斑马鱼（Danio rerio）在发育过程中接触聚苯乙烯纳米塑料后出现的不良成年期影响及多代遗传效应

《Environmental Pollution》：Adverse adult-onset and multigenerational effects in zebrafish ( Danio rerio) developmentally exposed to polystyrene nanoplastics

微塑料（MP）和纳米塑料（NP）污染已渗透地球所有生态层面，包括人类胎盘、血液等组织。本研究通过斑马鱼模型，发现幼虫期暴露于PS纳米塑料（0-10,000 ppb）会导致成年期繁殖能力显著下降（最高暴露组降低76.7%），子代持续出现神经行为异常，且脑和性腺组织差异表达基因数随年龄增长而显著增加。转录组分析表明，幼虫期受损的内分泌和神经通路效应持续至成年，氧化应激是贯穿整个发育周期的核心致病机制。

　　塑料污染已经成为全球性问题，其影响已经渗透到地球生命的方方面面，从高海拔云层和北极冰芯，到单细胞藻类和未出生的胎儿。微塑料（MP）和纳米塑料（NP）污染的广泛存在，引发了对人类健康和生态系统深远影响的担忧。尤其是纳米塑料，因其尺寸更小，能够更轻易地穿透生物屏障，如血脑屏障和睾丸屏障，这使得其对人类健康的潜在威胁更加显著。尽管已有证据表明纳米塑料在人体组织中可以积累，但其长期健康后果仍不明确。

在先前的研究中，我们已经发现，纳米塑料在早期发育阶段对斑马鱼幼鱼的影响包括其在体内的积累、行为异常以及对神经肌肉、代谢和表观遗传等通路的干扰。现在，我们进一步追踪这些发育阶段暴露于纳米塑料的个体，直到成年，以评估其对生殖能力、后代神经行为以及大脑和生殖组织转录组的影响。研究结果表明，纳米塑料暴露对成年斑马鱼的生殖功能造成了显著影响：高剂量暴露组的总体繁殖能力大幅下降，而中等剂量暴露组的受精成功率也有所降低。此外，中等剂量暴露组的存活后代表现出与父母相似的高活动性，显示出一种持久且可遗传的神经行为表型。

值得注意的是，成年组织中出现的显著差异表达基因数量远高于幼鱼阶段，这表明纳米塑料暴露可能在成年后引发更为复杂的生理变化。然而，幼鱼阶段因纳米塑料暴露而受到干扰的内分泌和神经疾病相关通路，仍然持续影响成年阶段的生理功能。女性组织的转录组数据表明，早期暴露对生殖功能的影响可能具有一定的恢复性，而男性组织则表现出更严重的和不成比例的负面影响。男性组织的转录组分析揭示了神经肌肉疾病、神经退行性疾病、内分泌干扰以及癌症等潜在影响。氧化应激（OS）作为一种持续存在的机制，被发现是这些持久性干扰和成年期疾病发生的重要基础。

随着人类活动的加剧，全球塑料废弃物的产生量持续上升，而目前的回收系统却难以跟上这一增长速度。根据国际自然保护联盟（IUCN）的报告，全球每年仅有不到10%的塑料废弃物被回收，其余则进入自然环境，其中至少有1100万吨塑料废弃物流入海洋。这些塑料废弃物在自然环境中经历风化过程，可能产生大量的微塑料和纳米塑料颗粒。微塑料污染已经在全球范围内广泛存在，被认为是人类世（Anthropocene）的关键指标之一。微塑料在水生生态系统中达到极高的浓度，从每升1微克到数万微克不等，并且已经在全球超过1500种陆地和水生生物中被检测到。因此，人类接触微塑料的可能性非常高，据估计，人们每周可能通过饮食和饮用水摄入多达5克微塑料，相当于一张信用卡的重量。

尽管微塑料的污染范围广泛，但关于其对人体长期健康影响的研究仍然有限。然而，基于动物模型的大量研究已经表明，微塑料可以引发严重的生殖和神经发育毒性，导致寿命期间的行为改变、生育能力下降以及后代生存率降低。类似的发现也出现在自然环境中接触微塑料的鱼类身上，如行为异常、生存率降低、氧化损伤和神经毒性等。研究表明，微塑料暴露可能通过影响多种生物网络，包括神经、肝脏、内分泌、代谢、炎症、免疫和凋亡等，进而导致持久性的疾病状态。其中，氧化应激被发现是微塑料暴露引发的常见分子启动事件。

