内容摘要

MPs和TPs的材料与特性

在本研究中，微塑料样品包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET-P）、聚乙烯（PE-P）和聚丙烯（PP-P）的碎片，每种聚合物都有三种粒径：6.5微米、13微米和75微米。所有聚合物类型均来自中国北京的中石化公司，并由分销商粉碎成指定尺寸的细颗粒。PP和PET纤维（PP-F：300-500 × 20微米；PET-F：300-450 × 18微米）来源于常见的物品，如面膜和茶包，然后进行进一步处理

斑马鱼对不同MPs、TPs和MPs-TPs暴露的生理反应

暴露21天后，Fulton条件因子（K）在不同处理组之间显示出显著差异（图1）。第0天时，所有处理组与对照组相比没有显著差异，表明初始鱼体状况相当。然而，到第21天，MPs-TPs 5毫克/升组的K显著增加，且具有统计学意义（p < 0.0001）

讨论

图6说明了整体机制。在MPs-TPs联合暴露下观察到的增强生物反应表明，多种相互作用机制可能是导致比单一颗粒处理更强毒性的原因。MPs和TPs可能不是独立作用，而是在生物界面同时施加物理压力，并引入化学活性成分，共同放大氧化和代谢紊乱。在这种情况下，肠道似乎

结论

本研究表明，21天暴露于环境相关浓度的MPs、TPs和MPs-TPs会导致成年斑马鱼出现器官特异性生物变化。颗粒主要在肠道和肝脏中积累，肝脏表现出明显的氧化应激反应，这与其在异生物质代谢中的作用一致。MDA水平升高和抗氧化酶活性（CAT和SOD）改变表明氧化失衡，尤其是在5毫克/升MPs-TPs条件下

环境影响

本研究表明，微塑料（MPs）和轮胎颗粒（TPs）的联合暴露比单独暴露于任一污染物造成的生态危害更大。斑马鱼中观察到的协同毒性，包括氧化应激、组织积累和肠道微生物群失调，突显了对水生生物健康的严重风险。有益微生物的减少和耐污染物细菌的增加表明对鱼类免疫和代谢的长期影响。由于MPs和TPs经常同时存在

作者贡献声明

杰弗里·S·克罗斯（Jeffrey S. Cross）：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。张浩歌（Haoge Zhang）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取。成硕（Shuo Cheng）：撰写——审稿与编辑、验证、监督。金玲康（Kimleng Keang）：撰写——初稿撰写、可视化、调查、数据分析、概念化。斯内哈尔·瓦斯尼克（Snehal Wasnik）：撰写——审稿与编辑。赵小莉（Xiaoli Zhao）：撰写——审稿与编辑、验证、监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Grammarly来辅助语言润色、可读性提升和科学结构优化。这些工具仅用于写作过程。使用这些服务后，作者仔细审查、编辑并验证了所有生成内容的事实准确性、完整性和科学标准遵循情况。作者对发布内容负全责

利益冲突声明

☒ 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：成硕的报告得到了ESPEC全球环境研究和技术基金会（慈善信托）的支持。

致谢

作者衷心感谢文部科学省（Monbukagakusho）通过MEXT奖学金提供的财政援助和支持，以及东京理化学研究所的支持。此外，本研究还得到了ESPEC全球环境研究和技术基金会（慈善信托）的支持。作者希望表达他们的诚挚感谢