《Microplastics》：Biological Impacts of Microplastic Exposure in Zebrafish (Danio rerio): A Systematic Review Across Developmental, Physiological, and Neurobehavioral Endpoints
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微塑料（MPs）是广泛存在于水环境中的新兴污染物；然而，它们对水生生物不同生命阶段的影响仍知之甚少。本系统性综述整合了关于MP暴露对斑马鱼（Danio rerio）（一种常用于生态毒理学研究的模式生物）的发育、生理和神经行为影响的最新实验结果。通过使用Web
微塑料（MPs）是广泛存在于水环境中的新兴污染物；然而，它们对水生生物不同生命阶段的影响仍知之甚少。本系统性综述整合了关于MP暴露对斑马鱼（Danio rerio）（一种常用于生态毒理学研究的模式生物）的发育、生理和神经行为影响的最新实验结果。通过使用Web of Science（WoS）和Scopus数据库进行PRISMA指导的检索，共产生581篇文章，经筛选后得到60篇合格文章。汇总结果显示，MP对不同生命阶段斑马鱼的毒性与MP的理化性质和暴露条件密切相关。在发育毒性方面，评估特定MP理化性质（聚合物类型、尺寸、浓度、形状和老化程度）的同行评审出版物报告了浓度依赖性效应，随着MP浓度增加，通常与生长抑制、心脏功能障碍、畸形增加和孵化率降低相关，特别是在≥10 mg/L至≥100 mg/L时。然而，多项研究指出，在基于颗粒的暴露场景下，MP毒性表现出阈值样或非单调响应，归因于聚集、生物可利用性和摄取动力学。与“原始”MP相比，风化及人工老化MP表现出更高的胚胎毒性和神经发育毒性，包括神经元基因表达改变、运动神经元完整性降低和视网膜发育受损。在生理终点方面，氧化失衡（如抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）的活性变化）、脂质过氧化、炎症和紧密连接破坏已被报道为关键毒性通路。慢性MP暴露还导致斑马鱼肠道微生物群、肝脏代谢、内分泌干扰、生殖损伤、甲状腺功能紊乱和遗传毒性发生变化。在神经行为效应方面，幼虫和成鱼中均观察到运动活动、焦虑反应、神经递质稳态和乙酰胆碱酯酶功能的变化，且在老化MP暴露中具有增强效应。最后，本系统性综述发现，由于MP浓度、天然MP老化模拟和MP剂量测量方面的方法学不一致和差异，研究间比较存在重大局限性。
**1. 引言**
微塑料（MPs）是新兴污染物，因全球塑料产量激增、包装材料广泛使用、快时尚及废物管理不足而广泛存在于环境中。MPs尺寸范围为0.1 μm至5 mm，形状、组成、密度和风化程度各异，影响其环境归趋和生物效应。MPs常见于高人口密度城市水域，如菲律宾帕西格河（Pasig River）和水稻田（Yangtze River Basin）鱼类体内均检出MPs。MPs源于大型塑料经紫外线（UV）辐射、机械磨损和风化作用解离，或护肤产品中的微珠释放。人类活动如废物处理、纺织制造、建筑和医疗废物是主要贡献来源。因小尺寸和疏水性，MPs可通过空气和水体远距离迁移，经食物链生物累积，影响包括人类在内的所有生物。鱼类胃肠道中MPs含量最高（约40%），通过海鲜摄入可能使人类每年摄入多达842个MP颗粒。MPs可穿透生物膜，导致人体内生物累积，引发细胞应激反应和炎症。实验室研究进一步表明，MPs可引起模式生物和人类细胞的氧化应激、细胞毒性和免疫反应。斑马鱼（Danio rerio）因其保守的脊椎动物器官系统、透明胚胎、快速发育、高繁殖能力和行为可量化特点，成为研究MP毒性的理想模型。斑马鱼与人类基因相似度高达70%，其应用始于抗癌治疗，现已扩展至毒理学领域。已有研究显示，聚苯乙烯（PS）MPs短期暴露导致斑马鱼组织分布和器官特异性效应（如肝脏变化），多种MPs类型（如PE、PS、PP、PVC、PET等）与肠道损伤和氧化应激相关。神经行为和神经化学改变在幼鱼和成鱼中均有报道，且老化MPs的毒性更强。本系统性综述在单一分析框架内整合了发育、生理和神经行为终点，评估MP特性（聚合物类型、尺寸、形状、老化程度和浓度）对毒性的影响模式，并识别了限制研究间比较和生态风险评估的方法学局限性。
