聚苯乙烯微塑料与双酚A对黑海胆胚胎发育的联合毒性效应：多生物标志物研究揭示其生态风险

本研究针对微塑料(MPs)和内分泌干扰物双酚A(BPA)对海洋生物的复合污染问题，以黑海胆Arbacia lixula为模型，通过多端点评估方法揭示了PS MPs和BPA单独及复合暴露对胚胎发育的毒性效应。研究发现虽然两者均引起发育异常、代谢紊乱和氧化应激，但未观察到协同效应，这为评估海洋塑料污染与有机污染物的复合生态风险提供了重要科学依据。

　　

海洋塑料污染已成为全球性环境问题，其中微塑料（MPs）作为新兴污染物备受关注。这些直径小于5毫米的塑料颗粒不仅本身具有生态风险，还能作为载体吸附并传输其他有毒污染物，如内分泌干扰物双酚A（BPA）。BPA是生产环氧树脂和聚碳酸酯塑料的重要原料，全球市场规模预计从2023年的749万吨增长到2028年的1013万吨，年增长率达6.23%。随着产量增加，BPA通过废水排放、垃圾渗滤和塑料降解等途径进入水环境，在某些区域浓度可达mg/L级别，对水生生物构成严重威胁。

海洋无脊椎动物早期生命阶段对污染物尤为敏感，而海胆作为沿海生态系统的关键物种和环境污染的生物指示器，其胚胎和幼虫阶段是生态毒理学研究的理想模型。黑海胆Arbacia lixula作为地中海和大西洋沿岸常见的非食用性海洋棘皮动物，具有积累污染物能力和生态重要性，是研究污染物影响的优秀模型生物。

尽管人们对MPs作为有机污染物载体的担忧日益增加，但关于它们对海洋无脊椎动物影响的实验数据仍然有限。为此，研究人员在《Journal of Hazardous Materials》上发表了这项研究，旨在评估BPA、聚苯乙烯微塑料（PS MPs）以及BPA吸附到PS MPs上对黑海胆胚胎发育的影响。

研究团队采用多生物标志物方法，整合了胚胎毒性测试、形态学评估、代谢组学分析以及氧化应激和神经毒性的酶学生物标志物检测。主要技术方法包括：使用1 μm和5 μm PS MPs与5 μM和25 μM BPA进行暴露实验；通过专利方法（意大利专利No. 102018000003337）提取和测定海胆胚胎中的微塑料；利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线探测器（EDX）进行颗粒识别和表征；基于¹H NMR光谱的代谢组学分析；以及谷胱甘肽S-转移酶（GST）、过氧化氢酶（CAT）和乙酰胆碱酯酶（AChE）活性测定等生化分析。

3.1. BPA的物理化学特性

研究发现BPA在PS MPs上的吸附率相对较低，在mQW中孵育24小时后，1 μm和5 μm颗粒的吸附率分别为12.7%和15.1%。在暴露介质（FSW）中进行解吸实验时，大部分吸附的BPA被释放到溶液中，48小时后释放更为明显，表明海水盐度促进了BPA从PS MPs表面的解吸。

3.2. FSW中PS MPs的分布随时间变化及在海胆胚胎中的摄取

光学显微镜观察显示，PS MPs在暴露介质（FSW）中随时间分布均匀分散，没有聚集现象。海胆胚胎对PS MPs的摄取受暴露时间和颗粒大小的影响，暴露于1 μm PS MPs的胚胎摄取的颗粒显著多于暴露于5 μm PS MPs的胚胎。BPA吸附的PS MPs导致颗粒积累显著增加，特别是较小的1 μm PS MPs。

3.3. 形态学观察

形态学分析显示，阴性对照组样品发育正常，而处理组幼虫在48 hpf出现主要结构异常。BPA显著损害正常幼虫发育，5 μM和25 μM浓度下的正常发育率分别为3%和0%。暴露于1_MPs和5_MPs使正常幼虫发育率分别降至56%和62%。共轭处理显示正常发育率进一步降低。主要异常表现在手臂结构上，1 μm MPs诱导更明显的改变，涉及软组织收缩使骨骼杆暴露。所有处理组中，plutei均显示完整的胃，表明摄取了颗粒。

