聚苯乙烯微塑料和纳米塑料通过氧化应激和神经递质紊乱在斑马鱼中引发神经毒性

《Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology》：Polystyrene microplastics and nanoplastics induce neurotoxicity in zebrafish via oxidative stress and neurotransmitter disruption

微塑料和纳米塑料对斑马鱼神经发育的毒性机制研究。PS-MPs和PS-NPs暴露导致形态畸形、行为异常及神经递质失衡，氧化应激和基因表达改变起关键作用。

　　塑料污染已成为全球性环境问题，其影响已从海洋、陆地延伸至大气环境。随着塑料制品在日常生活和工业生产中的广泛应用，微塑料（Microplastics, MPs）和纳米塑料（Nanoplastics, NPs）逐渐成为生态系统和人类健康的主要威胁。这些微小的塑料颗粒不仅在环境中广泛存在，还通过食物链的传递机制对生物体造成潜在危害。本研究聚焦于聚苯乙烯微塑料（PS-MPs，5 μm）和纳米塑料（PS-NPs，60 nm）对斑马鱼（*Danio rerio*）神经发育的毒性作用，并探讨其可能的机制，为理解塑料污染对生物体的潜在影响提供科学依据。

斑马鱼因其在环境毒理学研究中的重要地位而被广泛使用。作为一种模式生物，斑马鱼与人类具有87%的基因相似性（Howe et al., 2013），这使得其在研究环境污染物对生物体影响方面具有显著优势。此外，斑马鱼的胚胎发育周期短、透明胚胎便于观察，且其生命周期和生理结构与许多脊椎动物相似，因此在评估污染物对神经发育的毒性时，具有高度的适用性。本研究通过将斑马鱼胚胎暴露于不同浓度的PS-MNPs（即PS-MPs和PS-NPs的混合物），从形态、行为和分子水平等多个维度系统评估其毒性效应，旨在揭示塑料污染对神经系统的潜在危害。

实验结果显示，PS-MNPs对斑马鱼胚胎的神经发育产生了显著的负面影响。在暴露过程中，斑马鱼胚胎出现了多种形态学异常，包括脊柱弯曲、心包水肿和体色异常等。这些异常表明，PS-MNPs可能干扰了胚胎发育过程中关键结构的形成，影响了骨骼、心血管和视觉系统的正常发育。同时，PS-MNPs还导致了胚胎心率加快和体长缩短等生理变化，进一步表明其对发育中的生物体具有潜在的毒性作用。这些形态学变化可能与PS-MNPs对细胞分裂、分化和组织形成的干扰有关，具体机制仍需进一步研究。

在行为学方面，PS-MNPs暴露后的斑马鱼胚胎和幼鱼表现出明显的异常。例如，胚胎的自发尾卷行为减少，而幼鱼则在光照刺激下表现出过度活跃的游泳行为。这些行为变化可能与神经系统功能的紊乱有关，尤其是与神经递质系统的失衡密切相关。研究发现，PS-MNPs暴露导致胚胎和幼鱼体内多巴胺、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸（GABA）和血清素等关键神经递质水平下降。这些神经递质在调节情绪、认知功能和运动控制中发挥重要作用，其浓度的降低可能干扰了神经信号的传递，从而引发行为异常。此外，PS-MNPs还影响了与神经发育相关的基因表达，如*mbpa*、*ache*和*gfap*等。这些基因在神经系统的形成和功能中起着关键作用，其表达的改变可能进一步导致神经系统的发育障碍。

在分子机制层面，研究发现PS-MNPs暴露显著增加了斑马鱼幼鱼体内的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平，并上调了抗氧化基因如*sod1*和*cat*的表达。ROS水平的升高表明PS-MNPs可能通过诱导氧化应激来影响神经发育。氧化应激是细胞内氧化反应与抗氧化反应失衡的结果，通常会导致细胞损伤、DNA突变和蛋白质功能异常。因此，PS-MNPs可能通过引发氧化应激，干扰神经细胞的正常功能，进而影响神经系统的发育和行为表现。同时，PS-MNPs对抗氧化基因的上调可能反映了机体在面对塑料污染时的应激反应，但这种反应是否足以抵消其毒性，仍需进一步探讨。

进一步的机制研究还揭示了PS-MNPs对神经递质系统的干扰。神经递质是神经系统中传递信号的关键分子，其浓度和功能的异常可能导致神经传导受阻，进而影响个体的行为和认知能力。研究发现，PS-MNPs暴露导致多巴胺、乙酰胆碱、GABA和血清素等神经递质水平的显著下降，这可能与塑料颗粒对神经元的物理性损伤或对神经递质合成和释放过程的干扰有关。此外，PS-MNPs还可能通过影响神经递质受体的表达或功能，进一步干扰神经信号的传递。这些发现不仅为理解塑料污染对神经系统的影响提供了新的视角，也为评估其对人类健康的风险提供了理论支持。

