基于生化指标、组织病理学、DNA损伤及基因表达研究潮间带沉积物中微塑料与石油联合污染对粗粒蛤的急性毒性作用及分子机制

《Environmental Research》：Acute toxic effects and molecular mechanisms of combined pollution by microplastics and petroleum on Tegillarca granosa in intertidal sediments based on biochemical indicators, histopathology, DNA damage and gene expression

　　

摘要

海洋微塑料污染对生物的危害已引起广泛关注，但针对潮间带沉积物中微塑料吸附石油所形成的复合污染的毒性研究相对较少。本研究分别从氧化应激相关生化指标、组织病理学、DNA损伤及基因表达等方面，探讨了聚乙烯微塑料与柴油单独及混合污染对Tegillarca granosa在96小时暴露后的急性毒性。研究结果表明，微塑料与柴油共同暴露会提高鳃部及内脏组织的SOD活性，同时抑制GPx和GST活性；而在短期暴露条件下，MDA含量未见显著变化。综合生物学反应2版（IBRv2）指数显示，鳃部对这种复合污染更为敏感。高浓度混合污染会导致组织病理学改变（如鳃部肿胀、内脏组织消化管坏死）以及DNA损伤。此外，高浓度混合污染还会上调细胞色素P450 2家族（CYP2家族）、GST、CAT、GPX和SOD1的基因表达，同时下调KEAP1的基因表达。这说明复合污染可通过激活细胞色素P450酶系及KEAP1-NRF2信号通路来调控抗氧化基因，干扰的抗氧化防御系统，从而增强其毒性。该研究揭示了微塑料与石油复合污染对的毒性作用及分子机制，为评估海洋环境中复合污染的生态风险提供了科学依据。

引言

随着全球工业化进程的加快，海洋环境污染问题日益严重，其中微塑料污染因其普遍存在且影响深远而成为全球关注的焦点（Hewitt等，2023；Anekwe等，2024）。微塑料是指直径小于5毫米的塑料颗粒，主要由海洋塑料废弃物经紫外线光解、海浪机械破碎以及微生物降解作用产生（Adam等，2021；Matupang等，2023），在全球各类水生生态系统的沉积物和水中均有大量存在。据统计，由于管理不善，每年约有115万至1270万吨塑料直接流入海洋（Lebreton等，2017），预计到2050年全球塑料产量将达到1.24亿吨（Hu等，2024），这导致海洋环境中的微塑料污染持续增加，形成难以清除的长期污染源。石油及其衍生物作为传统污染物，常因油轮、钻井平台及海底油井泄漏，以及精炼石油产品及其副产品的泄漏而进入海洋（Pan等，2022a）。据估计，每年约有463万吨石油在运输过程中意外泄漏到海洋中（Carpenter，2018），这对海洋生态系统构成严重威胁。石油进入海洋后会经历蒸发、溶解和光氧化等一系列复杂的物理化学过程（Braga等，2018），生成多环芳烃、多氯联苯以及2,3,7,8-四氯二苯并-p-二噁英等持久性有机污染物，进一步加剧了海洋环境污染的复杂性（Colvin等，2020）。

海洋环境中微塑料与石油衍生污染物的共存及其相互作用已成为环境科学领域的热门研究课题。由于微塑料具有较高的比表面积和疏水性，能够有效吸附环境中的持久性有机污染物，从而形成复合污染物。多项研究证实，复合污染物在沉积物（Antunes等，2013；Jia等，2026）、水体（Yeo等，2020；Wang等，2026）以及生物体内都广泛存在（Rochman等，2014；Li等，2025）。潮间带作为海洋与陆地之间物质交换的过渡区域，成为污染物的聚集地（Bucci和Rochman，2022），其所承受的环境压力也高于其他海洋区域（Liang等，2024）。在潮间带缺氧的沉积物中，微塑料和石油衍生烃类的生物降解能力极为有限（Dell’anno等，2009），因此更容易形成更为稳定的复合污染物。

