纳米塑料暴露会损害海洋米鱼（Oryzias melastigma）的神经可塑性、认知能力以及生态适应能力

《Marine Pollution Bulletin》：Nanoplastic exposure damages neural plasticity, cognitive abilities, and ecological adaptability of marine medaka Oryzias melastigma

海洋圆尾鲡慢性暴露于50 nm聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）导致空间认知和数值决策能力下降，行为模式异常及生态适应性降低，转录组分析揭示细胞粘附和氧化应激相关基因表达改变。

　　

Xianyu Yuan|Guihui Ning|Yong Liu|Sunil Kadri|Jiezhang Mo|Zhen Wang|Ping Li|Zonghang Zhang

中国广东省汕头大学海洋灾害预测与防治重点实验室

摘要

纳米塑料广泛分布于各种水生环境中，对生物体构成潜在威胁。尽管人们对纳米塑料的毒性越来越重视，但它们对鱼类高级认知功能和生态适应性的影响仍知之甚少。本研究探讨了50纳米聚苯乙烯纳米塑料对海洋鲻鱼（Oryzias melastigma）认知和适应性的影响，并通过转录组分析进一步探索了潜在的分子机制。暴露于纳米塑料的鱼类在空间和数字学习任务中表现出更快的决策速度，但准确性较低，表明其认知能力下降。这些鱼类在群体间的距离更近，回避距离增加，并且在中型生态系统中对庇护所的依赖性更强。转录组分析还显示，参与细胞粘附、信号传导和氧化应激的基因表达发生了变化，尤其是在焦点粘附和紧密连接途径中。本研究为纳米塑料的神经行为毒性提供了额外的证据，并强调了将纳米塑料纳入当前塑料管理策略的重要性。

引言

近年来，全球塑料污染已成为一个严重的环境挑战，约10%的塑料进入海洋，占所有海洋垃圾的80-85%（Auta等人，2017年；Yuan等人，2025年）。此外，所谓的可持续替代品（如可降解塑料）的不完全降解也会产生持久的微塑料颗粒（Shi等人，2024年），加剧这一负担。这些塑料在紫外线辐射、机械磨损和微生物作用下逐渐分解为微塑料（<5毫米）和纳米塑料（<100纳米，NPs）（Lambert和Wagner，2016年；Oliveira等人，2019年），最终扩散到各种水生生态系统中（Zarfl和Matthies，2010年）。尽管对水生环境中纳米塑料的直接测量数据很少，但早期的风险评估研究表明，塑料垃圾的逐步破碎可能会产生大量纳米级颗粒。一些风险评估研究采用了相对较高的微塑料浓度（例如4.5毫克/升）来代表上限或局部暴露情景，而不是开放海域的平均浓度。由于纳米塑料体积极小、比表面积大（Koelmans，2019年）、吸附能力强（Wang等人，2020年）以及具有极强的生物屏障穿透能力（Han等人，2024年），它们对海洋生物构成了严重威胁。作为水生关键物种，鱼类会因纳米塑料而出现多种器官系统的病理变化。例如，鲫鱼（Carassius auratus）肠道中的纳米塑料积累会通过虚假饱腹信号抑制生长（Cerasa等人，2021年；Mattsson等人，2017年）。纳米塑料也被认为会影响斑马鱼（Danio rerio）的生物学特性，表现为存活率降低（Hwang等人，2022年）以及运动/昼夜节律障碍（Cao等人，2024年；Sarasamma等人，2020年）。这些影响会通过生物层级传递，危及鱼类的生存能力和水生生态系统的结构完整性。

纳米塑料对鱼类的毒性影响可能超出传统的生理损伤，现在还对它们的认知功能构成严重威胁。实证研究表明，鱼类利用复杂的认知系统处理环境刺激，从而实现从资源获取到风险规避和迁徙导航等关键生存策略。控制实验证实，斑马鱼在迷宫任务中表现出强大的空间学习能力（Jones等人，2023年；Watanabe和Shinozuka，2020年），尽管这种认知表现存在种间差异和性别差异。更值得注意的是，实验证据揭示了鱼类显著的数字认知能力。例如，斑马鱼能够区分3:4和4:6的比例，但随着数量增加（如4:8），这种能力显著下降（Potrich等人，2015年）；东方蚊鱼（Gambusia holbrooki）和淡水神仙鱼（Pterophyllum scalare）能够自发评估鱼群大小（Agrillo等人，2010年；Gómez-Laplaza和G Erlai，2011年）；蓝纹清洁鱼（Labroides dimidiatus）对不同数量的黑色方块有不同的反应（Aellen等人，2022年）。虽然这些认知能力与鱼类的关键生存策略密切相关，例如主动偏好较大的鱼群（通过稀释效应避免捕食者，Foster和Treherne，1981年；Hager和Helfman，1991年）或为了资源分配而优化群体规模（Forsatkar等人，2016年；Hoare等人，2004年），但在评估纳米塑料对它们的毒性影响方面仍存在关键的研究不足，这为生态风险评估在个体和种群层面带来了障碍。