**2. 材料与方法**
采用PRISMA 2020指南进行系统检索，协议预注册于OSF（DOI: 10.17605/OSF.IO/KHMJA）。检索于2025年8月在Web of Science（WoS）和Scopus数据库进行，使用关键词“microplastic”和“zebrafish”，限定2015至2024年间的同行评审英文研究论文。初始检索获得581篇，去重后371篇，经文件类型和语言筛选（排除综述、非英文等），再经标题和摘要筛选，最终60篇纳入全文评估。提取信息包括MP特性（聚合物类型、尺寸、形状、风化程度）、剂量（浓度）、斑马鱼生命阶段、暴露时间、评估终点和毒理学结果。因方法学差异，无法进行定量荟萃分析，故采用叙述性综合，按发育、生理和神经行为终点分组。使用SYRCLE偏倚风险评估工具评估60篇研究，结果显示多数领域以低风险为主，但部分领域（如领域4、6、14-17、19、20）存在不明确风险，表明方法学报告不完整。高风险判断较少，但领域5和7相对较高。使用VOSviewer 1.6.20进行关键词共现和文献耦合分析，可视化研究结构，发现“微塑料”、“斑马鱼”、“毒性”为核心关键词，与“氧化应激”、“发育”、“神经行为”、“积累”、“基因表达”等强相关。作者耦合分析显示研究社区内的紧密合作。地理分布显示中国（大陆）贡献最多（34篇），其次为印度（7篇）、韩国（5篇）和葡萄牙（4篇）。
**3. 斑马鱼微塑料暴露的发育异常及其后果**
胚胎和幼鱼暴露于MPs表现出明确的浓度依赖性发育毒性。例如，PS MPs（1-5 μm）在10 μg/L时无明显效应，100 μg/L时孵化率降低至10%，1000 μg/L时孵化延迟-25%、心率降低-13%，畸形率增至22%。然而，部分颗粒基暴露显示非线性剂量反应，如中等颗粒负荷产生可测量的心脏和生长抑制，而更高质量浓度并未成比例增加胚胎毒性，这归因于颗粒聚集、生物可利用性降低和摄取途径饱和。低剂量暴露（如PS、PE、PES）常无死亡率和体长显著变化。发育毒性随浓度增加，但可能呈现非单调或阈值模式。例如，PE和PS碎片在0.2和1 mg/L时无显著差异；人工老化聚丙烯和聚苯乙烯在中等颗粒负荷（2000-20,000 MP·L
-1）时降低心率和体长，而更高暴露（200,000 MP·L
-1）未进一步加剧胚胎毒性。颗粒老化显著增强发育和神经发育毒性。光老化和风化PS及PE导致死亡率约80-82%，而原始PS仅10-20%；老化MP还引起更高畸形率（如脊柱畸形13-14%、尾弯曲21%）。光老化PA MPs在10 μg/L时轻度抑制生长，100 μg/L显著降低体长并诱导肠道损伤，1000 μg/L导致严重生长抑制和脂质吸收障碍。人工老化PS降低运动神经元荧光，并调控神经发育相关基因（如gabra1、manf、nestin、gfap），表明干扰神经元分化和中枢神经系统形成。视网膜暴露于荧光微球改变增殖标志物，下调神经发生基因（sox2、neuroD）。老化MPs增强毒性主要归因于UV照射、氧化降解和机械磨损引入含氧官能团（羰基、羟基），增加表面极性和反应性，增强与生物膜的相互作用。此外，老化MPs能吸附环境污染物（重金属、疏水有机物、塑料添加剂），作为载体传递二次毒物，放大生物效应。聚合物类型和尺寸进一步影响发育结果。