鉴于此，我们有必要进一步研究纳米塑料的毒性效应，尤其是其在生命早期暴露后对个体长期健康的影响。由于纳米塑料的尺寸小于1微米，其检测和定量在历史上一直受到分析仪器和技术的限制。然而，近年来光学成像技术的发展表明，瓶装水中微塑料和纳米塑料的总体浓度可能增加了75倍，其中超过90%的检测结果属于纳米塑料。这提示我们，人类接触纳米塑料的量可能远高于微塑料，特别是考虑到纳米塑料更容易穿透生物屏障并进入组织内部。然而，关于纳米塑料对器官发育和功能的长期影响的研究仍然十分有限。

为了填补这一知识空白，我们选择使用斑马鱼作为研究模型。斑马鱼因其短的世代周期、高繁殖率、易于饲养以及与人类高度相似的基因组（约80%的基因组同源性）而被广泛用于研究发育和生殖毒性。我们还考虑到斑马鱼与人类在生殖系统成熟和下丘脑-垂体-性腺轴调控方面的相似性。因此，我们利用斑马鱼进行研究，以探讨生命早期暴露于聚苯乙烯（PS）纳米塑料是否会导致不良的生殖、神经和发育后果，并评估这些影响是否能够延续至成年阶段。

在我们之前的研究中，斑马鱼幼鱼被暴露于0至10,000 ppb的聚苯乙烯纳米塑料中，持续五天。尽管没有立即导致死亡或明显的发育异常，但观察到浓度依赖性的高活动性行为，以及对神经肌肉、代谢和表观遗传等通路的转录组改变。本研究在此基础上，进一步追踪这些暴露个体的成年阶段，以评估其对生殖能力和后代神经行为的影响，并探索大脑和生殖组织中的特定转录组效应。

在本研究中，我们发现，暴露于纳米塑料的斑马鱼在成年后表现出显著的生殖能力下降。高剂量暴露组的繁殖成功率比对照组下降了76.7%（p < 0.05），而中等剂量暴露组的受精率也有所降低。此外，中等剂量暴露组的存活后代表现出与父母相似的高活动性，显示出一种可遗传的神经行为表型。这表明，生命早期的纳米塑料暴露可能对个体的长期健康产生深远影响，尤其是在生殖和神经行为方面。

值得注意的是，成年组织中出现的差异表达基因数量远高于幼鱼阶段，这可能意味着纳米塑料暴露在成年后引发的生理变化更为复杂。然而，幼鱼阶段因纳米塑料暴露而受到干扰的内分泌和神经疾病相关通路，仍然在成年阶段持续存在。这表明，生命早期的暴露可能对个体的生理系统产生持久性影响，而这些影响可能在成年后才显现出来。

在分析中，我们发现女性组织的转录组数据表明，早期暴露对生殖功能的影响可能具有一定的恢复性。然而，男性组织则表现出更严重的和不成比例的负面影响。具体而言，男性组织的转录组分析揭示了神经肌肉疾病、神经退行性疾病、内分泌干扰以及癌症等潜在影响。这些发现提示我们，纳米塑料暴露对性别可能产生不同的影响，这可能与生物性别在生理和代谢上的差异有关。

氧化应激被发现是这些持久性干扰和成年期疾病发生的重要机制。这表明，纳米塑料暴露可能通过诱导氧化应激，进而影响多个生理系统。氧化应激不仅可能导致细胞损伤，还可能影响基因表达、蛋白质功能和细胞信号传导，从而引发一系列病理变化。因此，理解纳米塑料暴露如何引发氧化应激，以及其在不同组织和不同性别中的表现，对于评估其健康风险至关重要。

此外，我们还发现，纳米塑料暴露可能对后代的神经行为产生影响。这表明，生命早期的暴露不仅影响个体自身，还可能通过遗传机制传递给后代。这种现象在生态学和毒理学研究中被称为“跨代效应”，意味着污染物的影响可能跨越多个世代，对生态系统和人类健康产生更广泛的后果。

在本研究中，我们还关注了纳米塑料暴露对大脑和生殖组织的特定转录组效应。大脑作为信息处理和行为调控的核心器官，其功能的受损可能直接影响个体的行为表现。生殖组织则与个体的繁殖能力和后代健康密切相关，因此，其转录组的变化可能对种群的延续和生态系统的稳定性产生重要影响。

总的来说，本研究揭示了纳米塑料暴露对个体和后代的长期影响，尤其是在生殖和神经行为方面。这些发现不仅有助于我们更好地理解纳米塑料的健康风险，还为制定有效的防护措施和环境政策提供了科学依据。未来的研究需要进一步探讨纳米塑料暴露的具体机制，以及其在不同环境和生物体中的影响差异，以全面评估其对生态系统和人类健康的潜在威胁。