《Marine Pollution Bulletin》：Marine biodegradable polymers and zooplankton: A case study on the effects of PHBV microplastics on
Artemia franciscana
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本研究通过短期（24-48小时）和长期（7-14天）暴露实验，分析聚羟基丁酸-戊二酸共聚物（PHBV）微塑料对卤虫（Artemia franciscana）的生理影响，发现高浓度PHBV促进卤虫生长，长期暴露改变脂肪酸组成和消化器官结构，揭示了可降解塑料的生态风险。
娜塔莉亚·S·布齐（Natalia S. Buzzi）|安娜·哈乌雷吉（Anna Jáuregui）|安娜·马林（Anna Marín）|胡安·C·纳瓦罗（Juan C. Navarro）|马尔·洛尔卡（Mar Llorca）|米里亚姆·利桑达（Myriam Lizanda）|玛丽亚·康斯坦萨·迪亚兹·安德拉德（María Constanza Díaz Andrade）|安娜·卡罗莱纳·莫亚（Ana Carolina Moya）|何塞·加梅斯-佩雷斯（José Gámez-Pérez）|路易斯·卡贝多（Luis Cabedo）|因马库拉达·瓦罗（Inmaculada Varó）
阿根廷海洋研究所（IADO-CONICET/UNS），CCT-Bahía Blanca，Caminho La Carrindanga，7.5公里处，E1号楼，B8000FWB，Bahía Blanca，布宜诺斯艾利斯，阿根廷
摘要
聚羟基丁酸-共-戊酸酯（PHBV）是一种广泛使用的聚羟基烷酸酯家族共聚物。其生物相容性和可生物降解性使其成为传统塑料的有希望的替代品。然而，PHBV微塑料对环境的影响仍知之甚少。本研究探讨了初级PHBV微塑料对浮游动物模型Artemia franciscana的生理影响，重点关注生存率、生长率、摄食率、发育阶段、肠道组织学以及脂质组成（包括脂肪酸谱）、脂质储存和脂质过氧化等关键指标。实验包括短期（24-48小时）和长期（7-14天）暴露于不同浓度的PHBV（10至500 mg·L?1）。通过FTIR、激光衍射技术和SEM对PHBV生物聚合物进行了表征。结果表明，即使在无食物的情况下，不同发育阶段的Artemia franciscana的存活率也较高；值得注意的是，在存在微藻的情况下，高浓度PHBV处理14天后其生长显著增加。长期高浓度PHBV暴露改变了脂肪酸谱，并伴随脂质过氧化的减少。此外，还影响了消化上皮的细胞结构。观察到了PHBV微粒的摄入和排出。SEM成像显示，初始PHBV颗粒与从粪便颗粒中回收的颗粒表面粗糙度存在差异。这些结果揭示了独特的生理反应，可能涉及从PHBV降解中获取能量和/或其作为治疗剂的作用。
引言
自20世纪50年代首次生产以来，由于成本低廉和多功能性，塑料已成为一种基本材料，导致基于石油的合成聚合物在全球范围内占据主导地位（Dussud等人，2018；Kedzierski等人，2020）。这种依赖性产生了大量废弃物。每年有480万至1270万吨消费塑料进入海洋，其中包括超过1亿个大型塑料颗粒和约51万亿个微塑料颗粒（MPs < 5毫米）（Agamuthu等人，2019）。大约一半的塑料产品是一次性使用的，经济价值较低，难以有效回收（Kedzierski等人，2020）。因此，这些塑料往往被不当处理，最终进入环境，通过物理、化学和生物过程发生破碎，形成微塑料颗粒（Dussud等人，2018）。
微塑料颗粒对海洋生态系统的影响严重。它们的高流动性容易导致缠绕、摄入和营养级传递，破坏食物网（Deroiné等人，2014；Dussud等人，2018）。由于体积小，海洋生物容易误将其摄入（无论是偶然在进食过程中还是将其误认为食物（Ory等人，2017）。大量证据表明它们对生态系统和人类健康有害（Da Costa等人，2018；Cheng等人，2022；Fernández de Villalobos等人，2022）。此外，尽管大多数研究集中在鱼类和海鲜中的微塑料颗粒上，但一些研究也报告了可食用水果和蔬菜中存在微塑料和纳米塑料，这可能影响消费者健康（Laz?r等人，2024及其中的参考文献）。现有研究表明，微塑料颗粒可作为化学和生物物质的载体（Bhagat等人，2020；Tumwesigye等人，2023）。它们的表面特性使其适合携带和积累有机化合物、金属、抗生素、微生物和无脊椎动物，对野生动物和人类构成潜在风险（Zettler等人，2013；Lo和Chan，2018；Zhu等人，2019；Elizalde-Velázquez等人，2020a；Cao等人，2021）。
