海洋轮虫Brachionus koreanus的多代慢性毒性研究：微塑料碎片与球体的尺寸-形状依赖性毒性机制及多组学解析

本研究针对海洋微塑料(MPs)的尺寸(0.63-5.09μm)和形状(碎片vs球体)依赖性毒性机制，通过多代慢性实验结合转录组-代谢组多组学分析，发现小尺寸碎片MPs(fragment-S)对轮虫繁殖力与寿命的毒性最强且具代际增强效应，揭示能量代谢通路是MPs的共同作用靶点，而转录、神经系统等通路受MPs物理特性特异性调控，为MPs环境风险评估提供了分子证据。

　　

海洋中漂浮的微塑料(MPs)已成为全球性环境问题。这些直径小于5mm的塑料颗粒，每年以数百万吨的量级涌入海洋，却仅有不到10%被回收处理。更令人担忧的是，这些MPs在海洋环境中会逐渐破碎成不同形状和尺寸的颗粒，其中约50%-80%呈现不规则碎片形态。然而当前大多数毒性研究仅聚焦于实验室常用的球形MPs，忽略了真实环境中占主导地位的碎片状MPs的生态风险。

韩国海洋科学技术院的研究团队选择海洋生态关键物种——韩国臂尾轮虫(Brachionus koreanus)作为模型，首次系统比较了聚丙烯(PP)碎片与聚乙烯(PE)球体两种形态、四种尺寸(0.63-16μm)MPs的多代毒性效应。研究发现，仅小尺寸碎片MPs(fragment-S，0.63-2.33μm)能显著降低轮虫繁殖力(EC₅₀从F0代27.88mg/L降至F2代8.62mg/L)，且毒性呈现代际增强现象。转录组分析显示，fragment-S暴露组基因表达扰动最显著，涉及能量代谢、转录调控等通路；代谢组则仅在碎片MPs组检测到显著变化，证实形状是比尺寸更关键的毒性决定因素。

关键技术包括：1)多代慢性毒性实验(F0-F2连续暴露)；2)Illumina高通量转录组测序；3)LC-MS/MS非靶向代谢组学；4)粒径分布分析(d₁₀-d₉₀表征)。

【Multigenerational chronic toxicity】
通过21天跨代暴露实验发现，20mg/L fragment-S使F2代轮虫产卵时间延迟35%，繁殖力降低62%，而球形MPs(bead-S/L)仅在高浓度(50mg/L)时产生轻微影响，证实碎片MPs的尖锐边缘可能造成机械损伤。

【Transcriptomic modulation】
RNA-seq显示fragment-S组差异表达基因(DEGs)数量是bead-L组的6.8倍，其中能量代谢相关基因(如ATP合成酶)普遍下调，而神经递质受体基因(如GABA_AR)仅在碎片MPs组显著上调，提示形状特异性神经毒性。

【Metabolomic perturbation】
TCA循环中间体(柠檬酸、α-酮戊二酸)在碎片MPs组减少40%-60%，而球形MPs组未出现显著变化，表明不规则形状MPs更易干扰能量代谢稳态。

【Conclusion】
该研究首次通过多组学联用揭示了MPs物理特性与毒性的量效关系：1)毒性强度排序为fragment-S > fragment-L > bead-S > bead-L；2)碎片形状通过机械损伤和代谢干扰双重机制增强毒性；3)小尺寸MPs因高比表面积和长滞留时间产生代际累积效应。这些发现为修订MPs环境质量标准提供了关键科学依据，提示现行以球形MPs为主的风险评估体系可能严重低估真实环境风险。论文发表于《Journal of Hazardous Materials》，通讯作者Young-Mi Lee强调："未来应优先研究占海洋MPs主流的碎片形态，特别是<5μm颗粒的长期生态效应。"