饲料源微塑料暴露诱导大西洋鲑氧化应激与分子毒性效应的剂量依赖性研究

《Science of The Total Environment》：Action mechanism as a cause of chronic constipation of inhaled and intravenously injected polystyrene nanoplastics in ICR mice

本研究针对水产养殖中微塑料污染日益严重的问题，系统探讨了饲料源聚丙烯微塑料对重要经济鱼种大西洋鲑的亚慢性毒性效应。研究人员通过90天膳食暴露实验发现，即使在实际环境相关浓度下，微塑料虽不影响鱼类生长存活，但可诱导剂量依赖性的氧化应激反应（血浆GSH升高）和肝转录组紊乱，涉及内质网应激、DNA损伤等关键通路。研究首次通过基准剂量建模确定GSH为最敏感指标，为水产养殖微塑料安全风险评估提供了重要科学依据。

　　

随着全球塑料产量从1950年的150万吨飙升至2022年的400.3万吨，塑料污染已成为笼罩在海洋生态系统上的巨大阴影。其中尺寸小于5毫米的微塑料（MPs）尤其令人担忧，它们易被水生生物误食并沿食物链传递。挪威作为大西洋鲑养殖的全球领导者，2022年产量达151万吨，价值1056亿挪威克朗。然而近年研究发现，养殖鲑鱼的内脏、肌肉乃至商业饲料中均检出多种聚合物类型的微塑料，包括聚酰胺（PA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等。这些微小颗粒可能通过饲料原料、养殖设备等途径进入养殖系统，但关于其对重要经济鱼类的毒性效应机制仍存在认知空白。

为此，挪威Nord大学的研究团队在《Science of The Total Environment》上发表了一项开创性研究，通过90天的膳食暴露实验，系统评估了聚丙烯微塑料对大西洋鲑的毒性效应。研究团队设计了包括阴性对照（A组）、四个梯度暴露组（B-F组）及二氧化硅颗粒对照组（G组）的实验方案，其中B-D组反映实际养殖环境浓度，E-F组分别为环境浓度的2倍和5倍。通过综合运用形态测量、血浆生化分析、肝脏氧化应激指标检测、转录组测序和基准剂量建模等多维度技术手段，揭示了微塑料诱导的亚毒性效应。

关键技术方法包括：通过冷冻研磨与行星式球磨制备PP微塑料暴露材料，采用激光衍射仪和光学显微镜进行颗粒表征；利用加速溶剂萃取-热裂解气相色谱/质谱法（Py-GC/MS）定量饲料中微塑料含量；通过μFTIR光谱分析鱼体组织中微塑料分布；采用全自动血液分析仪和电解质分析仪检测血浆生化参数；使用酶标法测定肝脏谷胱甘肽（GSH/GSSG）水平；基于Illumina NovaSeq平台进行肝脏转录组测序，并通过DESeq2软件进行差异表达基因分析；最后采用EFSA基准剂量（BMD）建模评估毒性阈值。

3.1 微塑料表征与污染现状

研究发现实验饲料本底污染严重，对照组（A）意外检出31.34 mg/kg的PP微塑料，甚至高于中剂量组（E）的设计添加量。鱼体组织分析显示，肝脏中微塑料含量（108.6±18.5 MP/100g）显著高于肌肉（38.4±11.6 MP/100g），但未呈现剂量依赖性积累，提示鲑鱼可能具有高效的微塑料清除机制。

3.2 生长指标未受显著影响

在所有暴露浓度下，鲑鱼的终末体重、体长增长、特定生长率及肝体指数等形态学参数均无统计学差异，表明90天暴露未引起生长抑制或形态异常。

3.3 血浆生化参数出现紊乱

中高剂量组（D-F）出现多项血浆指标异常：氯化物在D-F组显著升高；白蛋白（ALB）、碱性磷酸酶（ALP）、丙氨酸转氨酶（ALT）等在E-F组上升；免疫球蛋白M（IgM）和总蛋白在最高剂量组变化显著。这些变化提示微塑料可能影响渗透压调节、肝功能和免疫应答。

3.4 氧化应激响应最为敏感

肝脏氧化应激指标显示，总谷胱甘肽（GSH）从D组开始呈剂量依赖性显著上升，而氧化型谷胱甘肽（GSSG）与GSH/GSSG比值无显著变化。基准剂量建模确认GSH为最敏感指标，其BMDL₂₀（基准剂量下限）仅为0.266 mg/kg。

3.5 转录组揭示分子毒性机制

肝脏转录组分析发现，E组和F组分别出现61和213个差异表达基因（DEGs），且随剂量增加下调基因比例升高。GO富集分析显示内质网应激、蛋白质糖基化等通路激活，KEGG通路分析表明碳代谢、核质运输等过程紊乱。qPCR验证确认DNA损伤标志物tp53inp、热休克蛋白基因dnajc3等关键基因表达异常。

这项研究首次系统阐明饲料源微塑料在大西洋鲑体内引发的剂量依赖性毒性效应。虽然实际养殖浓度下的微塑料暴露未导致生长性能下降，但通过氧化应激、血浆生化紊乱和转录组扰动等多维度证据，揭示出潜在的亚致死毒性风险。特别值得注意的是，基准剂量建模将血浆GSH确定为最敏感的毒性终点，为制定水产养殖微塑料安全阈值提供了关键参考。研究还警示实验环境中普遍存在的微塑料本底污染可能干扰毒性评估，强调需在工业层面优化饲料生产工艺和设备材料。这些发现不仅为理解微塑料对水产经济物种的毒性机制提供了新见解，也为制定可持续水产养殖的微塑料管控策略奠定了科学基础。