为应对这一问题，人们正在努力寻找缓解策略（Agamuthu等人，2019；Meys等人，2020）。可生物降解聚合物因其基于生物的来源和可降解性而受到重视。其全球需求正在增长，2021年的产量达到242万吨，预计到2026年将增加三倍（Bioplastics，2021）。其中，聚羟基烷酸酯（PHA）是一类微生物热塑性塑料，在土壤和海洋环境中均可降解（Meereboer等人，2020；Feijoo等人，2025）。最具商业价值的PHA之一是聚（3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酸酯）（PHBV）（Dilkes-Hoffman等人，2019）。尽管PHBV被宣传为环保替代品，但其环境行为（包括通过破碎产生的颗粒、被海洋生物摄入以及潜在的生化影响）仍不够明确。
水生无脊椎动物因分布广泛、在实验室条件下易于饲养、对毒素敏感以及伦理和经济方面的优势而被广泛用于生态毒性研究（Piazza等人，2012；Zhang等人，2023a）。浮游动物无疑是食物网和能量传递中的关键环节；因此，它是微塑料颗粒进入食物网并向上传递到更高营养级的途径。虽然目前有许多研究分析了化石基材料对浮游甲壳类的影响（Botterell等人，2019；Zhang等人，2023a），但针对可生物降解聚合物影响的研究仍然有限（Charoeythornkhajhornchai等人，2023；Savva等人，2023）。具体来说，研究人员发现，微塑料颗粒与海洋浮游动物的相互作用可能影响其生存率（Lee等人，2021）、改变摄食行为（Cole等人，2015）并引起生化毒性效应，包括酶活性变化、基因表达和组织病理学变化（Suman等人，2020；Hsieh等人，2021；Wang等人，2021）。然而，尚不清楚像PHBV这样的可生物降解颗粒是否会在浮游动物中产生类似的或不同的生物反应。
分析污染物对海洋生物影响的有趣模型是卤虫Artemia属（甲壳纲，枝角亚纲）。Artemia是一种滤食性微型甲壳动物，分布于全球高盐度环境中（Amat，1985），在水产养殖中用作活饵料（渔业和水产资源利用与保护部门，2017；Lopalco等人，2019）。它能够摄取大小超过50微米的多种颗粒，包括微塑料颗粒（Han等人，2021；Kim等人，2021）。Artemia无节幼体的最佳颗粒大小约为16微米，范围从4至8微米到6.8至27.5微米（Batel等人，2016；Van Stappen等人，2024）；而成年个体能够摄取大小达约50微米的颗粒（Van Stappen等人，2024）。如今，Artemia作为海洋生态毒性研究中的测试生物的使用日益增加（Varó等人，2019；Jeyavani等人，2022；Peixoto等人，2022；Suman等人，2020；Kanimozhi等人，2024）。尽管已有许多关于传统微塑料颗粒暴露后的死亡率、摄入量、积累量和生化标志物反应的研究（Serr?o和Marques Santos，2023），但我们对可生物降解聚合物对Artemia属影响的理解仍然有限（Afifah等人，2025）。