例如，PVC MPs（约250 μm）在300-400 ppm时引起显著水肿和尾部畸形（约19.1%），而较大碎片PE和PES（180-350 μm）在低浓度下产生最小发育毒性。PS微珠（5±3 μm）在10 mg/L时导致31.3%畸形和11.1%死亡率，且孵化率降低；相同尺寸下，较小颗粒（5 μm vs 50 μm）产生稍强发育效应。慢性暴露（7天至数周，浓度1-100 mg/L）结果显示，≥10 mg/L PE MPs导致体长减少、代谢紊乱和氧化应激标志物增加，而50-100 mg/L时产生严重生理损伤（如肝脏损伤）。低剂量（如20 μg/L PS 21天）无显著生长参数变化，表明浓度阈值存在，且阈值因聚合物类型、尺寸和形态而异。
**4. 斑马鱼暴露于微塑料的生理和氧化应激反应**
氧化应激是斑马鱼对MP暴露最一致的生理反应。PE MPs（40±10 μm）在100 μg/L暴露21天增加超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性，并引起轻度肠道绒毛损伤。1-5 μm球形MPs在2 mg/L时显著增加活性氧（ROS）产生、脂质过氧化（LPO）和多种抗氧化生物标志物（SOD、CAT、GPx、GST、GR、GSH/GSSG）变化，同时抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）活性。慢性暴露于风化PE MPs（1 μg/L，40天）显著调节免疫和氧化应激反应，包括血浆皮质醇升高、抗菌和溶菌酶活性增加及血液学参数变化。低浓度MPs常诱导补偿性抗氧化反应，高浓度则导致持续氧化失衡和细胞损伤通路激活。例如，PGA MPs在1 mg/L时引起早期抗氧化反应和肠道屏障紊乱，100 mg/L时增强炎症信号和神经化学变化。PS微珠（5±3 μm和50±3 μm）在10 mg/L时增加ROS、丙二醛（MDA），激活SOD和CAT，并上调凋亡基因（p53、Bax、caspase-3/8/9）和下调抗凋亡基因Bcl-2。肠道毒性和屏障功能障碍是常见发现，包括绒毛缩短、上皮脱落、空泡化、杯状细胞减少以及紧密连接基因（cldn5、zo-1）下调，伴随D-乳酸水平升高。PP和UV-老化PP MPs（50 mg/L，14天）引起明显肠道黏膜损伤，绒毛结构破坏，杯状细胞减少34%（PP）和51%（UV-PP）。炎症反应如白细胞介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）表达升高。肠道菌群分析显示变形菌门（Proteobacteria）丰度增加，梭杆菌门（Fusobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）变化，代谢组学显示嘌呤代谢、胆汁酸合成、精氨酸和脂质代谢紊乱。慢性PS MPs（5 μm，20 μg/L，21天）暴露降低肝脏丙酮酸、甘油三酯（TG）和总胆固醇（T-CHO）水平，虽然糖脂代谢基因无显著变化，但氧化应激标志物（CAT活性增加、GSH降低）及相关基因（Mn-sod、Nrf2、Keap1、Gpx、Bcl2）受抑制。组织病理学显示肝细胞空泡化、核异常。PS MPs（10、40、200 μm，100 μg/L，30天）引起尺寸依赖性肝损伤，SOD活性随粒径减小而增加，CAT活性在最小粒径组显著降低。代谢组学分析显示PS MPs（5 μm，1-100 mg/L）暴露后心脏组织三羧酸（TCA）循环中间体（琥珀酸、α-酮戊二酸）显著减少，丙酮酸增加，表明线粒体代谢和氧化磷酸化紊乱。内分泌和生殖终点显示，PS MPs（约100 μm，40.1 μg/L，21天）显著增加卵巢和脑睾酮水平，导致卵母细胞成熟停滞和氧化损伤（MDA增加）。