3.4. 代谢组学分析

¹H NMR光谱分析发现了大约17种代谢物，包括氨基酸、能量代谢相关化合物、神经递质和渗透调节相关化合物。暴露于PS MPs、BPA及其复合物后，海胆胚胎显示出显著的代谢紊乱，影响各种对正常胚胎发育至关重要的细胞和代谢途径。

3.4.1. 代谢物变化

所有暴露组中与神经传递相关的代谢物如N-乙酰血清素、胆碱和酪氨酸水平显著降低。能量代谢也显示显著改变，乳酸和葡萄糖水平在所有暴露组中均减少。渗透调节化合物TMAO和甜菜碱的浓度在所有实验条件下均显著降低。

3.4.2. 通路富集分析

KEGG通路富集分析显示，几种代谢通路与海胆胚胎中检测到的代谢物显著相关。其中最显著的通路包括氨基酸代谢、甘油磷脂代谢和乙醛酸和二羧酸代谢。其他通路如糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢和谷胱甘肽代谢也显示出生物学相关性。

3.5. 生化测定

3.5.1. 抗氧化活性

暴露于PS MPs和BPA后，GST和CAT酶活性发生显著变化。暴露于两种尺寸的PS MPs和5 μM BPA吸附到两种尺寸的PS MPs上后，GST活性显著增加，而暴露于BPA 5和BPA 25吸附到PS MPs上后，GST酶活性显著降低。CAT酶活性在暴露于5 μM BPA和两种剂量的BPA吸附到PS MPs上后显著降低，而暴露于5 μm PS MPs后显著增加。

3.5.2. 神经毒性

暴露于PS MPs、BPA及其复合物后，海胆胚胎胆碱能神经系统受损，AChE活性在所有实验组中均显著降低，BPA和共轭处理组的抑制更为明显。

研究表明，PS MPs和BPA的积累对水生生态系统构成了日益严重的全球关注问题。虽然PS MPs和BPA均诱导海胆发育异常，但当它们结合时，并未显示出协同相互作用，这可能与BPA在原始PS MPs上的低吸附能力有关。盐度通过中和PS MPs的表面电荷，减少与污染物的静电相互作用，进一步降低了BPA的吸附。

形态学证据显示，PS MPs暴露虽未显著损害正常幼虫的百分比，但1_MPs诱导比5_MPs更严重的形态异常，表明颗粒大小在毒性中起作用。两种PS MPs均在A. lixula plutei的胃内检测到，与其他海胆物种的幼虫研究结果一致。摄取率受颗粒大小影响，1 μm PS MPs的摄取量显著高于5 μm PS MPs。

代谢组学结果表明，暴露于PS MPs、BPA及其复合物会干扰海胆胚胎的正常骨骼和神经发育，通过破坏生物矿化、神经传递、渗透调节和氧化还原平衡机制。神经传递和能量相关代谢物的显著紊乱得到了酶学测定的进一步支持，AChE活性的抑制和GST、CAT活性的变化证实了氧化应激的参与。

重要的是，本研究强调了即使在弱和短暂的颗粒-污染物相互作用下，也能调节污染物行为和毒性，强调需要将吸附/解吸动力学而非混合情景纳入新兴污染物的环境危害评估中。这一发现对于制定更准确的环境风险评估框架和管理策略具有重要意义，为理解微塑料与有机污染物在海洋环境中的复杂相互作用提供了宝贵见解。

研究还指出，需要进一步进行靶向研究，以阐明这些变化如何特别影响关键发育过程，如神经发生、细胞增殖和骨骼发生，并与观察到的畸形建立直接因果关系。此外，吸附动力学模型的应用将是未来研究的有价值的下一步。

总之，这项研究不仅强调了海胆A. lixula幼虫作为研究微塑料相关污染物的营养转移和生物积累的宝贵模型，而且为了解PS MPs和BPA之间的相互作用提供了更深入的见解，增进了我们对它们的环境风险和对海洋生态系统影响的理解。