众所周知，Artemia属天然含有高水平的中性脂质和相对较低水平的长链多不饱和脂肪酸（LC-PUFAs）（Navarro等人，1997；Sargent等人，1999）。这并不意味着Artemia的脂质缺乏不饱和度。因此，虽然Artemia中的二十二碳六烯酸（22:6n?3，DHA）几乎不存在，但二十碳五烯酸（20:5n?3，EPA）的含量变化较大，且与较短链多不饱和脂肪酸（如亚油酸（18:3n?3，LNA）的含量成反比，两者合计约占总脂肪酸的10-20%（Navarro等人，1992）。尽管专门研究微塑料颗粒对脂肪酸谱影响的研究有限，但在暴露于有机和无机污染物的鱼类和无脊椎动物中，普遍观察到PUFAs减少而SFAs增加的趋势（Bayir等人，2013；Sánchez-Muros等人，2013；Chae等人，2019；Covernton等人，2024）。这些变化通常被解释为氧化应激的结果，因为PUFAs，特别是EPA和DHA，极易发生过氧化（Correia等人，2003；Chen等人，2024）。可生物降解的微塑料颗粒（如PHBV）可能干扰脂质稳态，但据我们所知，这一可能性尚未得到普遍研究，尤其是在Artemia中。
鉴于PHBV在具有直接环境释放潜力的应用中的使用日益增加，以及关于其在生物体和生化水平上的生物效应的信息不足，评估其在关键水生模型物种中的影响至关重要。
本研究假设Artemia franciscana对PHBV暴露的生理反应取决于暴露时间的长短。为此，在A. franciscana中进行了短期（24-48小时）和长期（7-14天）暴露实验。分析的参数包括生存率、生长率、发育阶段、摄食行为和消化道组织学。此外，通过分析脂肪酸组成、量化脂质积累和测量脂质过氧化来评估生化效应。为了支持生理效应的解释，在摄入前后对生物聚合物进行了表征。我们的发现为评估生物聚合物在海洋生态系统中的环境风险提供了证据。
部分摘要
聚合物颗粒的制备和表征
使用的PHBV微塑料为市售粉末（商业级ENMAT Y1000P，含有3%的3-羟基戊酸（HV），密度为1.23 g/cm3，由天津生物材料有限公司（中国宁波）提供。在预先通过0.2微米孔径（Whatman混合纤维素酯过滤器）过滤的天然海水中（NSW，36 psu）制备了微塑料悬浮液（500 mg·L?1）。使用前对悬浮液进行了超声处理，并按需进行了稀释
未暴露聚合物的化学表征
FTIR光谱显示了PHA典型的酯官能团特征，具有强烈的C
O伸缩吸收带，位于约1720 cm
?1，以及1050–1280 cm
?1区域的C
O伸缩带（图1A）。约1450–1380 cm
?1处的吸收对应于C
H的–CH?和–CH
3基团的弯曲，而2920–2850 cm
?1附近的带则归因于脂肪族–CH
2基团的不对称和对称伸缩振动。还检测到约3430 cm
?1处的弱带，与O
H的伸缩有关
讨论
微塑料颗粒污染对海洋生态系统构成严重威胁，推动了寻找如PHBV这样的可生物降解替代品的努力。在此背景下，本研究采用综合多效应方法探讨了PHBV微塑料颗粒对A. franciscana的影响。
通过LD分析确定的PHBV微塑料颗粒的大小和大小分布表明，本研究中使用的生物聚合物小于15微米。因此，这些微颗粒处于无节幼体和成体的摄入范围内
结论
综合来看，我们的结果支持以下假设：PHBV微颗粒的摄入会影响A. franciscana的整体生理状况。PHBV会导致生长和发育变化、消化道组织学变化、脂肪酸组成和脂质过氧化，但不会改变摄食行为和脂质滴的积累。
我们发现A. franciscana能够摄入并排出PHBV生物聚合物。此外，颗粒大小的减小、表面粗糙度的存在
CRediT作者贡献声明
娜塔莉亚·S·布齐（Natalia S. Buzzi）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。安娜·哈乌雷吉（Anna Jáuregui）：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究，正式分析，概念化。安娜·马林（Anna Marín）：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，方法学，正式分析，概念化。胡安·C·纳瓦罗（Juan C. Navarro）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，研究，
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
作者感谢CONICET提供的财政支持（针对娜塔莉亚·布齐的BECA EXTERNA项目），以及J.L. Padin Bermúdez、B. López Gurillo和L. Rodríguez Tomás（IATS，CSIC）的技术支持。