PE MPs（约25 μm，100 μg/L，35天）扰乱生殖激素（雌二醇E2、睾酮T、11-酮睾酮11-KT）和HPGL轴基因（gnrhr2、gnrhr3、cyp11a、cyp19a、erα、vtg）表达，引起卵巢病理变化。PS MPs（约2 μm，0.1和1 mg/L，63天）干扰甲状腺轴，增强母体向子代传递甲状腺激素（T3、T4），并降低F2代激素水平。人工老化PLA MPs（约100 μm，5 mg/L，5周）引起卵巢结构损伤和类固醇激素失衡，导致子代死亡率增加、孵化率降低和体长减少。神经生理生物标志物（AChE活性）显著改变，如1-5 μm MPs在2 mg/L时抑制AChE活性，同时增加ROS、LPO和抗氧化酶变化。心血管效应表现为PS MPs（1-5 μm，10-1000 μg/L）浓度依赖性心率降低，与微囊藻毒素-LR共暴露时引起尾静脉血栓、血管生成抑制和氧化应激基因表达增加。高剂量PS MPs（5 μm，100 mg/L）导致心脏脂质过氧化增加528.5%、DNA损伤标志物增加约100倍，并激活凋亡通路（Bax/Bcl-2比值升高，caspase-3和caspase-9表达上升）。生物累积和净化动力学显示，PP MPs（33.2±14.4 μm，50 mg/L，14天）快速摄入，净化后1天残留7.9%（原始PP）和12.3%（UV-老化PP），5天内约99.9%消除，半衰期分别为0.78天和0.38天。PS MPs（5 μm，1-100 mg/L）在胃肠道、肝脏等组织广泛分布，显示小颗粒的系统性生物可利用性。性别特异性反应中，雌性斑马鱼在PS MPs（20 μg/L，21天）暴露后表现出更强的肠道菌群失调和代谢变化，与生殖损伤和脂质代谢改变相关。
**5. 神经行为及其对斑马鱼暴露于微塑料的相应影响**
神经行为结果显示，MP暴露可显著改变幼鱼和幼年斑马鱼的运动活动，响应受颗粒浓度、尺寸和暴露时间强烈影响。PS和PVC MPs（20 mg/L，10天）导致PS暴露死亡率约10-20%并显著抑制游泳活动，PVC暴露产生中等抑制和较低死亡率，显示聚合物特异性差异。PS MPs（约25 μm，25和250 μg/L）在明暗周期测定中未引起运动行为显著变化。PS微珠（5±3 μm，10 mg/L）引起31.3%畸形和11.1%死亡率，因尾部形态和神经肌肉协调异常导致游泳性能下降。神经递质调节和胆碱能功能受强烈影响。原始PS MPs（约1 μm，1-100 μg/L，1-120 hpf）显著改变5-羟色胺（5-HT）、多巴胺（DA）、γ-氨基丁酸（GABA）和乙酰胆碱（ACh）水平，以及乙酰胆碱酯酶（AChE）、胆碱乙酰转移酶（ChAT）和胆碱酯酶（ChE）活性，表明神经传递通路紊乱。AChE调节方向因聚合物类型、尺寸和暴露条件而异：球形MPs（1-5 μm，2 mg/L，2 hpf-14 dpf）显著抑制AChE活性，同时增加ROS、LPO和抗氧化酶变化；50 nm和45 μm PS颗粒（4-120 hpf）降低AChE，增加CAT和GPx，升高谷胱甘肽（GSH）水平，并减少体长约6.1%，表明氧化应激介导的神经损伤导致神经发育和运动活动受损。基因表达研究显示，人工老化PS MPs（约1 μm，0.1-100 μg/L，120 hpf）降低运动神经元荧光强度从238±2.58 AU降至约229±2.53 AU（100 μg/L），并调控神经发育相关基因（gabra1、manf下调，nestin、gfap、alpha-tubulin、mbp上调），表明神经元分化和胶质细胞激活失调。视网膜暴露于荧光微球（1-5 μm，2 mg/L，2 hpf-14 dpf）导致PCNA阳性增殖细胞增加，但神经发生基因（sox2、neuroD、olig2）显著下调，DNA甲基转移酶（DNMT）表达改变，表明MPs干扰神经分化通路和表观遗传调控机制。