从母亲传给后代：聚苯乙烯纳米塑料通过线粒体功能障碍留下隐性的毒性隐患

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：From mothers to offspring: Polystyrene nanoplastics create a hidden toxic legacy via mitochondrial dysfunction

纳米塑料；斑马鱼；生殖毒性；跨代毒性；线粒体功能障碍；自噬；氧化磷酸化；转录组学；电镜分析；生态风险

　　塑料污染已成为全球性问题，其中纳米塑料（NPs）因其持久性、迁移性和生物效应，对水生生态系统构成了严重威胁。尽管生态风险逐渐受到重视，但其对生殖和跨代毒性的作用机制仍不清楚。本研究通过观察不同浓度的聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）对斑马鱼（*Danio rerio*）繁殖和后代发育的影响，探讨了其潜在的生态危害。实验中，雌性斑马鱼在与未暴露的雄性斑马鱼交配前，被暴露于1、10和100 μg/L的PSNPs中，随后其F1后代在无PSNP的环境中生长。结果显示，100 μg/L浓度的PSNPs显著降低了孵化成功率并增加了死亡率，而较低浓度则导致畸形和提前孵化。这些影响在后代未直接暴露的情况下依然存在，表明PSNPs具有稳定的跨代毒性。转录组学和超微结构分析显示，PSNPs暴露导致了卵巢和F1后代的线粒体功能障碍，包括异常分裂、氧化磷酸化受损以及线粒体自噬（mitophagy）功能缺陷。蛋白质表达分析进一步揭示了卵巢和后代中不同的分子机制。这些发现表明，线粒体损伤是PSNPs诱导跨代毒性的核心驱动因素，为微塑料（MPs）对生殖和遗传风险提供了新的机制理解，并突显了其对水生种群的长期生态威胁。

随着人类社会的快速发展，许多国家正面临与人口结构相关的重大挑战，这些挑战部分源于社会压力，但更关键的是环境因素对生殖能力的削弱。生育能力不仅包括个体的生殖健康，还涉及出生率和新生儿健康结果。全球约有10%至30%的育龄夫妇遭受不孕问题，其中卵子或精子功能退化已成为公众健康的重要关注点。女性不孕占所有不孕病例的约40%。近年来，越来越多的证据表明，环境化学物质和不良生活习惯会损害生殖能力及胎儿发育。同时，微塑料和纳米塑料（MNPs）的复杂和有害生物效应也引起了广泛关注，这促使科学家对它们可能引发的生殖毒性进行深入研究，特别是聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）的影响。

在实验中，研究团队选择了斑马鱼作为模型生物，因其在生态毒理学研究中的广泛应用。斑马鱼具有快速繁殖、透明胚胎和遗传背景清晰等优点，使得其成为研究环境污染物对生殖和发育影响的理想对象。研究发现，PSNPs暴露后，母体的卵巢组织和F1后代均表现出显著的线粒体损伤。通过透射电子显微镜（TEM）观察，研究人员发现PSNPs暴露导致了卵巢细胞中线粒体的异常分裂，形态从正常的长条形转变为圆形，并伴有线粒体肿胀和嵴结构的丧失。这些现象表明，PSNPs可能通过干扰线粒体的结构和功能，进而影响胚胎的发育。

此外，研究团队利用转录组学分析进一步探讨了PSNPs对母体卵巢和F1后代的分子机制。结果显示，卵巢和F1后代中存在显著不同的基因表达模式，但两者均涉及线粒体相关通路的改变。例如，在卵巢中，PSNPs暴露显著上调了与钙信号和内吞作用相关的基因，同时下调了与自噬和线粒体自噬（mitophagy）相关的基因。而在F1后代中，基因表达则更多地集中在丙酮酸代谢和自噬相关通路。这些通路的共同变化表明，PSNPs可能通过干扰线粒体的动态平衡，进而影响生殖和发育过程。

进一步的蛋白质表达分析揭示了PSNPs对线粒体相关蛋白的影响。在母体卵巢中，暴露于10和100 μg/L的PSNPs显著增加了DRP1的磷酸化水平，而DRP1是线粒体分裂的关键蛋白。这一变化与线粒体的异常分裂现象一致，表明PSNPs可能通过激活DRP1的磷酸化，导致线粒体分裂过度。同时，COXIV的表达水平显著降低，COXIV是线粒体氧化磷酸化的重要组成部分，其减少可能反映了线粒体功能的受损。在F1后代中，DRP1的总表达水平升高，但其磷酸化水平下降，这可能意味着线粒体分裂被抑制，而自噬功能也受到干扰，表现为LC3-II/LC3-I比值的降低以及TOM20和TIM23蛋白的积累。这些结果表明，尽管PSNPs对母体和后代均造成了线粒体损伤，但具体的分子机制在不同世代中存在差异。

