功能化聚苯乙烯微塑料的发育毒性及其对斑马鱼鳍再生的抑制作用研究

本研究针对功能化微塑料（MPs）对水生生物毒性机制不清的问题，以斑马鱼为模型，探讨了羧基（-COOH）和氨基（-NH2）修饰的聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的发育毒性及对鳍再生的抑制效应。研究发现MPs暴露导致死亡率上升、体长减少、心率下降、运动能力受损，并破坏氧化还原稳态、神经系统发育和免疫应答，其中氨基修饰颗粒毒性最强。该研究揭示了微塑料表面功能化对其生物效应的重要影响，为评估环境微塑料风险提供了关键科学依据。

　　

在当今全球塑料污染日益严重的背景下，微塑料（Microplastics, MPs）作为一种新兴污染物，其对水生生态系统的潜在危害引发广泛关注。这些直径小于5毫米的塑料颗粒不仅通过物理作用影响生物体，更因其表面特性可吸附重金属、持久性有机污染物等有毒物质，从而加剧生态风险。尤其值得关注的是，为了满足工业需求，商业塑料常进行表面功能化修饰，如引入羧基（-COOH）或氨基（-NH₂）等官能团，这些修饰可能显著改变微塑料的环境行为及其与生物体的相互作用机制。然而，目前关于功能化微塑料，特别是纳米级微塑料对鱼类早期发育阶段及组织再生能力影响的研究仍较为缺乏。

斑马鱼因其胚胎透明、繁殖周期短、与哺乳动物高度保守的基因和生理特征，成为毒理学研究的理想模式生物。其强大的 caudal fin（尾鳍）再生能力，为研究污染物对组织修复和再生过程的影响提供了独特模型。在此背景下，研究人员旨在系统评估不同表面功能化的聚苯乙烯微塑料（Polystyrene Microplastics, PS-MPs）对斑马鱼早期发育的毒性效应，并深入探究其对尾鳍再生的抑制作用及相关分子机制。

该研究由Qian Li、Wenjing Cheng、Hongyu Wang、Jun Chen、Yueyun Qin、Ruozhu Sheng、Shaohong Peng、Zaitian Li、Tao Lu和Liwei Sun合作完成，发表于《Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology 》期刊。研究团队来自浙江工业大学环境学院，通过严谨的实验设计揭示了功能化微塑料的潜在生态风险。

为开展此项研究，作者主要应用了以下关键技术方法：使用斑马鱼（Danio rerio）作为模式生物，进行胚胎和幼虫阶段的暴露实验；通过尾鳍切除手术构建再生模型，并采用形态学测量和游泳行为分析评估再生效果；利用生化检测方法（如活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平、抗氧化酶活性和丙二醛（Malondialdehyde, MDA）含量测定）分析氧化应激状态；运用实时定量PCR（qRT-PCR）和蛋白质免疫印迹（Western Blot）技术检测与免疫、神经发育和再生相关基因及蛋白的表达变化；此外，还进行了组织切片和免疫荧光染色以观察细胞凋亡和增殖情况。

研究结果主要包括以下几个方面：

Developmental toxicity in early life stages

暴露于非功能化、羧基化及氨基化PS-MPs（浓度0.1、1和10 mg/L）的斑马鱼胚胎和幼虫均出现显著的发育毒性。具体表现为：死亡率随浓度升高而增加；幼虫体长显著缩短；心率明显下降；游泳能力受损。此外，所有类型PS-MPs均引起氧化还原稳态失衡，表现为ROS过量生成、抗氧化酶活性降低及脂质过氧化水平升高。同时，神经发育相关基因表达异常，免疫反应相关指标也发生显著改变，表明MPs暴露干扰了正常的生理过程。

Inhibitory effects on fin regeneration

在1 mg/L浓度下，所有三种PS-MPs均对斑马鱼幼虫尾鳍再生过程产生抑制。形态学观察显示，再生鳍面积显著减小，再生速度延迟；功能上，再生鳍的游泳性能恢复受阻。进一步机制研究表明，这种抑制效应与免疫应答改变、ROS爆发以及再生相关信号通路（如Wnt和Fgf信号网络）的紊乱密切相关。

Differential effects of surface functionalization

在所有测试的PS-MPs中，氨基修饰的颗粒（PS-NH₂）表现出最强的发育毒性和对鳍再生的抑制能力，其次为羧基修饰颗粒（PS-COOH），非功能化PS-MPs的效应相对较弱。这种差异可能与表面电荷、颗粒聚集状态及细胞摄取效率不同有关，导致其与生物分子的相互作用强度各异。

研究结论部分强调，表面功能化显著影响微塑料的毒理学特性，氨基修饰尤其加剧了对斑马鱼发育和再生过程的不利影响。该发现不仅证实了微塑料与生物系统的相互作用受其物化性质调控，还警示了功能化微塑料（无论是人工添加还是自然风化形成）的潜在生态与健康风险。讨论中进一步指出，未来需深入探索功能化微塑料在分子水平上的作用机制，以及其长期暴露对种群水平和生态系统功能的潜在影响，为制定更有效的环境监管策略提供科学依据。