聚苯乙烯微塑料暴露对黑点青鳉早期发育阶段的毒性效应研究

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微塑料(microplastics,MPs)通常被定义为直径小于5 mm的塑料颗粒、碎片、纤维和薄膜等。MPs广泛存在于海洋环境中,已经成为国际海洋环境污染的热点问题之一。MPs对生物具有潜在威胁,然而它们对水生生物尤其是海水鱼类毒性效应的研究仍处于起步阶段,其作用过程和效应机制等核心问题仍不清楚。本研究以海洋模式鱼类—黑点青鳉(Oryziasmelastigma)为受试生物,以聚苯乙烯(polystyrene,PS)MPs为实验材料,研究了不同粒径(0.05、0.5和6.0 μm)和不同浓度(102、104和106个/L)聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)对黑点青鳉早期发育阶段—胚胎和仔鱼的毒性效应,并探讨了其机制。本研究揭示了环境浓度PS-MPs暴露对黑点青鳉胚胎毒性效应具有粒径依赖性关系,初步提出了环境浓度PS-MPs暴露对黑点青鳉仔鱼的毒性效应机制。研究结果为海洋MPs的生态风险评估、监测和预警提供技术支撑,对于深入认识MPs对海洋鱼类的生长发育的影响具有重要的理论意义。本研究取得以下主要结果:1.PS-MPs对黑点青鳉胚胎的毒性效应经同一浓度(106个/L)、不同粒径(0.05,0.5和6.0 μm)PS-MPs水体暴露20 d后,黑点青鳉胚胎并未发现明显的致死效应;在小粒径(0.05 μm)PS-MPs暴露后,黑点青鳉胚胎的孵化时间和孵化率均下降,但统计学上都无显著性变化;在中粒径(0.5μm)和大粒径(6.0 μm)PS-MPs处理条件下,黑点青鳉胚胎的孵化时间显著缩短且孵化率明显下降。环境浓度的PS-MPs水体暴露对黑点青鳉胚胎毒性效应表现出粒径依赖性关系:较大粒径PS-MPs对胚胎的有害影响更大。大粒径PS-MPs暴露9 d,黑点青鳉胚胎的表面和绒毛上附着物较多;暴露期间胚胎心搏率随着暴露时间的延长而增加,黑点青鳉胚胎发育前期对PS-MPs的暴露更为敏感。与对照组相比,不同粒径PS-MPs暴露后的黑点青鳉胚胎代谢酶基因以及免疫与炎症相关基因的表达量均未出现显著性变化;而大粒径PS-MPs暴露9 d后,胚胎体内氧化应激相关基因cat的表达水平显著下调。此外,在黑点青鳉胚胎受PS-MPs胁迫过程中,卵膜起到重要的保护作用,大于卵膜孔径的PS-MPs吸附在胚胎的表面或绒毛上,很难进入胚胎内部。2.PS-MPs对黑点青鳉仔鱼的毒性效应及可能机制经同一粒径(6.0μm)、不同浓度(102、104和106个/L)PS-MPs水体暴露14 d,可以观察到PS-MPs在仔鱼消化道内蓄积,且蓄积水平与PS-MPs的暴露浓度和暴露时间表现出正相关关系,然而环境浓度的PS-MPs对黑点青鳉仔鱼无致死效应;高浓度PS-MPs(106个/L)造成仔鱼的体长显著低于对照组,表明高浓度PS-MPs抑制了黑点青鳉仔鱼的生长;中浓度(104个/L)和高浓度(106个/L)的PS-MPs暴露引起了黑点青鳉仔鱼的游泳行为异常活跃,可能原因是PS-MPs对仔鱼机体产生刺激并引起炎症反应;此外,在中浓度和高浓度PS-MPs暴露条件下,仔鱼消化道的肠道上皮细胞和绒毛出现部分脱落,肝细胞出现空泡化现象以及细胞核和细胞质改变。黑点青鳉仔鱼体内mucin、jak、stat-3和nf-κb等基因表达水平显著上调,提示PS-MPs暴露激活了 JAK/STAT和NF-κB等信号通路。综上所述,环境浓度的PS-MPs暴露导致了仔鱼体长变短、游泳行为异常、肠道和肝组织受损,抑制了 MUC基因的表达,引起了机体的炎症与免疫反应,激活了 JAK/STAT和NF-κB等信号通路,最终影响了黑点青鳉仔鱼的正常发育。
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