《Environmental Pollution》：Deciphering the Microplastic Toxicity Cascade in Freshwater Fish: Integrating Machine Learning and Multi-Level Biological Responses
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摘要本研究通过整合组织病理学、氧化应激、神经毒性、免疫相关基因表达、游泳行为和生长性能，并借助多层统计与机器学习框架，评估了聚酰胺微塑料（PA-MPs）对幼鲢鱼的影响。鱼分别暴露于0、10、100和1000 μg/g PA-MPs处理30天。脂质过氧化和超氧化物歧化酶呈剂量依
摘要
本研究通过整合组织病理学、氧化应激、神经毒性、免疫相关基因表达、游泳行为和生长性能，并借助多层统计与机器学习框架，评估了聚酰胺微塑料（PA-MPs）对幼鲢鱼的影响。鱼分别暴露于0、10、100和1000 μg/g PA-MPs处理30天。脂质过氧化和超氧化物歧化酶呈剂量依赖性升高，表明存在氧化应激；而脑乙酰胆碱酯酶（AChE）活性被抑制27.2%，即使在最低暴露浓度下也呈显著反应，表明其可作为早期且敏感的神经毒性标志物。所有四种免疫相关基因均呈上调，其中抗炎细胞因子IL-10相对增幅最大（+75.0%）。这些变化伴随着体重增加（?56.2%）和饲料效率的显著下降，基准剂量模型显示10%的体重增加下降发生在中等暴露水平以下，而贝叶斯估计则赋予最高剂量组下降超过0.25 g的概率为96.3%。总体而言，经口PA-MP暴露产生了氧化、神经毒性、免疫、组织病理学和行为终点之间的协同干扰，并伴有生长障碍，这些层次间的关系最好被解读为具有统计支持的关联性，而非已证实的因果序列。
引言
微塑料（MPs），定义为直径小于5000 μm的塑料颗粒，已成为21世纪最严重的环境问题之一（Zeng等，2025）。这些颗粒来源于较大塑料材料的碎裂或作为微珠被有意生产（Rasta等，2026a；Siddique等，2025）。MPs是广泛存在的污染物，对淡水和水生生态系统构成新兴风险（Ephsy和Raja，2026）。在淡水环境中，MP污染通过多种途径威胁水生生物，包括摄入、机械包裹以及相关有毒添加剂和吸附污染物的释放（Wright等，2013）。这些影响可能损害生理功能、改变食物网动态，从而破坏生态系统完整性和生物多样性。
MPs对鱼类的影响包括神经毒性、基因毒性、氧化应激、组织病理学损伤、生长迟滞以及免疫和代谢功能的紊乱（Hasan等，2024；Rasta等，2025；Wang等，2024）。由于摄入，胃肠道（GIT）是主要的蓄积部位（Nuamah等，2023），在此MPs可引起结构损伤、肠道菌群失调、营养吸收不良、渗透调节障碍、营养利用降低以及生长和性能下降（Feng等，2021；Rasta等，2026c）。MPs还通过诱导氧化应激和脂质过氧化影响肌肉组织，导致细胞损伤和肌肉功能、游泳行为、游速及逃避捕食能力受损（Barboza等，2020；Sun等，2021；Xiong等，2023）。因此，综合评估肠道和肌肉组织病理学、氧化应激、神经毒性和行为对于将MP暴露与鱼类游泳性能和生长障碍联系起来至关重要。
机器学习（ML）和预测建模已成为生态毒理学中揭示污染物暴露与生物反应之间复杂关系的强大工具（Rasta等，2026b；Tonoyan和Siraki，2024）。这些方法能够检测非线性和多变量模式。在MPs污染研究中，ML模型可以预测鱼类体内颗粒蓄积及相关生化和组织变化，为机制理解提供框架（Jia等，2023；Jiang等，2022；Rasta等，2026c）。ML与回归和剂量-反应模型的结合可提高预测能力和可解释性（Malakar等，2024）。