石油及其微塑料单独对生物的毒性作用已得到广泛研究。石油及其成分（如多环芳烃）对水生生物的毒性主要表现为引发细胞内活性氧生成、导致DNA损伤、阻碍细胞存活、改变细胞凋亡过程以及干扰相关分子信号通路（Gan等，2021；Gao等，2023a）。它们能引发细胞内活性氧生成并导致遗传物质发生变化的现象已得到广泛证实，但其引发活性氧生成并造成毒性的具体机制仍在研究中。这一毒性机制涉及复杂的分子和细胞过程。在哺乳动物模型中的研究表明，含芳香化合物的污染物可能通过激活芳烃受体及相应的核转位蛋白来发挥毒性作用（Grishanova和Perepechaeva，2022）。与此同时，生物体会通过I相酶（细胞色素P450）和II相酶（如谷胱甘肽S-转移酶）代谢石油污染物，这一过程会产生高活性的中间产物，进而导致大量活性氧生成（Piazza等，2016；Sarkar等，2017）。如果活性氧的生成量超过抗氧化防御系统的清除能力，就会引发脂质过氧化、DNA链断裂以及蛋白质羰基化，进而损害细胞功能。微塑料则可通过物理损伤、化学毒性以及作为载体等多种方式对生物造成伤害（Magara等，2018）。已有研究证实，水生生物摄入微塑料会导致消化系统损伤、生长迟缓以及组织结构变化（Teng等，2021；Jeyavani等，2022）。此外，在高浓度微塑料污染环境下，生物体内的活性氧生成量也会增加，且抗氧化酶会参与对此过程的调节（Paul-Pont等，2016）。更需要重视的是，微塑料还能吸附其他有机污染物形成复合污染物，这些复合污染物进入生物体后会造成进一步的伤害。

基于上述研究背景，微塑料与石油产品对底栖双壳类动物的复合毒性作用仍缺乏深入研究，尤其是在共同暴露条件下其协同或拮抗作用机制尚不清楚，这限制了对这类复合污染物的全面风险评估。本研究选择了在沿海水域最为常见的颗粒状聚乙烯微塑料（约占50%，Gao等，2023b）以及容易泄漏到潮间带沉积物中的常见船舶燃料柴油作为研究目标污染物。我们在模拟的潮间带沉积物环境中，对聚乙烯微塑料与柴油在96小时暴露条件下对的毒性作用进行了研究。我们检测了该生物鳃部及内脏组织中关键抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶）的活性以及脂质过氧化产物MDA的含量，并采用综合生物学反应2版指数对毒性进行综合评估。96小时后还进行了组织病理学和DNA损伤分析。此外，我们还研究了细胞色素P450家族、Kelch样ECH相关蛋白1-核因子红系2相关因子2信号通路以及与抗氧化相关的基因表达情况，以阐明氧化应激的分子机制。

章节节选

实验材料与仪器

所使用的石油烃为从当地加油站购买的柴油。中国自然资源部第一海洋研究所受委托，利用气相色谱法检测了柴油中的相关成分及其含量。如表1所示，柴油中的烷烃、多环芳烃及生物标志物分别占97.95%、1.85%和0.19%。

所使用的微塑料为20微米大小的白色球形聚乙烯微塑料颗粒（来自恒发公司）

不同组织中抗氧化酶活性的时间效应与剂量效应

由于实验前对生物进行了适应处理，且选择了健康的个体，再加上暴露时间仅为96小时，整个实验过程中各处理组均未出现死亡现象。

不同组织中抗氧化酶活性的差异及脂质过氧化水平

生物体内的氧化应激本质上是一种动态失衡状态，即活性氧的生成量超过了抗氧化防御系统的清除能力。在正常生理状态下，细胞内会持续产生活性氧（包括超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基），但其含量通常处于可控范围之内（Grishanova和Perepechaeva，2022）。然而，当生物体暴露于石油等环境污染物时

结论

本研究通过在潮间带沉积物中对进行污染暴露实验，从多个层面阐明了微塑料与柴油复合污染的毒性作用及其背后的分子机制。与单一污染物相比，微塑料与柴油的复合污染对的毒性显著更强，尤其是在高浓度条件下。高浓度的复合污染物会显著抑制

CRediT作者贡献说明

Kaijia Zhou：实验研究。Weiguo Qian：文章撰写与修订、实验指导、项目管理。Xiaoping Chai：数据可视化、统计分析。Chaoyu Xia：初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据整理。Yuying Pan：文章撰写与修订、研究方法设计、资金申请、研究构思。Jun Qian：结果验证、实验研究。Jinsheng Yang：数据可视化、实验研究、统计分析

未引用参考文献

GB 18668-2002，2002；Herrera等，2022；Hirai等，2011；Johnson等，2013；Liu等，2022；Pittura等，2018；Von Hellfeld等，2022。

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了舟山科学技术局专项基金（编号：2024C61004）、浙江省自然科学基金（编号：LY19D060003）、山东省海洋环境与地质工程重点实验室开放课题（编号：MEGE2024005）以及浙江省大学生科技创新行动计划项目（编号：2024R411B035）的支持。

Yuying Pan|Chaoyu Xia|Xiaoping Chai|Jinsheng Yang|Jun Qian|Kaijia Zhou|Weiguo Qian

浙江海洋大学渔业学院，中国舟山316022