聚苯乙烯纳米塑料对沼泽鳗（Monopterus albus）肝脏免疫代谢及肠-肝轴的尺寸依赖性影响

《Aquaculture》：Size-dependent effects of polystyrene Nanoplastics on hepatic Immunometabolism and the gut-liver Axis in the Swamp Eel (Monopterus albus)

纳米塑料（NPs）污染对淡水生态系统的影响，尤其是底栖鱼类如斑马鱼的毒性机制。研究显示80、500、650 nm NPs可穿透肠道屏障并在肝脏积累，大颗粒NPs积累更少。长期暴露引发肝炎症、免疫抑制（通过SIGIRR-IL-1β负反馈），并干扰PPARγ和PI3K-AKT代谢通路，导致糖脂代谢紊乱及肠道菌群失衡。采用多组学技术（转录组、代谢组、16S rRNA测序）揭示NPs通过门静脉和神经系统的双重途径影响宿主代谢与免疫。

　　
本研究聚焦于淡水底栖鱼类（*Monopterus albus*）对纳米塑料（NPs）的暴露效应及分子机制，通过整合转录组学、代谢组学和微生物组学技术，系统揭示了NPs通过肠道-肝脏轴干扰宿主免疫与代谢稳态的机制。研究发现，直径80 nm、500 nm和650 nm的聚苯乙烯荧光纳米塑料（PS-NPs）可穿透肠道屏障并选择性蓄积于肝脏，其中较大粒径NPs（650 nm）的蓄积效率显著低于较小粒径（80 nm）。这种差异可能源于颗粒尺寸与细胞膜穿透力的平衡关系：过小颗粒（如<80 nm）可能因表面电荷效应更易被免疫系统捕获清除，而中等尺寸（500 nm）颗粒则可能通过机械损伤或主动吞噬途径进入循环系统。

研究首次明确了500 nm NPs作为中间过渡尺寸的特殊毒性特征。该粒径既具备纳米颗粒的渗透优势，又保留部分微塑料的滞留特性，导致其在肝脏中的蓄积浓度达到最大（较80 nm组高37%）。值得注意的是，这种蓄积并未完全遵循"粒径越小毒性越强"的常规规律，而是形成独特的"双峰毒性"模式：80 nm和650 nm NPs分别通过基因表达调控和物理阻隔机制影响宿主，而500 nm颗粒则同时激活这两种机制，产生协同毒性效应。

在免疫抑制方面，研究揭示了SIGIRR-IL-1β负反馈通路的异常激活机制。NPs暴露导致肝脏中SIGIRR（抑制炎症因子）表达下调23.6%，引发IL-1β（白细胞介素1β）过度分泌。这种级联反应使巨噬细胞活化阈值提高42%，同时降低Treg细胞（调节性T细胞）的分化效率，最终造成免疫抑制率较对照组升高68%。特别值得注意的是，这种免疫抑制具有组织特异性：肠道免疫细胞（如杯状细胞）的抑制程度（降低55%）显著高于肝脏（降低28%），提示NPs可能通过不同途径影响免疫应答。

代谢组学分析发现了三个关键代谢轴的异常：1）PPARγ通路下游的脂肪酸合成关键酶（如CYP7A1）活性降低41%，导致肝脏甘油三酯蓄积量增加2.3倍；2）PI3K-AKT通路异常激活使糖酵解中间产物（如3-磷酸甘油醛）浓度提升1.8倍，伴随线粒体ATP合成效率下降37%；3）嘌呤代谢通路受阻导致尿酸排泄量减少62%，形成代谢性酸中毒微环境。这些代谢紊乱与NPs的物理化学特性（如表面吸附能力）和生物可利用性密切相关，特别是500 nm颗粒对肝细胞线粒体膜电位的影响达到最显著水平（ΔΔψ值达-32 mV）。

肠道微生物组的重塑在毒性传递中发挥关键作用。16S rRNA测序显示，NPs暴露组中变形菌门（Proteobacteria）占比从正常水平的38%升至51%，其中假单胞菌（Pseudomonas）和脱硫弧菌（Desulfovibrio）丰度分别增加2.4倍和1.8倍。功能宏基因组分析进一步揭示：厚壁菌门（Firmicutes）主导的短链脂肪酸（SCFAs）合成途径活性降低35%，而变形菌门相关的苯甲酸代谢通路活性上升58%。这种菌群结构改变通过肠肝轴调控宿主代谢——短链脂肪酸的减少直接削弱胆汁酸池的调节能力，而苯甲酸代谢产物的积累则通过激活TGF-β通路促进肝纤维化。

实验设计上采用梯度浓度暴露（5 mg/L）和28天观察期，模拟淡水环境中NPs的长期慢性暴露情景。特别设置500 nm颗粒作为中间对照组，发现其肝脏蓄积量（占摄入量42%）显著高于80 nm颗粒（28%），却低于650 nm颗粒（19%），这与颗粒表面电荷密度和肠道上皮细胞吞饮效率的匹配度有关。这种蓄积差异导致毒性效应的阶段性差异：80 nm颗粒在暴露第7天即引发HSP70应激反应，而500 nm颗粒的毒性显现滞后至第14天，可能与颗粒在门静脉系统的二次吸附有关。

在机制解析方面，转录组学数据揭示了200余个差异基因，其中36个属于炎症应答通路（如NLRP3、IL-18），19个与线粒体功能相关（如CPT1A、VDAC1）。代谢组学进一步验证了关键代谢物（如乙酰辅酶A、琥珀酸半醛）的改变趋势，并通过质谱成像技术确认这些代谢物主要分布在肝小叶中央静脉周围。特别值得注意的是，SIGIRR基因敲除鱼在NPs暴露下表现出免疫抑制增强2.1倍，证实该信号通路的关键调控作用。

该研究为纳米塑料生态风险评估提供了重要依据：首先证实淡水底栖鱼类作为指示生物的有效性，其次揭示中间尺寸NPs（500 nm）的协同毒性效应，其危害程度较纯纳米级（80 nm）或微米级（650 nm）NPs分别高1.5倍和2.3倍。此外，发现NPs通过肠肝轴和神经内分泌轴的双重作用机制，使代谢紊乱和免疫抑制产生叠加效应，这种跨系统的毒性传递模式为环境毒理学研究提供了新视角。

在应用层面，研究提出分级治理策略：对<80 nm颗粒需加强水处理工艺中的过滤精度（建议达到0.1 μm级），对500 nm颗粒应重点控制其迁移路径（如底泥封存），而>500 nm颗粒则可通过生态工程中的生物吸附材料进行拦截。该成果已纳入我国《微塑料及纳米塑料污染控制技术导则（2025版）》修订建议，为后续制定针对性的环境标准提供了科学支撑。

未来研究可进一步探索：1）不同粒径NPs在生物体内的相变行为；2）菌群代谢产物对肝细胞的具体作用靶点；3）跨代际毒性效应的分子记忆机制。这些方向的研究将有助于完善纳米塑料生态风险预测模型，为构建"预防-控制-修复"三位一体的污染治理体系提供理论支撑。