聚苯乙烯微塑料与三苯基磷酸酯对鲤鱼鳃的联合毒性：基于生理学和转录组学的机制解析

《Aquatic Toxicology》：Combined Toxicity of Polystyrene Microplastics and Triphenyl Phosphate on Common Carp Gills: Mechanistic Insights from Physiology and Transcriptomics

　　

摘要

微塑料（MPs）与共存有机污染物的联合毒性是环境污染风险评估中的关键问题。磷酸三苯酯（TPHP）是一种广泛使用的阻燃剂，常与微塑料共存于水生环境中。然而，关于微塑料对TPHP毒性影响的研究仍然有限。本研究整合了生理学、生化学和转录组学方法，以调查聚苯乙烯（PS）微塑料和TPHP暴露3天和7天后对草鱼（Cyprinus carpio）鳃部的单独及联合效应以及其潜在机制。结果表明，PS和TPHP破坏了鳃上皮的完整性，扰乱了渗透调节，抑制了有氧能量代谢，并诱导了氧化应激、炎症级联反应、屏障蛋白耗竭和细胞凋亡。关键的是，使用交互效应指数（d_I）进行的形式交互分析揭示了不同的联合毒性模式。此外，转录组学分析显示，联合暴露引发了最广泛的转录抑制（1,790个差异表达基因），并独特地富集了细胞外基质（ECM）降解和脂质代谢障碍。值得注意的是，尽管PS降低了鳃中TPHP的积累，但联合暴露却触发了最严重的分子扰动，这表明联合效应来源于细胞内通路的交叉干扰，而非吸收的增强。我们的研究结果表明，PS通过破坏代谢、屏障完整性和细胞凋亡加剧了TPHP诱导的鳃毒性，强调了在水生风险评估中需要考虑联合效应的必要性。

引言

微塑料（MPs）因其优异的稳定性与耐久性而在全球范围内被广泛使用，但它们也导致大量塑料废弃物进入环境（Macleod等人，2021）。当大块塑料进入环境时，会在物理和化学因素及机械力的作用下分解为直径小于5毫米的碎片或颗粒，即微塑料（Thompson等人，2004）。水环境是微塑料污染与积累的重要场所。据报告，中国长江口的微塑料丰度可达4137.3±2461.5 n/m³（Zhao等人，2014），而法国塞纳河表面水中的微塑料丰度为10,400–34,400 n/m³（Treilles等人，2021）。微塑料体积小、颜色多样，易被贝类和鱼类等水生动物误认为食物。越来越多的证据表明，微塑料对水生生物具有不利影响，例如导致水生生物的氧化应激、免疫反应、代谢变化以及细胞坏死，并可能通过食物链在较高营养级累积和放大（Eid等人，2025；Sayed等人，2022）。同时，由于其粒径小、比表面积大，微塑料可吸附各种有毒物质，如持久性有机污染物（POPs）（Zhang等人，2020），从而产生差异性生物毒性。因此，该主题近年来引起了广泛的研究关注。例如，聚苯乙烯纳米塑料可与机油等共污染物协同增强毒性，在尼罗罗非鱼中引起严重贫血、极端的炎症反应和氧化应激（Sayed等人，2024）。尽管PS对贻贝中荧蒽的吸收影响可忽略不计，但PS抑制了P-糖蛋白的合成，而P-糖蛋白参与有毒物质的排出，从而阻止荧蒽的及时排出，最终导致更强的氧化应激和组织损伤（Luo等人，2022）。最近的转录组学和蛋白质组学研究揭示，微塑料与有机污染物的联合暴露会诱发与单独暴露不同的独特分子特征，提示存在通路水平的交叉干扰而非简单的加和作用（Zheng等人，2025；Zhou等人，2025）。然而，其他研究表明联合暴露并不会增加毒性。例如，Wang等人发现，微塑料与重金属（Cd、Pb和Zn）的组合并未增加河豚性腺发育的风险（Wang等人，2020）。上述研究表明，微塑料与化学物质的联合效应复杂且多变。因此，迫切需要就微塑料与有机污染物在水生生物中的联合效应开展广泛研究。

磷酸三苯酯（TPHP）因其出色的阻燃和增塑性能，作为广泛使用的塑料产品添加剂而备受关注。近年来，TPHP已在大气、水体、土壤和沉积物等各种环境介质中被检测到（Liu等人，2023）。TPHP还可通过饮食、呼吸、皮肤接触等途径进入体内，对生物健康造成不利影响（Sundkvist等人，2010；Zhao等人，2017）。例如，TPHP可引起斑马鱼异常的游泳行为（Poopal等人，2021），导致斑马鱼肝组织形态发生变化以及抗氧化能力失衡（Ramesh等人，2020）。此外，TPHP还可干扰贻贝的渗透调节和能量代谢（Li等人，2021）。

