原始态与老化态聚苯乙烯纳米塑料对三刺鲎首次蜕皮过程的不同影响

《Environmental Pollution》：Differential effects of pristine and aged polystyrene nanoplastics on the first molting process in Tachypleus tridentatus

　　

摘要

纳米塑料是普遍存在的海洋污染物，但大多数生态毒性研究使用的都是未经变化的商业级颗粒，这些颗粒无法反映其在真实环境中的变化及其带来的生态风险。中国鲎作为一种原始节肢动物，在生长初期会经历极为脆弱的阶段。本研究探讨了未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒与老化后的聚苯乙烯纳米颗粒对幼年中国鲎首次蜕皮过程的影响。老化后的聚苯乙烯纳米颗粒是通过紫外线处理制备的，然后以符合环境条件的浓度（100微克/升）暴露在幼年中国鲎体内90天。研究结果表明，聚苯乙烯纳米颗粒的暴露显著干扰了蜕皮过程，表现为蜕皮速率下降以及平均蜕皮时间延长。在未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒组中，这种干扰还伴随着线粒体功能严重受损、活性氧水平升高以及三磷酸腺苷含量减少。而老化后的聚苯乙烯纳米颗粒组则在没有明显活性氧或三磷酸腺苷变化的情况下也出现了蜕皮抑制现象，这表明存在不同的作用机制。老化后聚苯乙烯纳米颗粒毒性的变化与其表面性质的改变有关。这些研究结果为评估中国鲎体内老化后聚苯乙烯纳米颗粒的生态毒性提供了重要参考。

引言

塑料在包装、建筑和电子等多个领域被广泛使用。然而，由于回收率低以及废物管理不善，大量塑料被排放到环境中（Jambeck等人，2015；Geyer等人，2017）。目前，全球每年的塑料产量超过4亿吨，到2040年这一数字可能会翻倍，从而进一步加重环境负担（Thompson等人，2024）。这些塑料在自然环境中会逐渐破碎成微塑料和纳米塑料，引发严重的生态问题（Lambert等人，2014；Barnes等人，2009）。在自然界中，微塑料和纳米塑料会因太阳辐射、热降解、化学氧化以及生物降解等非生物因素的作用而发生复杂的老化过程（Arp等人，2021；Gewert等人，2015；Luo等人，2022）。环境老化会改变塑料的关键物理和化学性质，进而影响其环境行为和毒性，因此有必要在生态学和毒理学评估中考虑老化因素（Ho等人，2020；Mao等人，2020）。与未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒相比，老化后的聚苯乙烯纳米颗粒会产生更多的活性氧，且毒性更强（Errázuriz León等人，2024）。不过也有其他研究得出了不同结论。有一项针对铜绿微囊藻的研究表明，老化后的聚苯乙烯并未比未经处理的聚苯乙烯造成更严重的危害，可能是因为老化后的聚苯乙烯容易聚集沉淀，从而降低了其生物可利用性（Wu等人，2023）。总体而言，这些研究结果表明，具有不同表面性质的纳米塑料会产生不同的生物效应。紫外线是实验室中模拟塑料降解和老化的常用方法（Lambert & Wagner，2016；Song等人，2017）。短波紫外线（200–400纳米）常被用来模拟自然环境中的风化作用（Jahnke等人，2017）。UV-C光（200-275纳米）的光子能量高于UV-A/UV-B，因此可能对微塑料造成更严重的表面损伤。正因如此，UV-C越来越多地被用于微塑料的加速老化测试中（Liu等人，2019）。

中国鲎属于海洋环境中的底栖节肢动物，具有重要的生态、经济和教育价值，在海洋生态系统中发挥着关键作用（Chen等人，2010）。在过度捕捞和海洋污染等多重压力之下，中国鲎的栖息地遭到了严重破坏，其种群数量也在急剧下降（Fang等人，2023）。越来越多的证据表明，微塑料和纳米塑料污染可能是导致中国鲎数量锐减的原因之一（Fang等人，2023；Pan等人，2023）。幼年中国鲎生活在潮间带，这一生态系统对人类活动极为敏感（Li等人，2023）。作为海洋与陆地环境之间的过渡地带，潮间带会受到来自陆地的塑料垃圾以及被海流和潮汐带入的降解海洋废弃物的影响（Cozar等人，2014）。幼年中国鲎的活动能力有限，通常会在潮间带生活超过九年（Hu等人，2009），因此极易长期暴露在塑料环境中。事实上，已有研究在中国南部的幼年中国鲎体内检测到了大量微塑料积累（Wang等人，2022）。从第一年幼体阶段到性成熟，中国鲎大约要经历15–16次蜕皮；如果不能成功蜕皮，其死亡率会显著上升（Liu等人，2021）。在养殖过程中，第三龄之前幼体的死亡率最高，尤其是在从第一龄向第二龄过渡期间，此时幼体的新陈代谢十分活跃，对环境变化极为敏感（Weng等人，2024）。因此，中国鲎的早期生命阶段极为脆弱，直接关系到其种群的可持续性。