本研究调查了经口聚酰胺MPs（PA-MPs）——全球第三大使用的塑料聚合物（Geyer等，2017）——对鲢鱼（Ctenopharyngodon idella）的影响，这是一种广泛用于水产养殖且对环境污染物敏感的淡水物种（Liu等，2024；Rasta等，2026b）。我们假设经口PA-MP暴露会诱导氧化应激、神经毒性和免疫失调，导致行为受损和生长障碍。鱼被暴露于环境相关和升高的PA-MPs浓度，响应通过在多个生物组织水平上采用整合的多终点和多方法框架进行评估。具体而言，我们评估了肠道和肌肉组织病理学；通过超氧化物歧化酶（SOD）、脂质过氧化（LPO）、乙酰胆碱酯酶（AChE）活性和IL-1β、IL-8、IL-10及基因表达评估氧化应激、神经毒性和免疫反应；以及对游泳行为、生长和饲料利用的影响。本研究并非单独评估各终点，而是整合剂量-反应建模、中介分析、ML和综合生物标志物评估，以识别幼鲢鱼（C. idella）中经口PA-MP暴露、多器官生物反应和生长障碍之间具有统计支持的关联。
章节摘录
PA-MPs的表征
球形PA-MPs（平均直径：20 μm，密度：1.03 g/cm3）购自广东银纳科技有限公司（中国）。颗粒形态和聚合物组成通过扫描电子显微镜（SEM；Hitachi SU3500）和微拉曼光谱仪（XploRA? PLUS，HORIBA，法国，785 nm）1进行了验证（补充图S1）。
实验鱼和伦理审批
幼鲢鱼（初始体重：3.75 ± 0.25 g，均值 ± 标准差）购自中国宜昌的一家商业育苗场，并进行驯化适应
经口PA-MP暴露后的多器官生理反应和生长障碍
组织病理学分析揭示了PA-MP暴露后肌肉和肠道组织的处理相关改变（图1）。对照组鱼组织正常，无病变（累积指数 = 0）。低剂量经口PA-MP暴露引起轻度肌肉改变（水肿、轻微肌纤维坏死、中度炎症；指数 = 4），但无肠道损伤。中等经口PA-MP暴露引起肌肉严重水肿、纤维坏死和变性，以及肠绒毛退化和刷状缘
组织学变化
经口PA-MPs在幼鲢鱼（C. idella）的肌肉和肠道组织中引起了剂量依赖性的结构退化。肌肉病变从轻度水肿进展至严重肌原纤维解体和炎症，表明收缩功能受损，与先前的研究一致（Arya等，2025；Rasta等，2026b；Ravi等，2023；Sayed等，2023）。相比之下，低剂量经口PA-MP下无肠道损伤，但在较高剂量下变得明显，伴有刷状缘
结论
经口PA-MP暴露诱导了幼鲢鱼（C. idella）中协同的氧化应激、神经毒性、炎症、组织病理学和生长反应，支持了一种生物学上合理的多系统毒性框架。综合生物标志物分析、基准剂量建模、贝叶斯推断、ML和中介分析共同揭示了剂量依赖性的不良反应以及多个生物水平之间具有统计支持的关联。AChE抑制甚至在
CRediT作者贡献声明
Ali Haghi Vayghan：写作 – 审阅与编辑，形式分析，概念化。Azin Ahmadi：写作 – 审阅与编辑，形式分析，概念化。Mian Adnan Kakakhel：方法论，形式分析，概念化。Mojtaba S. Taleshi：写作 – 审阅与编辑，方法论，概念化。Waleed Afzal Naveed：验证，调查。Xiaotao Shi：写作 – 审阅与编辑，指导，资源，方法论。Hamidreza Rahimi：方法论，调查。Aysha Zahid：
数据可用性
支持本研究的去标识化个体水平数据集作为补充数据S1提供，重现所有报告分析的完整R脚本（包括所有随机种子）作为补充代码S1提供。
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究工作得到了国家自然科学基金（NSFC；编号：W2433148）的研究资助支持。
Niloofar Shabanpoorlashkaryan|Seth Opoku|Mian Adnan Kakakhel|Mojtaba S. Taleshi|Ali Haghi Vayghan|Azin Ahmadi|Hamidreza Rahimi|Aysha Zahid|Waleed Afzal Naveed|Xiaotao Shi|Majid Rasta
三峡大学水利与环境工程学院，中国湖北宜昌，443002