尽管大量的实验室研究表明纳米塑料可以影响鱼类的生理、行为和生存各个方面，但它们在野外或半自然环境中的生态适应性影响仍不甚明了。鉴于实验室环境和自然环境之间的显著差异，仅基于控制实验的风险评估可能导致对纳米塑料生态毒性的偏见解释（Zhang等人，2025b）。另一个关键挑战是将认知测试、分子分析和适应性实验结合起来，系统地评估纳米塑料的生态效应，这是准确评估其生态毒性和神经行为影响机制所必需的。

本研究使用海洋鲻鱼（Oryzias melastigma）作为模型生物，系统评估了球形聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）对认知功能和生态适应性的影响。海洋鲻鱼原生于沿海咸水和海水环境，对包括塑料、重金属和内分泌干扰化学物质在内的多种环境污染物高度敏感，这使得对其在沿海生态系统中暴露于污染物的风险评估更加真实。此外，该物种不仅生命周期短、繁殖能力强且胚胎透明，还具有完全测序的基因组，非常适合进行分子、发育、行为和生态毒理学评估。这些特性使海洋鲻鱼成为评估纳米塑料暴露对海洋脊椎动物影响的理想生物。实验设计采用了严格控制的方案，将鲻鱼随机分配到PS-NPs暴露组（5毫克/升，50纳米）或对照组，进行45天的慢性暴露。通过迷宫任务（空间认知）和数字辨别测试（数字认知）定量评估认知功能。利用中型生态系统全面评估纳米塑料对生态适应性的影响，并通过脑转录组分析阐明潜在的分子机制。通过整合认知行为测试、生态适应性评估和转录组分析，本研究旨在提供超越传统生理终点的纳米塑料毒性的更全面评估。研究结果提供了关于慢性纳米塑料暴露如何影响鱼类生存所需的高级功能的机制和生态学见解，从而有助于改进水生生态系统中纳米塑料的生态风险评估。

章节片段

纳米塑料

本研究中使用的PS-NPs（标称直径50纳米）购自江苏智川科技有限公司（中国江苏；产品编号：zcPS-50n-2512-01）。据制造商称，PS-NPs以水分散液的形式提供，合成过程中未添加表面活性剂。颗粒表面经过功能化处理，以确保亲水性和在水中的稳定分散，且未检测到增塑剂或其他化学添加剂的存在。

存活和繁殖

Kaplan–Meier生存分析显示，对照组的累积存活率为97.8%（45条中有44条存活），平均存活时间为44.87±0.13天，而暴露组的累积存活率为88.9%（45条中有40条存活），平均存活时间为42.91±1.31天（图2A）。然而，生存曲线显示出微小的数值差异（Log-Rank检验：p = 0.094），这主要是由于

讨论

本研究全面评估了PS-NPs暴露对海洋鲻鱼的毒性影响，揭示了涉及存活、繁殖、认知能力、神经可塑性和生态适应性的多方面影响。从环境角度来看，这些发现表明，纳米塑料在亚致死水平上可能产生生态学上的相关影响，而这些影响无法通过传统的毒性指标（如死亡率或生长率）轻易捕捉到。这与之前的研究结果一致

结论

本研究揭示了纳米塑料暴露对海洋鲻鱼认知、可塑性和生态适应性的具体影响。尽管PS-NP暴露并未显著影响生长或存活，但它损害了空间导航、数字决策和社会行为，导致个体间的间距异常、捕食者规避策略改变以及在半自然环境中的庇护所依赖性增加，表明其生态适应性受损。

CRediT作者贡献声明

Xianyu Yuan：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。Guihui Ning：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、正式分析、数据管理。Yong Liu：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调。Sunil Kadri：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿。Jiezhang Mo：撰写——审稿与编辑、资源管理。

伦理

整个实验在汕头大学实验动物使用伦理委员会的监督下进行，获得了伦理批准，批准编号为202403011。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42406124）、广东省自然科学基金（2024A1515010925）、国家自然科学基金重点项目（42230413）、广东省渔业生态与环境重点实验室（FEEL202503）、汕头大学科研启动基金（NTF22019）、广东省创新团队计划（2022KCXTD008）以及科技规划的资金支持。