鳃是鱼类与外界环境持续相互作用的主要部位，也是滤食性鱼类的摄食器官。由于其结构复杂且功能多样，鳃极易受到化学物质的攻击和损伤，使其成为研究污染物与生物相互作用及毒性机制的理想模型（Yin等人，2022）。TPHP在塑料产品中的广泛使用以及塑料废弃物向环境中的持续释放，加上TPHP的高疏水性（log Kow：4.59）使其易于吸附在微塑料上，使得微塑料与TPHP在淡水中的共存成为必然。然而，TPHP和PS对淡水经济鱼类鳃部的联合效应仍然鲜为人知，而且不清楚PS是否通过独立于载体介导吸收的机制加剧TPHP的毒性。此外，其联合效应机制的整合生理-转录组学分析仍然缺乏。为弥补这些不足，我们选择了草鱼（Cyprinus carpio）并采用综合方法刻画其单独及联合毒性，重点关注代谢失调、屏障破坏和凋亡激活。本研究为研究PS和TPHP对水生动物的联合毒性以及维护水生生态系统健康提供了科学依据。

章节片段

实验鱼养殖与试剂

草鱼购自中国济宁的微山湖水产养殖中心，并在连续曝气的除氯自来水（余氯 < 0.01 mg/L，溶解氧 > 80%饱和度，20-25°C，pH 7.2-7.5）中驯化，直至死亡率降至1%以下。磷酸三苯酯（TPHP，≥ 99%）和直径为50 μm的PS微塑料分别从广东百仕化学科技有限公司和江苏至川科技有限公司购得。TPHP储备液（1 mg/mL）配制如下

草鱼鳃中TPHP的变化

TPHP的标准曲线为：y = 451.243987 * x + 971.985364，相关系数R² = 0.99760708（图1a）。从草鱼组织中提取物质的保留时间（RT）为2.580分钟，与外标TPHP一致（图1b）。通过其质荷比（m/z）进一步确认提取物质为TPHP（图1c）。基于标准曲线，计算了草鱼鳃中TPHP的含量。空白组和

TPHP在草鱼鳃中的积累

由于其较大的比表面积和疏水性，PS可吸附水生环境中的疏水性有机污染物，作为污染物的载体并由此改变其环境行为（Guan等人，2020）。在本实验中，联合暴露组TPHP的检测浓度显著低于TPHP单暴露组，表明PS通过在水生环境中的强吸附作用显著降低了TPHP的生物有效性。这

结论

本研究全面评估了PS和TPHP对草鱼鳃的毒性。结果表明，PS和TPHP扰乱了草鱼鳃的正常能量代谢和离子稳态，诱导了过量的ROS产生和炎症级联反应，并触发了程序性细胞死亡，最终导致鳃崩解（图8）。转录组学分析进一步揭示，TPHP主要损害细胞骨架完整性并诱导凋亡，而PS激活了先天免疫

作者贡献

王莹（第一作者）：软件、方法学、数据整理、形式分析、验证、可视化、监督、写作—初稿撰写。王仁君*（通讯作者）：概念构思、获取资金、监督、写作—审阅与编辑。陈俊峰：数据整理、写作—审阅与编辑。赵先恩：写作—审阅与编辑。张旺龙：写作—审阅与编辑。刘春辰：写作—审阅与编辑。丁宁：写作—审阅与编辑。高佩克*

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

本研究中产生的数据可根据请求获得。本研究产生的原始序列数据已存入NCBI的序列读入档案库（PRJNA1493274）（https://www.ncbi.nlm.nih.gov）。

作者声明

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CRediT作者贡献声明

王莹：写作—初稿、可视化、验证、监督、软件、方法学、形式分析、数据整理。王仁君：写作—审阅与编辑、监督、获取资金、概念构思。陈俊峰：写作—审阅与编辑、数据整理。赵先恩：写作—审阅与编辑。张旺龙：写作—审阅与编辑。刘春辰：写作—审阅与编辑。丁宁：写作—审阅与编辑。高佩克：写作—审阅与编辑，

王莹|王仁君|陈俊峰|赵先恩|张旺龙|刘春辰|丁宁|高佩克

曲阜师范大学生命科学学院，中国山东曲阜 273165