聚苯乙烯微塑料通过小球藻（Chlorella sp.）的膳食暴露减少TiO2纳米颗粒在甲壳动物卤虫（Artemia salina）中的食物链传递和毒性：可见光和紫外线A辐射的影响

《RSC Advances》：Polystyrene microplastics reduce the food chain transfer and toxicity of TiO2 nanoparticles in crustacean Artemia salina through dietary exposure of microalga Chlorella sp.: impact of visible light and ultraviolet-A radiationOpen Access

　　

微塑料和纳米颗粒是海洋系统中新兴的污染物。尽管UV-A辐射与环境相关，但大多数生态毒理学研究忽视了其在调节污染物毒性中的作用。因此，本研究旨在探究在可见光和UV-A辐射下，二氧化钛纳米颗粒（TiO₂-NPs）在不存在和存在胺基（NH₂ MPs）和羧基（COOH MPs）功能化聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）时的营养级转移潜力。实验采用海洋微藻小球藻（Chlorella sp.）和海洋甲壳动物卤虫（Artemia salina）作为生产者-消费者食物链代表。Ti在小球藻中的生物摄取在UV-A处理下高于可见光照射。在不存在PS-MPs时，Ti在小球藻中的生物摄取更高。在卤虫的膳食暴露后，Ti的生物摄取观察到类似的模式。因此，喂食经TiO₂-NPs预处理微藻的卤虫生存率降低，氧化应激增强，并改变神经递质活性。相比之下，在PS-MPs存在下，TiO₂-NPs表现出的这些有害效应减弱。乙酰胆碱酯酶（AChE）的计算机模拟研究为观察到的神经毒性提供了补充的机制见解。在两种光照处理下，TiO₂-NPs和TiO₂-NPs+PS-MPs的生物放大因子小于1，表明从小球藻到卤虫没有生物放大作用。风险商分析揭示了TiO₂-NPs带来的较高生态风险。皮尔逊相关分析和聚类热图显示，氧化应激和改变的神经递质活性可能损害了卤虫的生存。总体而言，本研究展示了光照和微塑料如何调节海洋生物中TiO₂-NPs的营养级转移潜力和毒性。

**研究背景与问题**

海洋塑料污染和纳米颗粒排放日益严重，聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）和二氧化钛纳米颗粒（TiO₂-NPs）作为新兴污染物广泛共存于海洋环境中。TiO₂-NPs具有光催化活性，在紫外线A（UV-A）辐射下可产生过量活性氧（ROS），但其在食物链中的营养级转移潜力及毒性受光照和共污染物的影响尚不明确。现有研究多采用可见光作为光源，忽视了UV-A辐射的生态相关性，且缺乏对PS-MPs与TiO₂-NPs联合暴露下营养级传递的系统评估。因此，研究人员开展本研究，旨在探究可见光和UV-A辐射下，TiO₂-NPs单独及与氨基功能化（NH₂ MPs）和羧基功能化（COOH MPs）PS-MPs复合后，从海洋微藻小球藻（Chlorella sp.）到海洋甲壳动物卤虫（Artemia salina）的食物链传递潜力及毒性机制。

**主要结论与意义**

研究发现，TiO₂-NPs单独暴露在UV-A下导致小球藻中Ti生物摄取最高，且该摄取模式在卤虫的膳食暴露中得到复现。TiO₂-NPs单独暴露显著降低卤虫生存率，增强氧化应激，并改变神经递质活性，而PS-MPs的共存则减弱了这些毒性效应。生物放大因子（BMF）均小于1，表明无生物放大作用。风险商（RQ）分析显示TiO₂-NPs具有高生态风险。该研究揭示了光照类型和微塑料对TiO₂-NPs营养级转移和毒性的调节作用，为评估海洋生态风险提供了关键依据。论文发表在《RSC Advances》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用海洋微藻Chlorella sp.（来源于印度中央海洋渔业研究所CMFRI）和海洋甲壳动物卤虫Artemia salina构建生产者-消费者食物链模型。在可见光（400–700 nm，0.4 mW cm^?2）和UV-A（320–400 nm，0.2 mW cm^?2）两种连续光照条件下，分别进行单独和二元混合物的暴露实验。通过原子吸收光谱（AAS）测定Ti生物摄取和积累量；使用荧光探针DCFH-DA评估ROS水平，TBA-TCA法测定丙二醛（MDA）含量；采用Ellman法检测乙酰胆碱酯酶（AChE）活性。计算机模拟部分包括分子对接和100 ns分子动力学（MD）模拟，分析TiO₂与AChE的相互作用。此外，还进行了风险商（RQ）分析、皮尔逊相关分析和聚类热图分析。

