全球变暖加剧了纳米塑料的毒性：对身体萎缩和能量短缺的影响机制的深入研究

《Journal of Hazardous Materials》：Global warming enhances nanoplastics toxicity: insights into body shrinkage and energy deficit

全球变暖下低浓度纳米塑料对水蚤多代毒性及机制研究，显示升温加剧纳米塑料对生长、繁殖和行为的抑制，身体缩小（符合温度-体型规则）导致表面积体积比增加促进摄入，转录组分析揭示几丁质基表皮发育和能量代谢途径受阻是关键机制。

　　

赵超|常梦杰|张浩迅|普罗托波波夫·米哈伊尔|李静珍|徐文成|刘健

山东大学环境研究所，中国青岛

摘要

了解全球变暖对纳米塑料生态毒性的影响对于环境安全至关重要，但其背后的机制仍不甚明了。本研究在三种不同的平均温度（MT）和日温差（DTF）条件下，探讨了低浓度聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）对大型溞（Daphnia magna）的三代影响，模拟了当前和预期的气候情景，并进一步探讨了其背后的机制。研究结果表明，纳米塑料损害了溞的生长、繁殖和行为，且在较高温度和/或日温差条件下这些影响更为严重。值得注意的是，在温暖条件下，溞的体型显著减小，这符合温度-体型规则，可能会由于表面积与体积比的增加而进一步促进微塑料的摄入。转录组分析揭示了体型减小的关键机制，包括几丁质基表皮发育、几丁质结合以及表皮结构成分的紊乱。此外，纳米塑料还主要下调了能量代谢途径，尤其是在较高温度下这种影响更为明显。加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步证实了几丁质和表皮发育的抑制以及能量代谢的减弱是导致纳米塑料毒性增强的原因。本研究强调了在温暖世界中纳米塑料毒性的加剧，并提供了体型缩小和能量缺陷是关键机制的原理证明。

章节摘录

引言

微塑料和纳米塑料污染对自然环境构成了日益严重的威胁[1]。特别是纳米塑料，由于其较小的颗粒尺寸，更容易被生物体摄入或吸收，从而对生物体构成严重风险[2]。尽管纳米塑料的生物效应和生态毒性已得到广泛研究，但大多数研究集中在高浓度暴露上，常常忽略了环境相关浓度下的影响[3]。

研究生物体和温度设置

实验中使用的D. magna种群采自瑞典（Bysj?n湖），并在装有去氯自来水的玻璃罐中培养（pH值：7.97 ± 0.03，电导率：539 ± 1.94 μS cm^-1，溶解氧：8.96 ± 0.06 mg L^-1），培养条件为标准条件（20 ± 1 ℃，16:8光照-黑暗周期，每天喂食Acutodesmus obliquus，培养基每两天更换一次）。为了减少母体的影响，Daphnia在标准条件下培养了三代。

生活史、形态和行为特征

对所有测试特征进行的多元方差分析（MANOVA）以及每个特征的单变量方差分析（ANOVA，表1，图1）显示，纳米塑料（NP）、平均温度（MT）和日温差（DTF）具有显著的主效应。此外，MANOVA结果中的NP × MT、NP × DTF和NP × DTF × MT相互作用表明，PS-NPs的影响可能同时受到MT和DTF的影响。鉴于这些相互作用在不同特征上的强度和方向存在差异，我们进一步在单个特征水平上检验了这些依赖性。

Daphnia完成了成熟过程。

讨论

纳米塑料污染和全球变暖是全球面临的两个主要挑战，人们越来越关注它们的联合效应[29][30]。在这项多代研究中，暴露于环境相关浓度的微塑料对D. magna的生活史特征、形态和行为产生了明显的负面影响，而在未来预期的变暖情景下这些影响会更加严重。值得注意的是，由变暖引起的体型缩小可能是导致毒性增强的原因之一。

结论

本研究揭示，即使在环境相关浓度下，多代暴露于PS-NPs也会对D. magna产生毒性，而在预期的全球变暖条件下这种毒性会进一步加剧。由变暖引起的体型减小提高了Daphnia对PS-NPs的敏感性，这可能是由于几丁质基表皮发育途径受到抑制以及能量代谢受到干扰所致。通过结合温度-体型规则，我们指出了一个之前被忽视的因素。

环境影响

本研究揭示，全球变暖加剧了Daphnia magna对纳米塑料的毒性，体型缩小和能量缺陷可能起到了推动作用。由变暖引起的体型减小增加了微塑料的摄入量，并扰乱了诸如几丁质基表皮发育和能量代谢等关键过程。通过模拟当前和未来的气候情景，研究结果突显了纳米塑料和变暖所带来的协同风险，强调了全面研究的迫切性。

作者贡献声明

徐文成：方法学、实验设计。刘健：撰写——审稿与编辑。常梦杰：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据分析。张浩迅：方法学、实验设计。普罗托波波夫·米哈伊尔：方法学。李静珍：实验设计。赵超：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、实验设计、资金获取、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2025MS610）、国家自然科学基金（42007229）、国家重点研发计划（2022YFC3105304）以及山东大学青年学者计划（201999900004）的支持。