聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）与聚乳酸纳米塑料（PLA-NPs）对草履虫-小球藻共生系统的毒性差异

《Environmental Pollution》：Toxicity Differences of Polystyrene Nanoplastics ( PS-NPs ) and Polylactic Acid Nanoplastics ( PLA-NPs) on the Paramecium Bursaria - Chlorella Symbiotic System

　　摘要：通常认为可生物降解塑料的生物风险较低，但其纳米颗粒形式未必如此。本研究利用草履虫-小球藻共生系统，比较了传统聚苯乙烯纳米塑料与可生物降解的聚乳酸纳米塑料的24小时急性毒性及相应的生物学反应。24小时半数致死浓度分别为PS-NPs的27.41毫克/升和PLA-NPs的5.55毫克/升，表明在测试条件下PLA-NPs的急性致死毒性更强。暴露并清洗后，两种纳米颗粒均显示出明显的荧光特征。这两种材料都会随着浓度增加而提升ROS相关荧光强度和MDA含量，同时SOD和CAT酶活性也会出现与浓度相关的变化。透射电镜观察显示，线粒体、表膜、核仁、消化泡以及共生的小球藻都出现了超微结构改变。纳米颗粒暴露还改变了叶绿素a和类胡萝卜素的含量，说明光合色素的平衡被打破。实时定量PCR分析进一步显示出与光合作用、抗氧化防御、蛋白质稳态、线粒体呼吸以及囊泡运输相关的基因表达存在浓度依赖性变化。总体而言，在短期暴露中PLA-NPs的急性致死毒性高于PS-NPs。这些研究结果表明，当聚合物以纳米颗粒形式存在时，其可生物降解性并不一定意味着较低的生物毒性，这强调了在评估可生物降解塑料的环境安全性时需考虑纳米颗粒特有的影响。

引言：塑料因其持久性、抗生物降解性以及化学稳定性，被视为日益严重的环境问题（Thompson等人，2004；Andrady，2011）。随着全球经济的快速发展，塑料产量呈指数级增长；到2023年，全球每年塑料产量已超过4亿吨（Huan等人，2025）。然而，塑料的回收率依然很低（Ragauska等人，2021）。低回收率导致绝大多数废弃塑料最终被排放到自然环境中，其中约有10%的塑料垃圾直接进入水体，成为河流、湖泊乃至海洋中的主要污染源（Avio等人，2017；Arini等人，2022）。在自然环境中，塑料通过物理、化学和生物过程——如紫外线辐射和微生物降解——逐渐分解为更多难以分解的颗粒，包括中塑料、微塑料和纳米塑料（Banerjee和Shelver，2021）。这些微塑料和纳米塑料的产生不仅加剧了环境负担，还可能通过食物链和生物积累对全球生态系统和公众健康造成长期且严重的威胁（Chen等人，2023；Wang等人，2025）。纳米塑料是指尺寸小于1微米的颗粒（Pradele等人，2023），其来源包括塑料降解、工业生产以及消费品使用（Shukla等人，2025）。由于具有微小尺寸和高比表面积，纳米塑料具有显著的生物活性和环境风险（Liu等人，2024）。它们既能吸附环境中的其他污染物，又能穿透血液脑屏障和胎盘屏障等生物屏障（Trindade等人，2021）。这会引发氧化应激和炎症反应等有害效应，最终导致细胞损伤甚至凋亡（Chan等人，2020；Hu和Palic，2020；Gardon等人，2024）。

