暴露情景会调节纳米塑料和镉对大型溞（Daphnia magna）的综合毒性

《Environmental Pollution》：Exposure scenarios modulate the combined toxicity of nanoplastics and Cd to Daphnia magna

纳米塑料（NPs）与重金属镉（Cd）的联合毒性效应受暴露顺序显著影响，研究通过单暴露、预暴露和共暴露模式发现，NPs预暴露可增强镉暴露后的耐受性，而镉的缓慢毒理恢复会加剧后续联合暴露毒性，机制涉及NPs/Cd生物累积、肠道组织损伤及微生物群落改变。

　　

张双|王中苗|何彩娇|林道辉

中国浙江省有机污染过程与控制重点实验室，浙江大学环境科学系，杭州310058

摘要

纳米塑料（NPs）在水生环境中广泛积累，并与包括重金属在内的各种污染物共存。尽管已经有很多关于NPs和Cd对水生生物的不良影响的研究，但大多数研究集中在共暴露情景下，而对不同暴露顺序的影响了解较少。在这里，我们评估了NPs和Cd在不同暴露情景（单次暴露、预暴露和共暴露）下对Daphnia magna的联合毒性。进一步分析了NPs和Cd的生物累积、肠道组织学以及肠道微生物群，以阐明联合毒性的潜在机制。我们的研究结果表明，在环境相关浓度下，NPs刺激了D. magna的繁殖，增加了后代总数（具有激素效应）。预暴露于NPs提高了对后续压力因素的耐受性，从而降低了NPs和Cd的联合毒性。相反，Cd的缓慢毒理学恢复导致了持续的残留效应，加剧了随后NPs和Cd联合暴露的毒性。具体来说，与单次暴露组相比，Cd预暴露使NPs和Cd的生物累积分别增加了5倍和3倍，并伴有肠道损伤和肠道微生物群的破坏。我们的结果强调了在自然环境中评估不同暴露情景下联合毒性的重要性，为了解NPs在水生环境中的潜在风险提供了新的见解。

引言

由于大规模生产和广泛应用，加上缺乏有效的回收管理，塑料不可避免地被释放到环境中。据估计，即使采取有效的全球措施来减少和管理塑料废物，每年仍有高达800万吨的塑料进入水生环境（Erni-Cassola等人，2019年）。通过物理化学风化和生物降解，这些塑料废物降解为纳米塑料（NPs）（Tang等人，2023年）。此外，个人护理产品和药物载体中的NPs在制造、运输和使用过程中也会释放到环境中（Gillibert等人，2019年）。作为NPs的主要汇，它们在水生生态系统中的浓度正在迅速增加。最近的研究报告称，在瑞典南部的一个湖泊入口处，NPs的浓度高达1.6 mg L^-1，这是迄今为止在环境系统中测量到的最高NPs浓度（Yu等人，2022年）。迄今为止，越来越多的研究报道了NPs对水生生物的不良影响，这些影响从植物到动物都有，并且涉及食物链中的不同营养级（Fadare等人，2020年；Hodkovicova等人，2022年；Mamun等人，2023年）。然而，水生环境中还存在多种其他污染物，这引发了人们对它们联合毒性的日益关注（Ding等人，2022年）。例如，研究发现，在NPs存在的情况下，持久性有机污染物（POPs）对Chironomus Kiinensis的生长、出现和肠道健康的不利影响加剧了（Zhang等人，2024a）。有报告指出，砷（As）和NPs的联合毒性在不同As浓度下有所不同：在0.1 mg L^-1 As浓度下，NPs减轻了Myriophyllum verticillatum的毒性，但在1 mg L^-1 As浓度下则加剧了毒性（Li等人，2023年）。

传统的毒理学原理“剂量决定毒性”强调化学物质的毒性取决于其剂量，但忽略了由毒性作用方式决定的毒代动力学恢复过程（Ashauer等人，2017年）。现有的毒代动力学-毒效学（TK-TD）模型表明，即使在毒素从生物体内消除后，也需要更多时间来重新建立稳态，而且这种恢复过程的速度因压力因素而异（Su等人，2023年）。在多种压力因素共同作用的情况下，从第一个压力因素中缓慢的毒效学恢复可能会引发延迟效应，从而加剧后续压力因素的毒性（Meng等人，2020年）。在真实的自然条件下，生物体会经历多种毒素的高度可变暴露顺序，尤其是在水生迁移过程中遇到受污染水域的顺序尤其不确定。目前的研究主要集中在共暴露上，以评估NPs和共存污染物的毒性效应，而对不同毒素随时间的相互作用关注较少（Schunck和Liess，2022年）。研究表明，NPs对蚯蚓肠道消化功能和组织修复能力的影响随暴露顺序而变化（Cao等人，2025年），这与从TK-TD模型得出的“顺序效应假说”一致。该假说认为，当暴露顺序相反时，具有不同毒效学恢复率的压力因素的联合效应可能会改变。因此，在评估NPs和共存污染物的联合毒性时，考虑暴露顺序至关重要。

Daphnia magna在水生食物链中起着关键作用，它是初级生产者和高级消费者之间的重要纽带。由于其高敏感性、孤雌生殖和短寿命，它被广泛用作毒理学研究的模式生物（Chen等人，2022年）。在这项研究中，我们系统地评估了NPs与Cd在多种暴露情景下的急性和慢性毒性，包括单次暴露、预暴露和共暴露。这种多情景方法在当前的风险评估框架中很少应用，有助于更细致地理解暴露顺序如何影响毒性结果。我们假设暴露顺序会导致不同的毒性模式。为了验证这一点，我们研究了不同的毒性指标，包括体长、蜕皮频率、首次产卵时间、首次产卵数量以及后代总数。此外，我们还分析了NPs和Cd的生物累积、肠道损伤以及D. magna的肠道微生物群的变化，以探索毒性的潜在机制。通过使用这种多情景暴露模型，我们的研究更真实地反映了自然环境中污染物的相互作用，为NPs在复杂污染背景下对水生生物造成的环境风险提供了宝贵的科学见解。

模型生物

D. magna来自中国广东的实验室动物监测研究所，在25°C下，12小时光照：12小时黑暗的周期下，用充氧自来水培养，每隔一天更换一次水。每天给生物喂食浓度为10⁵细胞/mL^-1的Chlorella vulgaris。这些藻类购自中国武汉水生生物学研究所的淡水藻类培养收集中心，并在BG11培养基中培养（见支持材料中的表S1和S2）

PS-NPs的特性

PS-NPs呈现出均匀的球形，平均粒径为101.7 ± 8.2 nm（图1B和C）。DLS分析证实，PS-NPs在SM7培养基中分散良好，而与0.18 mg L^-1 Cd共暴露后，颗粒显著聚集，48小时后流体动力学直径从135 nm增加到239 nm（图1D）。值得注意的是，这种尺寸增大伴随着多分散性指数（PDI）的显著增加，进一步验证了这一点

结论

在这项工作中，我们评估了NPs与Cd在不同暴露情景下对D. magna的联合影响。结果表明，单次暴露于环境相关浓度的NPs没有引起显著的生存和生长毒性，但显著增加了后代总数，表现出典型的激素效应。值得注意的是，暴露顺序在决定联合毒性方面起着关键作用。NPs预暴露后紧接着NPs-Cd共暴露的结果是

CRediT作者贡献声明

张双：撰写——原始草稿、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。王中苗：方法学。何彩娇：数据管理。林道辉：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取

未引用的参考文献

You等人，2022年；Yuan等人，2023年；Zhang等人，2024b年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（42192573和42307494）和浙江省重点研发计划（2024C03228）的支持。