《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Rainbow trout blood as a hazard monitoring platform for biodegradable microplastics
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聚乳酸（poly(lactic acid)，PLA）作为传统塑料的主要替代品被广泛推广，但其在自然环境中的降解特性及其生态毒理学影响仍不明确。本研究将聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）标记的原始与光老化PLA可生物
聚乳酸（poly(lactic acid)，PLA）作为传统塑料的主要替代品被广泛推广，但其在自然环境中的降解特性及其生态毒理学影响仍不明确。本研究将聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）标记的原始与光老化PLA可生物降解微塑料（biodegradable microplastics，BMPs）暴露于虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss），以探究其进入外周血循环后的命运与效应。共聚焦成像显示，两种PLA颗粒均能进入外周血并与红细胞相关联。随后，研究人员对非红细胞进行了单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq），鉴定出八种主要血细胞群，包括巨噬细胞-单核细胞（macrophage-monocytes，Mac-Mon）、内皮细胞、树突状细胞等。研究发现，PLA暴露后，这些细胞群的丰度发生了显著变化，其中巨噬细胞-单核细胞表现出最强的转录重编程，其功能富集于免疫应答、吞噬作用和炎症调控通路。细胞间通讯分析表明，内皮细胞成为了接收循环信号的关键枢纽，其粘附与血管稳态相关信号通路发生了重塑。值得注意的是，环境光老化处理显著增强了PLA BMPs的生物学反应。光老化颗粒不仅引起了更严重的红细胞形态异常，还进一步加剧了巨噬细胞-单核细胞的转录扰动和血细胞间的通讯网络失衡，特别是削弱了与血管结构稳定性相关的信号传导。本研究建立了以外周血为中心的单细胞分辨率评估框架，证明外周血可作为监测可生物降解微塑料早期系统性效应的敏感平台。研究结果挑战了“可生物降解即意味着低风险”的传统认知，强调在评估此类材料的生态安全性时，必须考虑其环境转化过程。
论文解读文章
研究背景与科学问题
随着塑料污染问题的日益严峻，以聚乳酸（PLA）为代表的生物基可生物降解塑料被视为传统石油基塑料的理想替代品，其应用范围已覆盖包装、农业及一次性消费品等领域。然而，“可生物降解”这一属性并不等同于在自然水体中的快速完全矿化。事实上，PLA在自然环境中通常因温度、湿度、微生物活性等条件不足而难以高效降解，其碎片会持续存在于水环境中并与水生生物发生相互作用。更重要的是，环境风化作用会将PLA制品转化为不规则的微米级乃至纳米级颗粒。已有研究表明，鱼类摄入PLA颗粒后可引发上皮损伤、氧化应激、炎症反应及代谢紊乱等一系列毒性效应。然而，现有研究多聚焦于肠道、肝脏、鳃等传统靶器官的整体性结局，对于PLA微塑料进入血液循环后的命运及其引发的早期系统性事件，尤其是血液中各细胞群体的动态响应与协同机制，认识极为有限。此外，环境光老化如何改变PLA颗粒的理化性质，进而影响其血液毒性，仍是未解之谜。因此，亟需建立一个能够整合颗粒追踪、细胞响应及分子机制的综合性评估体系，以揭示可生物降解微塑料的真实生态风险。
研究方法与技术路线
为探究上述科学问题，研究人员首先通过机械研磨制备了粒径约500 nm的不规则原始PLA微塑料（BMPs），并利用模拟太阳光照射30天（相当于约0.7年自然紫外线累积暴露量）获得光老化PLA-A BMPs。采用聚集诱导发光（AIE）染料对两种颗粒进行荧光标记，以实现其在体内的可视化追踪。随后，将虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss，购自中国某商业养殖场）暴露于100 μg/L浓度的PLA或PLA-A悬浮液中7天。暴露结束后，采集尾静脉血，一部分用于制备血涂片，通过激光共聚焦显微镜观察颗粒与血细胞的关联；另一部分经红细胞裂解后，利用DNBelab C-TaiM4平台进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），并结合Seurat、Monocle 2及CellChat等生物信息学工具，对血细胞亚群进行鉴定、差异基因表达分析、伪时间轨迹推断及细胞间通讯网络重构。