聚苯乙烯作为世界上产量最高的传统塑料之一，因其轻质特性和化学稳定性，被广泛用于食品包装、建筑隔热材料以及包装领域（Allan等人，2021；Gao等人，2024）。然而，聚苯乙烯在紫外线辐射以及不同的水文和气候条件下会发生降解。在此过程中，聚苯乙烯碎片会分解成更小的颗粒，由此产生的聚苯乙烯纳米塑料因大量产生且难以降解，已成为环境中最常见的纳米塑料类型之一。在海洋环境中，许多研究已经证明了聚苯乙烯纳米塑料对细菌、藻类、轮虫、甲壳类动物、棘皮动物、双壳类动物以及鱼类的影响（Ferreira等人，2019；Capolupo等人，2021；Goncalves和Bebianno，2021；Kihara等人，2021）。这些研究表明，聚苯乙烯纳米塑料会影响细胞生长、幼体发育、胚胎畸形、氧化应激引起的脂质膜损伤，还可能导致光合作用自养生物的光合系统失活。聚乳酸是一种源自玉米和甘蔗等可再生植物淀粉的生物基聚合物。由于其原料易得且成本相对较低，它被广泛应用于食品包装、医疗设备等领域（Nagarajan等人，2016）。与聚苯乙烯相比，聚乳酸的优势在于其可生物降解性和可堆肥性，因此成为替代传统石油基塑料的关键材料。不过，聚乳酸的降解行为在很大程度上取决于环境条件：在堆肥环境中（温度为55 - 70摄氏度，湿度为50 - 60％），聚乳酸可在数周至数月内实现降解；而在自然环境中，其降解速度极为缓慢，往往需要数年甚至更长时间（Haider等人，2019；Penke等人，2023）。在自然环境中，聚乳酸也可能因紫外线辐射、温度和pH值等环境因素而降解为聚乳酸纳米塑料（Ali等人，2023；Sudheer等人，2025）。与微塑料相比，聚乳酸纳米塑料具有更大的比表面积，因此在环境中更容易迁移和聚集。同时，它们的降解速度较慢，进一步延长了在生态系统中的存在时间（Yagi等人，2012）。此外，人们还发现聚乳酸纳米塑料有可能改变土壤和水生环境的物理化学性质，同时具备吸附环境中有机污染物的能力。这种吸附能力可能会影响污染物的迁移和生物可利用性（Ali等人，2025）。目前的研究表明，聚乳酸纳米塑料对珍珠贝、青蛤、斑马鱼、大型溞、普通小球藻、极度微胞藻、蓝点马鲛、西里伯斯线虫以及褐家蛞蝓都有显著影响（Green，2016；Zimmermann等人，2020；Anderson和Shenkar，2021；Chagas等人，2021；Khalid等人，2021；Klein等人，2021；Suet等人，2022；Vielet等人，2023；Ali等人，2024）。这些影响表现为生长抑制、氧化应激和细胞损伤等毒性反应。因此，有必要比较这两种不同类型纳米塑料所造成的毒性效应。

在水生生态系统中，小型浮游动物起着至关重要的纽带作用，它们以浮游植物为食，同时又成为小型鱼的猎物，从而推动物质和能量的向上传递。这一特性也使得它们成为纳米塑料进入食物网的重要途径：一方面，环境中普遍存在的微小纳米塑料容易被浮游动物摄入并积累在体内（Botterell等人，2019）；另一方面，纳米塑料具有很强的吸附能力，能够结合病毒和病原体，从而增加水生生物感染病原体的风险（Liu等人，2024）。毫无疑问，纳米塑料对作为食物链基础物种的浮游动物的毒性效应有可能在食物网中产生生物放大作用（VAN Etten等人，1983）。然而，目前大多数关于纳米塑料的毒性研究都是以鱼类、贝类、藻类和甲壳类等多细胞生物为研究对象（Cole和Galloway，2015；Chae等人，2019；Al-Thawadi，2020；Hazeem等人，2020；Wang等人，2021；Zaki和Aris，2022；Zhan等人，2023；Zhan等人，2024），针对单细胞生物的研究相对较少。因此，本研究选择小型单细胞浮游动物草履虫作为研究对象。草履虫是一种典型的滤食性生物。由于其进食机制不区分食物种类，只区分食物大小，所以它能轻易摄入纳米塑料（Bulannga和Schmidt，2024）。与多细胞生物相比，草履虫因其易于培养、繁殖迅速且敏感度高等生物学特性，成为细胞生物学、共生关系研究以及环境毒理学领域的宝贵模式生物。值得注意的是，它的细胞质中含有数百个共生的小球藻，二者之间建立了稳定且持久的内共生关系。草履虫-小球藻共生系统是一种高度特化的内共生模型。宿主通过改变细胞膜结构和调节溶酶体，为藻类提供安全的细胞内环境；作为回报，藻类则为宿主提供光合产物，帮助其在光照条件下更好地生长和繁殖。这种独特的互惠共生系统，由于宿主和内共生藻类之间有明显的界限，为研究纳米塑料如何影响内共生藻类提供了理想的宿主-共生体系统。