PS MPs（约5 μm，1-100 mg/L）暴露后神经组织中凋亡基因（casp3、casp8、casp9）上调，与氧化应激标志物共同表明程序性细胞死亡激活。心血管-神经行为整合在PS微珠（1和5 μm，10-1000 μg/L，96 hpf）暴露中显示，1000 μg/L时心率降低约13%，伴随发育延迟和畸形（约22%），这些心血管损伤与幼鱼运动性能和生理活动降低相关。慢性PS MPs（约5 μm，1-100 mg/L）暴露导致心脏组织严重氧化损伤，脂质过氧化标志物增加529%，DNA氧化损伤标志物增加约100倍，并激活凋亡通路（Bax/Bcl-2升高，caspase-3和caspase-9表达上升）。共暴露研究显示，PS MPs（约1 μm，1-100 μg/L）与微囊藻毒素-LR（MC-LR）共同作用时，引起尾血管血栓形成、血管生成抑制和血管异常增加，且氧化应激和炎症基因（IL-1β、TNF-α）表达升高，表明协同毒性。慢性暴露（≥21天）条件下，内分泌-神经行为相互作用被报道：PS MPs（约2 μm，0.1和1 mg/L，63天）扰乱甲状腺激素调节，改变循环T3和T4水平，增强母体向胚胎传递激素，影响子代发育和行为反应，表明干扰下丘脑-垂体-甲状腺（HPT）轴。另一慢性实验（PS MPs，5 μm，20 μg/L，21天）显示肠道屏障破坏、菌群失调（变形菌门增加，梭杆菌门和厚壁菌门变化）与行为变化（如焦虑样反应增加、探索活动减少）相关，涉及肠-脑轴。生物累积特性影响神经行为毒性强度：老化PS MPs（约1 μm，0.1-100 μg/L）比原始PS引起更强的神经发育损伤，如运动神经元荧光降低和基因表达失调。最后，MPs改变单胺能信号通路（5-HT、DA、GABA），这些神经递质调控运动、焦虑行为和神经发育；MPs可通过干扰内分泌轴（HPT、HPG）影响神经元分化、代谢和行为；MPs引起的肠道屏障损伤和菌群失调通过肠-脑轴影响神经功能，导致焦虑样行为、运动改变和认知功能障碍。
**6. 总结与未来展望**
本系统性综述纳入的研究一致表明，MPs对斑马鱼的毒性强烈受聚合物类型、尺寸、浓度、暴露时间和风化状态影响。然而，方法学异质性限制了毒理学结果的直接比较。未来研究应优先标准化方法学，以提高可重复性和生态相关性。应优先标准化微塑料理化性质的报告，包括聚合物身份、粒径分布、形态、老化状态、表面特性和浓度指标。纳入的研究使用了多样的暴露设计和报告方式，使直接比较困难并限制了定量综合。建立统一的实验方案可提高可重复性并促进研究间比较。尽管先进分析技术（如成像技术、组学分析、不良结局通路（AOP）框架）可能有助于未来机制研究，但本综述纳入的研究中只有少数采用了这些方法。人工智能和机器学习技术被视为有望的工具：AI图像分析可增强MP检测和定量，机器学习可分析多组学大数据以识别预测毒性通路和生物标志物网络，AI视频追踪系统可更准确地量化斑马鱼行为。汇总的实验证据证实，MPs是斑马鱼中的生物活性应激源，可触发发育、生理和神经行为水平的协调功能紊乱。结果强调了标准化实验方法对确保生态相关性和风险评估的重要性。未来方向建议：增加多代研究以评估跨代毒性；使用组学技术（转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表观基因组学）推进机制认识；标准化MP毒性研究参数；使用环境相关MPs（如老化MPs和生物膜形成MPs）；开展共暴露研究；利用成像技术精确评估组织累积；进行更多神经行为研究（包括昼夜节律和认知功能测试）；探索微生物-肠道相互作用；开发高通量筛查工具；将斑马鱼数据整合到AOP/生态风险评估框架中。基于本综述发现，未来斑马鱼研究应聚焦于改进方法学一致性，采用标准化MP表征、环境相关暴露场景、验证过的老化程序和统一生物终点（发育、生理、神经行为），以加强证据综合、促进研究比较并改善微塑料生态风险评估。