从生态和健康的角度来看，塑料污染的潜在危害不仅限于直接接触的生物体，还可能通过食物链的传递机制对更高级别的生物造成影响。微塑料和纳米塑料因其微小的尺寸，容易被生物体摄入并积累在体内，进而影响其生理功能。例如，研究发现PS-MNPs能够穿透血脑屏障，进入中枢神经系统，干扰神经递质的平衡。这种机制可能在更广泛的生物中普遍存在，包括哺乳动物和人类。因此，塑料污染对生态系统的威胁可能不仅局限于单一物种，而是通过复杂的生态网络对整个生态系统造成连锁反应。

此外，塑料污染对人类健康的潜在影响也引起了广泛关注。人类主要通过食物摄入微塑料，尤其是在食用鱼类和贝类等水生生物时，微塑料可能通过食物链进入人体。研究表明，微塑料和纳米塑料在人体内可能引发氧化应激、炎症反应和内分泌干扰等效应，进而影响多个器官系统的功能。例如，微塑料可能对肝脏、肾脏和免疫系统产生负面影响，甚至可能增加某些慢性疾病的发病风险。因此，理解塑料污染对神经系统的影响，对于评估其对人类健康的潜在威胁具有重要意义。

本研究通过使用斑马鱼作为模型生物，系统评估了PS-MNPs对神经发育的毒性作用，并揭示了其可能的分子机制。实验结果表明，PS-MNPs在不同浓度下均对斑马鱼的神经发育产生显著影响，包括形态学异常、行为改变和神经递质水平的失衡。同时，PS-MNPs还通过诱导氧化应激，进一步加剧了这些毒性效应。这些发现不仅为塑料污染对生态系统的危害提供了新的证据，也为评估其对人类健康的潜在影响奠定了基础。

值得注意的是，本研究的实验设计采用了从胚胎到幼鱼的多阶段评估，涵盖了神经发育的关键时期。这种多阶段评估方法有助于全面了解PS-MNPs对神经系统的影响，尤其是在不同发育阶段可能表现出不同的毒性效应。例如，胚胎期的暴露可能导致结构发育异常，而幼鱼期的暴露则可能影响行为表现和神经功能。因此，本研究的结果为塑料污染对神经系统的影响提供了更为细致的分析，有助于进一步探讨其在不同生物体中的毒性机制。

此外，研究中还涉及了多种实验技术，包括扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱（Raman spectroscopy），用于观察和验证PS-MNPs的形态和化学结构。这些技术的应用不仅提高了实验的准确性，也为后续研究提供了可靠的实验数据。同时，实验中还采用了多指标评估方法，包括形态学、行为学和分子生物学等多个层面的分析，这种综合评估方法有助于全面揭示PS-MNPs的毒性效应，为环境毒理学研究提供了新的思路。

本研究的发现对于环境保护和公共卫生政策具有重要的指导意义。首先，它强调了微塑料和纳米塑料对生态系统的潜在危害，尤其是在水生生物中的神经发育毒性。这提示我们，需要加强对塑料污染的监测和管理，尤其是在水域生态系统中，防止微塑料和纳米塑料的进一步扩散。其次，研究结果也表明，塑料污染可能通过食物链的传递机制对人类健康产生间接影响。因此，政府和相关机构应加强对食品中微塑料含量的监管，尤其是在水产品中，以减少人类摄入微塑料的风险。

最后，本研究的作者团队由多位研究人员组成，他们在实验设计、数据分析和论文撰写等方面发挥了重要作用。研究得到了广东省基础与应用基础研究基金的支持，体现了科研机构对这一重要议题的关注。同时，研究团队声明没有利益冲突，确保了研究结果的客观性和科学性。这些因素共同保证了本研究的可信度和实用性，为后续相关研究提供了重要的参考。

综上所述，本研究通过系统评估PS-MNPs对斑马鱼神经发育的毒性作用，揭示了塑料污染对生态系统和人类健康的潜在威胁。研究结果表明，PS-MNPs可能通过干扰神经递质系统和诱导氧化应激，导致神经发育障碍和行为异常。这些发现不仅有助于理解塑料污染的生态影响，也为评估其对人类健康的潜在风险提供了科学依据。未来的研究应进一步探讨PS-MNPs在不同生物体中的毒性机制，并结合实际环境条件，评估其对生态系统和人类健康的综合影响。