小龙虾（Procambarus clarkii）在接触聚乙烯纳米颗粒（PE-NP）后的组织病理学变化及肠道微生物变化，以及通过螺旋藻（Spirulina platensis）进行修复的研究

《Marine Policy》：Histopathological and intestinal microbial changes in crayfish ( Procambarus clarkii) after exposure to polyethylene nanoparticles (PE-NP S) and their remediation by Spirulina platensis

本研究探讨螺旋藻缓解聚乙烯纳米塑料对螯虾消化系统及肠道微生物群毒性的机制。实验表明，纳米塑料导致组织病理学损伤和微生物失衡，而螺旋藻的联合喂养可显著改善上述问题，但纳米塑料仍能穿透组织并造成损害。

　　纳米塑料（NPs）能够穿透生物屏障并生物累积，对细胞形态和功能产生负面影响。因此，本研究探讨了螺旋藻（*Spirulina platensis*）在减轻聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）对红沼泽螯虾（*Procambarus clarkii*）的有害影响方面的修复潜力，重点分析了组织病理学变化和肠道微生物群的变化。实验将螯虾个体分为四组：第一组为对照组，第二组为PE-NPs（10 mg/L）处理组，第三组为PE-NPs（10 mg/L）与* S. platensis*（2.5和5.0 g/kg饲料）联合处理组，第四组为仅* S. platensis*（2.5和5.0 g/kg饲料）处理组。经过14天的处理后，PE-NPs的暴露导致了显著的组织病理学变化，包括细胞排列紊乱和肿胀，以及消化道细胞中明显的空泡化现象。然而，第三组的联合处理显示，* S. platensis*能够有效恢复上皮细胞的排列，并减少肠道系统中空泡的数量。在微生物分析方面，采用分子和形态学鉴定方法，发现实验处理组中存在五种真菌属（包含十个真菌种）和四种细菌种。真菌分离株HAG1和HAG2的同源性达到99.67%至100%，覆盖度为96%至100%；而细菌分离株HAG3的同源性为99.22%至100%，覆盖度为98%至100%。研究结论表明，* S. platensis*在缓解PE-NPs对螯虾消化系统和肠道微生物群的毒性方面表现出良好的效果，尽管PE-NPs能够穿透螯虾组织，导致组织学损伤和肠道微生物系统的紊乱。

随着塑料在世界范围内的广泛应用，其生产和使用量持续增长。塑料作为聚合物材料，在特定条件下（如温度和压力）被加工成不同形式，从而具备不同的物理和化学性质。塑料聚合物在多个行业中被广泛使用，包括电子、个人护理产品、食品包装、建筑隔热和医疗设备等。此外，城市尘埃、轮胎、道路标线、合成纺织品、个人护理产品、药物和废弃物处理也是塑料颗粒的重要来源。由于日常使用，塑料废弃物已被检测到存在于各种生态系统中，包括土壤、湖泊、沉积物、海洋和河流。塑料废弃物在自然因素如风化、阳光辐射和生物降解的作用下，可以分解成更小的碎片或颗粒，即微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）。微塑料因其微小的尺寸，容易被水生生物无意中摄入，常常被误认为是天然的食物来源，从而进入食物链。同时，微塑料具有吸附环境污染物的潜力，如重金属、毒素和其他有害化合物。

纳米塑料（NPs）作为合成聚合物，对水生环境造成严重的问题。此前的研究表明，纳米塑料可以干扰水生生物的分子和细胞功能，因为这些生物能够摄入并储存纳米塑料颗粒于其组织中。此外，大量关于水生生物的实验研究证实了纳米塑料能够通过消化道进入循环系统。聚乙烯是目前使用最广泛的塑料类型之一，其在包装、建筑和运输等多个领域具有广泛应用。因此，聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）的毒性问题不容忽视。

在实验研究中，甲壳类动物因其对污染物的敏感性、广泛的分布和快速的繁殖能力，常被用作研究对象。红沼泽螯虾（*Procambarus clarkii*）被认为是监测环境污染的重要生物指示物种。这种淡水螯虾在某些地区广泛分布且可食用，最近被引入埃及并迅速入侵尼罗河流域。红沼泽螯虾的胃部结构包括食道、胃和肠道，其中肠道组织由四层组成，从外到内依次为浆膜层、肌层、黏膜下层和黏膜层。浆膜层由一层薄而松散的结缔组织构成，随后是肌层，肌层由不同方向的肌肉束（纵向、环状和放射状肌肉）组成。黏膜下层由结缔组织构成，而黏膜层则由分层的柱状上皮细胞组成，食道和肠道的黏膜层均如此。胃部的黏膜层则由一层柱状或立方上皮细胞构成，并分泌特殊的胃齿。

已有大量研究探讨了纳米塑料对甲壳类动物的有害影响。例如，将不同浓度的纳米塑料加入水中后，对幼年* Macrobrachium nipponense*的抗氧化活性、免疫酶活性和相关基因表达水平均产生了负面影响。在另一项研究中，暴露于不同浓度的聚苯乙烯纳米塑料（25、250和2500 μg/L）的* Litopenaeus vannamei*（对虾）表现出对代谢物、组织学特征、脂质代谢酶和基因表达谱的毒性影响。此外，对* Cherax quadricarinatus*（红螯虾）的转录组学和肠道微生物群的研究也显示了纳米塑料对其生物影响的显著性。