ATP水平的检测进一步支持了线粒体功能障碍的结论。研究发现，母体卵巢和F1后代在暴露于10和100 μg/L的PSNPs后，ATP水平显著下降。这表明线粒体的产能能力受到抑制，进而影响胚胎的发育。而在10 μg/L的暴露组中，F1后代的ATP水平反而升高，这可能与不同浓度的PSNPs对线粒体功能的影响存在差异。此外，研究还发现，PSNPs暴露导致了F1后代的形态异常，包括心肌发育缺陷和骨骼畸形，这些异常在没有直接暴露的情况下依然存在，进一步证明了PSNPs对后代的跨代毒性。

研究团队还探讨了PSNPs可能通过哪些机制影响后代的发育。其中，线粒体自噬（mitophagy）被认为是清除受损线粒体的关键过程。然而，PSNPs暴露不仅增加了自噬相关蛋白的表达，还可能阻碍了自噬过程的正常进行，导致受损线粒体的积累。这种线粒体自噬的紊乱可能对胚胎的发育造成严重影响，从而引发一系列不良后果。此外，研究还发现，PSNPs暴露可能通过改变基因表达模式，影响胚胎的代谢和发育过程。例如，某些基因在母体卵巢和F1后代中均被显著上调或下调，这表明PSNPs可能通过特定的分子通路，将毒性传递给后代。

值得注意的是，尽管PSNPs对母体和后代均造成了显著的毒性影响，但具体的分子机制在不同世代中有所不同。例如，母体卵巢中DRP1的磷酸化水平升高，而F1后代中DRP1的总表达水平升高但磷酸化水平下降。这种差异可能反映了不同世代对PSNPs的响应机制存在区别，也可能与线粒体的遗传传递和表观遗传调控有关。此外，研究还发现，PSNPs暴露可能导致母体卵巢中线粒体的形态和功能改变，并通过卵细胞传递给后代，从而引发跨代毒性。这一发现不仅为理解微塑料的生态影响提供了新的视角，也为评估其对人类生殖健康的风险提供了理论依据。

在讨论部分，研究团队进一步分析了PSNPs对水生生态系统的潜在影响。他们指出，塑料污染每年进入水体的量估计为9至14百万吨，而微塑料在水体中的广泛存在可能对水生生态系统造成深远影响。微塑料具有多种形态和复杂的物理化学性质，能够与环境基质相互作用，从而在不同水体中扩散。例如，在北太平洋副热带环流中，超过一半的塑料碎片可以追溯到20世纪，这表明微塑料具有长期的环境滞留性。此外，大气沉降也是微塑料进入水体的重要途径，每年可能有0.013至25百万吨的微塑料通过大气传输进入水体，最终沉积在水生环境中。这些数据表明，微塑料污染的范围和持续时间远超人们的预期，可能对水生生物和生态系统造成不可逆的影响。

在实际环境中，斑马鱼等水生生物可能长期暴露于微塑料污染，这种暴露可能通过多种机制影响其生殖和发育。例如，微塑料可能通过干扰线粒体功能，影响胚胎的能量代谢和发育过程。此外，微塑料可能通过改变基因表达模式，影响后代的生理和代谢功能。这些机制可能与表观遗传变化有关，如DNA甲基化和组蛋白修饰等。尽管本研究主要关注线粒体相关机制，但未来的研究应进一步探讨微塑料对内分泌系统和表观遗传调控的影响，以及与其他污染物的协同效应。

研究团队还指出，虽然本研究提供了关于PSNPs对斑马鱼生殖和跨代毒性的重要信息，但其结果仍基于实验室条件，可能无法完全反映自然环境中的复杂情况。因此，未来的研究需要在自然水体中评估微塑料的长期生态影响，特别是在多代连续暴露的情况下。此外，由于微塑料污染具有全球性，不同地区的水体中微塑料的浓度可能有所不同，这可能影响其对水生生物的具体影响。例如，中国鄱阳湖中的微塑料浓度高达34,000个/立方米，而韩国的水体中微塑料浓度约为4.5 mg/L。这些差异可能与水体环境、污染源和生物适应性有关，需要进一步研究以全面理解微塑料的生态影响。

综上所述，本研究揭示了PSNPs对斑马鱼生殖和跨代毒性的潜在机制，强调了线粒体功能障碍在其中的核心作用。这些发现不仅有助于理解微塑料对水生生态系统的威胁，也为评估其对人类生殖健康的风险提供了新的思路。然而，由于微塑料污染的复杂性和多变性，未来的研究仍需进一步探索其与其他污染物的相互作用，以及其在不同环境条件下的具体影响。通过深入研究微塑料的生态和健康影响，可以为制定有效的污染防控措施提供科学依据，从而保护水生生态系统和人类健康。