因此，本研究利用草履虫-小球藻共生系统，比较了传统聚苯乙烯纳米塑料与可生物降解聚乳酸纳米塑料的24小时急性毒性及相应的生物学反应。我们研究了它们在细胞内的分布情况，以及对细胞结构、生理功能和宿主-共生体相互作用的影晌。评估的指标包括存活率、繁殖能力、超微结构、抗氧化反应、氧化损伤、光合色素以及部分功能基因。通过整合个体、细胞和分子层面的反应，本研究比较了这两种纳米塑料的急性危害特征，并探讨了可生物降解性是否必然意味着较低的生物毒性。这些研究结果为比较纳米塑料的毒性提供了基础数据，也有助于深入理解可生物降解纳米塑料可能带来的生态危害。

章节片段：

草履虫的培养与纳米塑料的特性分析：草履虫是从中国重庆的某商业供应商处获得的。培养基是通过将1克干酵母溶解在1升蒸馏水中，然后过滤制得的。细胞在天津宏诺公司的GZX - 150B型光照培养箱中培养，温度为25摄氏度，光照强度约为2000 - 3000勒克斯，光照周期为12小时亮期和12小时暗期。培养5 - 7天后，当共生藻类的密度达到约106–107细胞/毫升时即可。纳米塑料的特性分析：扫描电子显微镜观察显示，聚苯乙烯纳米塑料和聚乳酸纳米塑料在纳米尺度上大多呈球形或近球形（图1a - b）。聚苯乙烯纳米塑料形状相对规则，边界清晰，表面较为均匀，而聚乳酸纳米塑料的轮廓则不太规则，形态差异更大。原子力显微镜分析进一步揭示了沉积样品表面形貌的明显差异（图1c - d）。聚苯乙烯纳米塑料的表面形貌相对平滑且均匀。

具有不同特性的纳米塑料对草履虫生长的影响：经过24小时暴露后，传统聚苯乙烯纳米塑料和可生物降解的聚乳酸纳米塑料都会导致草履虫的死亡率随浓度增加而上升，同时繁殖能力也会出现与浓度相关的抑制趋势。在测试条件下，聚乳酸纳米塑料的24小时半数致死浓度为5.55毫克/升，而聚苯乙烯纳米塑料为27.41毫克/升，这说明聚乳酸纳米塑料的急性致死毒性更强。观察到的毒性可能部分与纳米颗粒与细胞的相互作用以及氧化还原失衡有关。

结论：本研究在草履虫-小球藻共生系统中比较了传统聚苯乙烯纳米塑料和可生物降解聚乳酸纳米塑料的24小时急性毒性。这两种纳米塑料都会增加草履虫的死亡率，抑制其繁殖能力，并在草履虫体内产生明显的纳米颗粒相关荧光。暴露还会导致ROS荧光强度和MDA含量升高，抗氧化酶活性出现与浓度相关的变化，同时线粒体、表膜、核仁、消化泡等结构也会发生改变。

作者贡献声明：韩 Gong：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件应用，资源获取，项目管理，资金筹集，数据整理，概念构思。胡泽华：撰写——初稿，方法学，实验研究，正式分析，数据整理。王叶子：软件应用，数据整理。黄元英：撰写——初稿，软件应用，正式分析，数据整理。严穆婷：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，指导监督，项目管理，方法学。

未引用参考文献：Ali等人，2023；Ali等人，2024；Ali等人，2025；Allan等人，2021；Arini等人，2022；Avio等人，2017；Botterell等人，2019；Capolupo等人，2021；Chae等人，2019；Chagas等人，2021；Chang等人，2020；Chen等人，2023；Cheng等人，2024；Cheng等人，2020；Ferreira等人，2019；Gao等人，2024；Gardon等人，2024；Gu等人，2002；Haider等人，2019；Hazeem等人，2020；Hsu等人，2022；Huang等人，2025；Kalehjahi等人，2023；Kamaly等人，2012；Khalid等人。

利益冲突声明：? 作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢：本项目得到了中国国家自然科学基金（42377363、42177253、32300366）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011401、2024A1515030201、2023A1515010991）、广东省通过科技成果促进城乡区域协调发展专项基金（2025B0202010035）、广州市科协青年人才支持项目（QT - 2025 - 014）以及广州市基础研究的资助。

胡泽华|韩 Gong|黄元英|王叶子|李超|严穆婷
中国广东省广州市510641，华南农业大学海洋科学学院