然而，目前关于如何减轻水生生物对纳米塑料毒性的关注仍然有限。近年来，微藻因其易于储存、成本低廉、不产生二次废弃物以及能够富集重金属等特性，被引入作为生物修复剂（phycoremediators）。已有少数研究探讨了微藻在减少微塑料和纳米塑料毒性方面的潜力。例如，一项研究测试了从药用植物中提取的生物活性化合物作为抗氧化剂的效果，结果显示，使用番茄红素、柠檬酸和小球藻处理后，非洲鲫鱼（*Clarias gariepinus*）的微塑料毒性在血生化参数和氧化应激方面有所降低。另一项研究调查了15种淡水丝状藻类对微塑料的去除效果，结果显示这些藻类能够通过缠绕、吸附或包裹等方式与微塑料相互作用。此外，有研究表明，* Galleria mellonella*（甘蓝夜蛾）幼虫能够通过物理咀嚼、微生物活动和肠道代谢过程降解聚乙烯地膜。植物来源的单宁对肉鸡表现出不同的影响，其中* Acacia mearnsii*（黑胡桃树）单宁（AT）和* Castanea sativa*（栗树）单宁（CT）显著促进生长，而CT还能增强免疫和抗氧化功能。相比之下，* Schinopsis lorenzii*（乔木）单宁（QT）和* Caesalpinia spinosa*（刺槐）单宁（TT）对肝脏健康提供了最强的保护作用。

作为一种潜在的生物修复微藻，* Spirulina platensis*具备多种有益的生物学功能，包括免疫调节、抗氧化和抗炎特性。它被认为是高度营养的食物，提供完整的蛋白质，包含所有必需氨基酸，以及B族维生素、钾、镁、铁、抗氧化剂和其他关键微量营养素。由于其卓越的营养价值，1974年联合国世界粮食会议将其视为未来营养来源的有力候选者。此外，* S. platensis*表现出对水产养殖环境中微塑料颗粒的强吸附和聚集能力，这表明其在生物修复中的重要性。

如今，* S. platensis*被广泛用于生产营养补充剂。因此，本研究旨在评估* S. platensis*在消除聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）及其对红沼泽螯虾组织病理学变化和肠道微生物群影响方面的保护效果。通过饲料暴露的方式，研究将探讨* S. platensis*是否能够有效减轻PE-NPs对螯虾的毒性作用，并评估其在生物修复中的应用潜力。

在实验材料部分，聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）的粒径≥100 nm，从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）获得，为不规则形状的原始粉末。按照制造商的说明制备储备液，将1克粉末悬浮于1升纯化水中，并在4℃黑暗条件下储存。每次使用前，储备液会进行超声波处理，制备出10 mg/L的暴露浓度用于处理组。实验中还使用了甲醛、酒精等化学试剂，用于组织处理和染色。

在对食道的研究中，对照组的红沼泽螯虾食道呈短、直、管状结构，具有四个明显的食道沟，这些沟由食道上皮细胞的折叠形成。食道的外层被一层几丁质覆盖，随后是一层简单的柱状细胞。在上皮细胞下方，有一层薄而连续的结缔组织，其中散布着肌肉束。这些细胞的刷状缘和基底膜对PAS（过碘酸雪夫染色）呈阳性反应。

在讨论部分，红沼泽螯虾的食道由四个明显的食道沟组成，这些沟是由于食道上皮细胞的折叠形成的。在第二组（仅暴露于PE-NPs）中，观察到低级别的异型增生，表现为细胞核数量增加，这与较高的有丝分裂活动（M）有关。此外，还观察到了空隙或空泡的形成，这些空泡是由于上皮细胞受损引起的缺氧效应，其中大部分线粒体出现肿胀。这些组织学变化提示PE-NPs对螯虾的消化系统造成了显著的负面影响。

研究的结论指出，尽管PE-NPs能够穿透并累积在红沼泽螯虾的组织中，造成严重的消化道损伤，但* Spirulina platensis*作为一种生物修复微藻，表现出缓解PE-NPs毒性的作用。在肠道微生物群的分析中，发现真菌的数量显著增加，从0.20增加到0.36，而细菌的数量则超过初始水平的两倍。这一结果表明，* S. platensis*在改善螯虾肠道微生物群结构方面具有一定的潜力，可能为生物修复技术提供新的方向。

研究的作者贡献声明表明，Amal Mokhtar负责撰写和编辑、方法设计、实验调查和概念提出；Elhagag A. Hassan也参与了撰写、编辑、方法设计和实验调查；Mohamed A. Ghazy、Sherif F. Hammad和Alaa El-Din H. Sayed均参与了撰写、编辑、方法设计、实验调查和概念提出。研究者们声明不存在利益冲突，并对提供实验室设施和资源的埃及教育部和阿西尤特大学表示感谢。研究得到了埃及教育部的资助，并通过埃及-日本大学（E-JUST）的奖学金支持。这些支持为实验的顺利进行提供了必要的条件。

总体而言，本研究揭示了* Spirulina platensis*在减轻聚乙烯纳米塑料对红沼泽螯虾的毒性方面的重要作用。尽管纳米塑料对螯虾的消化系统和微生物群造成了一定的损害，但* S. platensis*的引入在一定程度上缓解了这些负面影响。研究结果不仅为生物修复技术提供了新的思路，也为评估微藻在环境污染治理中的应用潜力提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨* S. platensis*对不同种类纳米塑料的修复效果，以及其在不同环境条件下的适用性。此外，还可以研究* S. platensis*与其他生物修复剂的协同作用，以提高修复效率。这些研究将有助于更好地理解和应对纳米塑料对水生生态系统的潜在威胁，为环境保护和可持续发展提供支持。