先前的研究已经表明，塑料颗粒会影响中国鲎的生理机能。例如，聚苯乙烯纳米颗粒与诺氟沙星共同作用会引发抗氧化反应以及微生物群失衡（Huang等人，2024）；聚苯乙烯纳米颗粒暴露还会导致转录组及能量代谢发生变化（Jiang等人，2025）；此外，聚苯乙烯微塑料也会影响中国鲎的生长或行为表现（Jiang等人，2026）。然而，这些研究都基于未经处理的商业级颗粒，缺乏现实环境相关性。而且，所有这些研究都仅关注短期暴露效应。由于在适宜水温条件下，第一龄中国鲎幼体通常需要三个月左右才能完成蜕皮（Dong等人，2022），目前仍缺乏关于聚苯乙烯塑料颗粒对中国鲎首次蜕皮过程长期影响的研究。另外，具有不同表面性质的纳米塑料可能会产生不同程度的生物效应。因此，研究未经处理的纳米颗粒以及老化后的纳米颗粒对这一关键生理过程的影响至关重要。

我们提出以下假设：（1）老化前后，聚苯乙烯纳米颗粒对中国鲎首次蜕皮过程的毒性存在差异；（2）老化后聚苯乙烯纳米颗粒毒性的变化是由于其表面化学性质和聚集行为的改变所致。为了验证这些假设，我们通过UV-C照射7天的方式制备了老化后的聚苯乙烯纳米颗粒，随后从细胞、分子和整体生物三个层面评估了未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒与老化后聚苯乙烯纳米颗粒的效应。这项研究有助于了解与环境条件相近的聚苯乙烯纳米颗粒对海洋底栖生物的生态毒性影响，为保护中国鲎提供科学依据。

章节摘录

老化后聚苯乙烯纳米颗粒的制备

由于聚苯乙烯纳米颗粒在毒理学实验中被广泛应用，因此被选为研究对象（Gouin等人，2024）。未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒（PPS，100纳米，编号6-1-0010）购自中国天津的BaseLine公司。本实验中使用的PPS未经过表面改性，悬浮在去离子水中。老化后的聚苯乙烯纳米颗粒则是通过紫外线老化法制备的。具体来说，将稀释后的PPS溶液置于摇床中（转速120转/分钟，温度25摄氏度），暴露在UV-C光下（波长254纳米，功率30瓦特，光照强度18毫瓦/平方厘米），以此确保均匀老化

老化后聚苯乙烯纳米颗粒与未经处理聚苯乙烯纳米颗粒的特性分析

聚苯乙烯纳米颗粒的表观特性直接反映了其老化过程。在老化实验中，随着UV-C辐射强度的增加，聚苯乙烯纳米颗粒的表面黄色会逐渐加深（见图2A、2B）。这是因为在紫外线氧化作用下，醌类物质或其他含氧基团（主要是羟基）的形成会影响老化后聚苯乙烯纳米颗粒的光吸收能力（Brandon等人，2016）。扫描电镜图像显示，未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒为表面光滑的均匀球形结构（见图2D）。经过一周的紫外线照射后

结论

本研究比较了未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒与老化后的聚苯乙烯纳米颗粒对幼年中国鲎首次蜕皮过程的差异影响，旨在更真实地模拟自然环境中的暴露情况。研究结果表明，未经处理的聚苯乙烯纳米颗粒会通过引发氧化应激和能量代谢紊乱来干扰蜕皮过程，从而导致蜕皮速率下降以及平均蜕皮时间延长。而老化后的聚苯乙烯纳米颗粒则在一定程度上缓解了这种负面效应

作者贡献说明

Hanafiah Fazhan：文章撰写——审阅与编辑，研究指导。Khor Waiho：文章撰写——审阅与编辑，研究指导。Menghong Hu：文章撰写——审阅与编辑，实验验证，研究指导。Ranran Ding：文章撰写——审阅与编辑，初稿撰写，方法设计，实验研究，数据分析。Nisha Singh：文章撰写——审阅与编辑。Youji Wang：文章撰写——审阅与编辑，方法设计，实验研究，资金筹集。Miao Xu：方法设计，实验研究。Shuang Shen：文章撰写——审阅与编辑

未引用参考文献

Abe等人，2018；Bradford，1976；Diffey，2002；Ivar do Sul等人，2014；Kwan等人，2015；Pikuda等人，2022；Van Handel，1985。

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财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了上海市教育委员会的创新计划（项目编号2023ZKZD52）以及上海市自然科学基金的支持，该基金属于2024年上海市科技创新行动计划资助项目（项目编号24320741100）。

Ranran Ding|Youji Wang|Nisha Singh|Shuang Shen|Miao Xu|Hexu Li|Yanxin Wang|Ruoling Sun|James Kar-Hei Fang|Khor Waiho|Hanafiah Fazhan|Menghong Hu

中国上海海洋大学渔业与生命科学学院，科技部上海国际海洋生物科学研究中心，中国上海201306