人工UVC老化过程加剧了聚苯乙烯微塑料对斑马鱼的毒性,尤其是对雌性斑马鱼的影响更为显著

时间:2026年5月23日
来源:Environmental Pollution

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吴迪|胡子轩|劳拉·卡特|保罗·凯|约瑟夫·霍尔登|尹颖|郭红燕中国南京大学环境学院,水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室,南京210023摘要微塑料(MPs)的生态风险日益受到重视。然而,微塑料老化过程对淡水生态系统风险的影响仍不清楚。在本研究中,500纳米的聚苯乙烯微塑料(

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吴迪|胡子轩|劳拉·卡特|保罗·凯|约瑟夫·霍尔登|尹颖|郭红燕
中国南京大学环境学院,水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室,南京210023

摘要

微塑料(MPs)的生态风险日益受到重视。然而,微塑料老化过程对淡水生态系统风险的影响仍不清楚。在本研究中,500纳米的聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)接受了为期六个月的人工UVC(254纳米)照射,以加速其光氧化过程。成年斑马鱼被暴露在原始微塑料和经过UVC处理的微塑料中21天,以评估与其健康相关的指标。UVC光降解显著改变了PS-MPs的物理化学性质,包括表面粗糙化以及新含氧官能团的生成。与原始颗粒相比,暴露于老化微塑料的斑马鱼表现出更强的生物反应,这通过综合生物标志物响应(IBR)分析得到证实,表现为氧化应激增加和体液免疫指标的变化。多组学分析显示,原始和老化微塑料均导致了肠道微生物群失调和肝脏代谢紊乱,而暴露于老化微塑料的雌性斑马鱼还出现了更广泛的代谢紊乱,包括糖脂和氨基酸代谢途径的改变以及氧化应激反应的增强。相关性分析表明,肠道微生物变化与代谢紊乱之间存在密切关联。我们的结果强调了老化微塑料对淡水生物毒性的增强作用,并强调了在淡水系统中评估微塑料毒性时考虑其老化过程的重要性。

引言

淡水生态系统中的微塑料(MP)污染问题日益引起关注。多种淡水生物,包括鱼类、枝角类动物和贻贝,可能会直接摄入微塑料,从而导致不良影响[1]、[2]。
微塑料可以在个体、细胞和分子层面影响淡水生物的健康[3]。例如,微塑料的积累会阻塞消化系统,阻碍营养吸收并损害生物健康[4]。微塑料可能引发氧化应激、炎症、DNA损伤和免疫抑制[5]、[6]、[7]、[8]。此外,摄入的微塑料有可能通过食物链传递到人体,对更广泛的生态系统稳定性和人类健康构成威胁[9]。因此,有必要全面评估微塑料在淡水生态系统中的健康影响和风险,同时考虑其在环境暴露过程中可能发生的性质和行为变化。
微塑料释放到淡水中后,会经历许多生物和非生物老化过程,如光照、热作用和氧化作用,这些过程会改变其性质和行为[10]。老化过程可能会影响微塑料对淡水生物的毒性,但人们对这些过程知之甚少。先前的研究表明,老化的聚氯乙烯(PVC)微塑料由于形成了羰基和增加了ζ电位,对藻类Chlamydomonas reinhardtii的毒性更大[11]。Michailidou等人[12]发现,与原始微塑料相比,老化的聚乙烯微塑料通过引发氧化应激和影响细胞健康,对淡水鱼Perca fluviatilis造成了更大的健康损害。相反,一些研究表明,微塑料的老化并未增加其对藻类、水蚤和浮萍的毒性[13]、[14]。因此,关于老化过程对微塑料毒性的影响仍不确定,需要进一步研究。虽然到达淡水系统的太阳辐射主要以UVA和UVB波长为主,但在实验室研究中,常使用加速的UVC(254纳米)照射作为可控的光氧化模型,以诱导表面官能化和羰基的形成。
暴露于微塑料后,摄入是主要的吸收途径,但微塑料也可能附着在鱼体皮肤上并转移到身体的其他部位[15]、[16]。作为毒理学和风险评估的理想模型,现有研究表明,微塑料可以通过这些相互作用途径损害斑马鱼的健康,包括肠道-肝脏轴、代谢、神经系统、生殖发育和体液免疫系统[17]、[18]、[19]。我们之前的研究还展示了聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)对斑马鱼的一系列性别特异性毒性效应[20]。此外,也有研究探讨了老化微塑料对斑马鱼幼体的影响,表明其具有加剧的神经毒性、肠道损伤、脂质吸收不良、免疫功能障碍和生长抑制[21]、[22]。然而,仍需进一步研究老化微塑料对成年斑马鱼健康的影响。
因此,本研究旨在探讨PS-MPs的老化过程是否会影响其在21天暴露期间对成年雌性和雄性斑马鱼的健康影响。具体来说,我们考虑了:(i)老化PS-MPs的表征;(ii)原始和老化PS-MPs对雌雄斑马鱼的毒性和影响机制。通过测量体液指标和氧化应激来评估微塑料对斑马鱼健康的毒性。多组学分析用于揭示斑马鱼沿肠道-肝脏轴的微生物和代谢反应。

章节片段

PS-MPs的制备、老化处理和表征

根据先前研究的方法[23]、[24],在实验室中合成了原始PS-MPs(500纳米)。将原始PS-MPs放置在受控老化室中,持续接受不间断的UVC照射(254纳米;4 × 20瓦;表面强度:75微瓦/平方厘米),总时长为180天。UVC照射是一种受控的实验室老化方法,旨在加速光氧化官能化和羰基的形成。老化后,颗粒...

原始和老化PS-MPs的表征

暴露水中的原始PS-MPs的流体动力学直径和PDI分别为584.3 ± 2.0纳米和0.023 ± 0.021纳米,表明其在暴露介质中具有较好的分散性。原始PS-MPs的表面光滑,而老化PS-MPs的表面粗糙并出现凸起(图1)。UV老化后,PS-MPs的颜色从白色变为黄色。XPS光谱显示,老化PS-MPs的O 1s比例从8.03%增加到19.92%,而C 1s比例...

结论

本研究发现,老化PS-MPs比原始PS-MPs具有更严重的不良影响,对斑马鱼健康的负面影响更大。暴露于老化PS-MPs会导致斑马鱼的IgM、LPS和TG水平升高,并引发氧化应激。其潜在的毒性机制可能与老化PS-MPs的物理化学性质变化有关,包括含氧官能团和自由基的增加。同时,雌性斑马鱼在肠道方面表现出更大的变化...

CRediT作者贡献声明

吴迪:撰写——初稿、可视化、软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析、数据整理。胡子轩:方法学设计、实验研究。约瑟夫·霍尔登:撰写——审稿与编辑、监督。尹颖:撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。劳拉·卡特:撰写——审稿与编辑、监督。保罗·凯:撰写——审稿与编辑、监督。郭红燕:监督、资金获取、概念构思

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金NSFC)(项目编号22436002)、中国留学基金委项目(项目编号202206190007)以及利兹大学南京大学联合提供的博士生奖学金的支持(授予吴迪)。同时,我们也感谢上海三树生物技术有限公司在本研究中的贡献和协助。

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