主要研究结果与发现
3.1. PLA BMPs相关信号在外周血中被检测到
通过扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征，证实光老化使PLA颗粒表面产生裂纹、粗糙度增加，并引入了更多含氧官能团（如羟基）。共聚焦显微镜成像显示，在PLA和PLA-A暴露组的虹鳟鱼外周血涂片中，均可观察到与红细胞相关联的离散荧光点，表明两种颗粒均成功进入了血液循环系统。
3.2. 虹鳟鱼血液的单细胞转录组图谱
scRNA-seq共鉴定出八种主要血细胞群体：T细胞、B细胞、中性粒细胞、血小板、淋巴细胞、巨噬细胞-单核细胞（Mac-Mon）、树突状细胞（DCs）和内皮细胞。暴露后，各细胞群的相对丰度发生了显著变化。例如，内皮细胞和DCs在对照组中极为稀少，但在PLA-A组中分别增至约0.41%和1.31%；中性粒细胞比例从对照组的0.61%显著上升至PLA组的4.07%；而血小板比例则从约占半数大幅下降至约30%。差异基因表达（DEGs）分析表明，在PLA组中，大多数细胞类型以下调基因为主，而Mac-Mon拥有最多的DEGs和最高的变化倍数，提示其在血液免疫响应中扮演核心角色。
3.3. PLA BMPs对巨噬细胞-单核细胞免疫反应的影响
共聚焦成像显示，Mac-Mon细胞在PLA组中常位于颗粒聚集处附近，而在PLA-A组中则靠近形态异常的红细胞，提示其参与了颗粒清除及次级细胞损伤响应。GO和KEGG富集分析表明，PLA暴露激活了Mac-Mon中与先天免疫识别、炎症调控、吞噬及溶酶体处理相关的通路。尤为重要的是，PLA-A暴露额外富集了趋化因子信号、肌动蛋白骨架调节及B细胞受体信号等通路，表明其引发了类似病原体的免疫激活状态。Mac-Mon的亚聚类分析进一步揭示，暴露后其内部异质性增强，出现了更多与应激响应、脂质代谢相关的转录状态，且在PLA-A组中更为明显。
3.4. PLA BMPs对内皮细胞稳态的影响
细胞间通讯分析揭示了PLA暴露后血液信号网络的广泛重组。内皮细胞成为信号接收能力最强的群体，其接收的信号主要来自活化的免疫细胞，涉及APP和GALECTIN等与炎症和粘附相关的通路。同时，内皮细胞也增强了其自身的信号输出，主要通过CADM、JAM、CDH等与细胞接触和连接重塑相关的通路。全局信息流分析显示，IL16、THBS、GALECTIN等促炎和粘附信号上调，而维持基质和止血稳态的COLLAGEN和VWF信号下调。这表明PLA暴露促使内皮细胞从结构性维护转向免疫响应和粘附导向的信号模式，可能预示着早期血管损伤。
3.5. 光老化将PLA毒性从细胞相互作用转变为血液网络破坏
与原始PLA相比，PLA-A暴露引发了更强烈的生物学效应。共聚焦图像显示PLA-A组红细胞出现明显的形态异常，如不规则形状和膜泡，表明其具有直接的细胞毒性。在Mac-Mon中，PLA-A引发了数量更多、分布更广的DEGs，并促进了M2样和脂质代谢相关亚型的出现。在细胞通讯层面，PLA-A暴露导致CDH和VWF介导的血管稳定信号减弱，而T细胞取代内皮细胞成为主要的信号发送者。这些结果表明，环境光老化增加了PLA的反应活性，加剧了对红细胞的直接损伤，并将局部的细胞损伤放大为更广泛的免疫和血管系统紊乱。
总结与展望
本研究的结论指出，可生物降解的PLA微塑料能够进入虹鳟鱼的外周血液循环，并作为主动干扰因子破坏全身血液稳态。通过结合AIE标记技术和单细胞RNA测序，研究团队建立了一个以血液为中心、具备单细胞分辨率的毒性评估框架。该框架证实，外周血是一个敏感的短期预警和综合监测平台，能够整合颗粒动力学、细胞损伤及细胞间信号转导等信息，从而揭示可生物降解塑料的毒性效应。研究结果强调了巨噬细胞-单核细胞作为核心哨兵的作用，以及内皮细胞作为信号网络枢纽的塑性。尤为关键的是，研究证明了环境光老化会显著增强PLA的生物活性，加剧其对血液系统的破坏作用，这挑战了“可生物降解即安全”的普遍认知。该工作为评估被宣传为可持续替代品的材料的生态安全性提供了重要的机制基础。