**研究结果**

**3.1 表征：** 场发射扫描电镜（FE-SEM）显示TiO₂-NPs为21 nm球形，PS-MPs为1.9 μm球形。水力学尺寸和zeta电位分析表明，TiO₂-NPs与PS-MPs共暴露时发生异质聚集，且UV-A下聚集程度更高。

**3.2 小球藻中Ti的生物摄取：** 单独TiO₂-NPs暴露下，UV-A处理的Ti摄取显著高于可见光处理（p < 0.001）。PS-MPs共暴露显著降低Ti摄取，且NH₂ MPs组的摄取高于COOH MPs组。低浓度PS-MPs（2.5 mg L^?1）的抑制效应弱于高浓度（10 mg L^?1）。

**3.3 卤虫中Ti的生物摄取和积累：** 膳食暴露后，Ti摄取模式与小球藻一致：UV-A下摄取更高，PS-MPs存在时摄取降低，且NH₂ MPs组高于COOH MPs组。积累实验结果与摄取趋势相同，但浓度显著低于摄取（p < 0.001）。

**3.4 卤虫生存率：** 单独TiO₂-NPs膳食暴露显著降低卤虫生存率（p < 0.001），UV-A下下降更明显。PS-MPs单独暴露及TiO₂-NPs+PS-MPs共暴露组生存率无显著变化。

**3.5 ROS生成：** 单独TiO₂-NPs暴露显著增加ROS（p < 0.001），UV-A下效应更强。TiO₂-NPs+PS-MPs共暴露组ROS水平显著低于单独TiO₂-NPs组，但UV-A下仍高于可见光。TiO₂-NPs+10 mg L^?1 COOH MPs组ROS无显著变化。

**3.6 MDA水平：** MDA变化趋势与ROS一致：单独TiO₂-NPs暴露显著升高MDA，UV-A下更显著；共暴露组MDA显著降低，但TiO₂-NPs+10 mg L^?1 COOH MPs组无显著差异。

**3.7 AChE活性：** 体外实验显示，单独TiO₂-NPs膳食暴露显著增强AChE活性（p < 0.001），UV-A下效应更突出；PS-MPs单独及共暴露组无显著变化。计算机模拟表明，TiO₂可结合于AChE预测活性位点（结合能?3.43 kcal mol^?1），涉及关键残基PHE295和TYR341。100 ns MD模拟显示，TiO₂结合后AChE的RMSD（从~0.20 nm降至~0.15 nm）、RMSF（从~0.18 nm降至~0.10 nm）和回旋半径均降低，表明结构稳定性增强，可能限制酶构象柔性，从而影响催化功能。

**3.8 生物放大因子：** 所有处理组的BMF均小于1，最高为UV-A下TiO₂-NPs单独暴露组的0.1 ± 0.002，表明TiO₂-NPs从小球藻到卤虫无生物放大作用。PS-MPs存在时BMF进一步降低。

**讨论总结与结论翻译**

讨论部分指出，UV-A辐射增强了TiO₂-NPs的光催化活性，导致微藻细胞膜损伤，促进Ti摄取；PS-MPs通过与TiO₂-NPs异质聚集降低其生物可利用性，从而减轻毒性。氧化应激（ROS和MDA升高）与AChE活性改变紧密相关，且与生存率下降呈负相关，表明氧化损伤和神经功能紊乱是主要毒性机制。计算机模拟支持了TiO₂与AChE活性位点的相互作用及其对酶结构的稳定化效应。风险商分析表明TiO₂-NPs在海洋环境中具有高生态风险。结论部分翻译如下：本研究的发现揭示，单独暴露于TiO₂-NPs导致微藻小球藻中Ti摄取最高，相较于TiO₂-NPs+PS-MPs。此外，UV-A下小球藻中Ti的生物摄取高于可见光处理。这些趋势与卤虫经膳食暴露后的Ti生物摄取高度一致。喂食经TiO₂-NPs单独预处理微藻的卤虫生存率显著下降，且在UV-A处理下下降更明显。暴露于TiO₂-NPs单独及与PS-MPs联合处理的微藻，导致卤虫中ROS和MDA水平升高，其中TiO₂-NPs单独膳食暴露组升高更显著。这种增强的氧化应激可能与AChE活性受损相关，而这两个参数的共同影响可能对膳食暴露的卤虫生存产生不利影响。在两种光照处理下，TiO₂-NPs在存在和不存在PS-MPs时的BMF均小于1，表明生物放大风险降低。RQ分析揭示了TiO₂-NPs在海洋系统中的高风险潜力。总体而言，本研究阐明了光照处理和共污染物（PS-MPs）在调节TiO₂-NPs从微藻到卤虫的营养级转移潜力中的重要性。未来研究应探讨海洋酸化、海洋变暖及天然有机物等环境因素如何影响污染物行为和毒性，并可将研究扩展至更高营养级生物（如鱼类），以更好地了解其在海洋食物链中的潜在风险。