三氯生和纳米塑料对轮虫（Brachionus plicatilis）繁殖性能、种群动态及转录组调控的综合影响

《Environmental Pollution》：Combined effects of triclosan and nanoplastics on reproduction performance, population dynamics, and transcriptome regulation of rotifer ( Brachionus plicatilis)

纳米塑料与Triclosan联合暴露对轮虫的毒性拮抗效应研究

　　

任吉龙|杨云红|董梦|魏晓蕾|郭星如|张梦迪|杨佳欣|崔涵

中国江苏省渔业活饵重点实验室，南京师范大学海洋科学与工程学院，学林路2号，南京210023，中华人民共和国

摘要

由于纳米塑料（NPs）具有携带水生污染物的特性，越来越多的研究开始关注其对水生生物的联合毒性。本研究探讨了三氯生（TCS）浓度（0、25和200 μg/L）和纳米塑料颗粒大小（无、50、100和500 nm）对轮虫繁殖、种群动态、生化反应和转录组谱的影响。结果表明，高剂量的TCS或50 nm的纳米塑料显著抑制了轮虫的繁殖和种群增长，表现为后代数量减少、首次繁殖时间延迟以及种群密度下降（p < 0.05）。值得注意的是，在高剂量TCS和50 nm纳米塑料共同作用下，这些有害效应得到了缓解。此外，高剂量TCS和50 nm纳米塑料分别诱导了轮虫的氧化应激（ROS和MDA水平升高，以及SOD、CAT和GST活性增加），而在两者共同作用下，氧化应激得到了缓解。转录组分析显示，高剂量TCS显著改变了与脂肪和碳水化合物消化吸收途径相关的基因表达，而50 nm纳米塑料主要影响了与粘附和紧密连接途径相关的基因。重要的是，在高剂量TCS和50 nm纳米塑料共同作用下，轮虫的脂肪消化吸收途径未受影响，对碳水化合物消化吸收以及粘附和紧密连接途径的影响也有所减弱。总之，TCS和纳米塑料的共同作用表现出拮抗作用，比单独暴露于TCS或纳米塑料时对轮虫的毒性效应更小。

引言

塑料独特的机械性能，加上其对恶劣天气的抵抗力和持久的耐用性，使其成为现代生活不可或缺的一部分。自1950年以来，全球塑料产量显著增加，从1950年的170万吨增加到2019年的3.7亿吨。而且，这种增长在未来几十年内可能会继续（Auta等人，2017年；Ahmed等人，2021年；Lei等人，2024年）。根据Lau的报告，预计在2016年至2040年间将有近2.5亿吨塑料垃圾进入水生生态系统（Lau等人，2020年）。Gross（2020年）报告称，每年约有900万吨塑料进入海洋。塑料约占海洋垃圾的80%-85%，但只有5%的塑料被回收。大多数塑料通过长期的物理和化学风化逐渐降解为更小的颗粒，包括受到风、波浪、阳光、低温和紫外线（UV）辐射的影响（Cole等人，2011年；Besseling等人，2015年；Chen等人，2024年）。塑料污染已成为海洋生态系统中日益严重的问题，引起了全球的广泛关注（Ajith等人，2020年）。根据颗粒大小，塑料通常被分类为微塑料（MPs，直径<5 mm）或纳米塑料（NPs，直径<1 μm）（Zhang等人，2022年）。

由于纳米塑料的颗粒大小与浮游动物（如轮虫和桡足类）的自然食物相似，这些生物可以摄入纳米塑料。值得注意的是，纳米塑料比微塑料更具危害性，因为它们更容易被摄入，并且在浮游动物的肠道中停留时间更长（Jeong等人，2016年；Sun等人，2019年；Liu等人，2022年；Sun等人，2023a）。先前的研究表明，纳米塑料会对浮游动物产生不利影响，如减少食物摄入、耗尽能量储备，并影响其发育、生长和繁殖。例如，50 nm的纳米塑料暴露显著抑制了Brachionus plicatilis的种群增长，还对其首次产卵和繁殖时间以及寿命产生了负面影响（Li等人，2023年）。另一个例子是，50 nm的纳米塑料暴露导致Daphnia magna的能量储备发生显著变化（De Felice等人，2022年）。此外，纳米塑料具有较高的表面积与体积比且疏水，能够携带和保留各种水生污染物，如抗生素、重金属和其他持久性有机污染物（Barboza等人，2018年；Rochman，2018年；Tang等人，2021年；Vidal等人，2023年）。此外，纳米塑料可以与这些污染物相互作用，从而增强铜对海洋轮虫B. plicatilis的毒性，并增加甲壳类动物的免疫毒性（Tang等人，2020年；Wang等人，2023年）。目前，纳米塑料和其他水生污染物的联合效应引起了全球的关注。

三氯生（TCS）是一种新兴的有机污染物和抗菌剂，广泛用于制药和个人护理产品中，包括化妆品、肥皂、除臭剂、牙膏和漱口水（Chen等人，2019年；Lee等人，2019年）。由于其可能对水生生物、哺乳动物甚至人类造成的风险，欧盟和美国食品药品监督管理局已对其使用进行了限制（Ebrahimi等人，2024年）。然而，地表水中仍检测到高达15.32 mg/L的高浓度TCS（Mora等人，2021年）。Chen等人（2024年）研究表明，纳米塑料对TCS的吸附受颗粒大小和表面功能化以及环境因素（盐度、pH值和溶解有机物）的影响。一项研究表明，与单一污染物相比，纳米塑料-TCS复合物通过影响不同的蛋白质类别并以相反的方向调节斑马鱼幼体的游泳行为，改变了毒性效应（Parenti等人，2021年）。Li等人（2024年）指出，纳米塑料具有吸附TCS的能力，改变了纳米塑料的物理性质；此外，与纳米塑料的共同暴露减少了斑马鱼大脑、肝脏和卵巢中的TCS积累。目前，关于纳米塑料和TCS联合效应的研究主要集中在水生脊椎动物上，而对水生无脊椎动物（特别是浮游动物）的研究仍然有限。关于纳米塑料和TCS联合暴露对浮游动物的影响及其潜在机制知之甚少。因此，通过研究多种污染物对浮游动物的综合毒性效应，评估这些污染物在自然水生系统中可能带来的生态风险至关重要。

作为水生系统中的优势物种，轮虫在能量从低营养级向高营养级的传递以及通过水生食物网的污染物传输中起着关键作用（Jeong等人，2016年）。此外，轮虫对污染物敏感，存在于沿海海洋和淡水生态系统中，是鱼类幼体和其他捕食者的重要食物来源（Manfra等人，2017年）。此外，轮虫因其简单的身体结构、小的体型、高的繁殖能力和短的世代时间而常被用作海洋生态毒理学研究的模式生物（Dahms等人，2011年；Li等人，2020年；Li等人，2020年）。目前，关于纳米塑料和TCS对轮虫影响的研究主要集中在单一暴露处理上（Manfra等人，2017年；Yang等人，2024年）。关于纳米塑料和TCS联合暴露的研究很少报道。

在这项研究中，我们旨在探讨TCS浓度和纳米塑料颗粒大小对B. plicatilis繁殖参数、种群动态参数、抗氧化酶活性和转录组调控的单独和联合效应。选择了四种不同大小的聚苯乙烯塑料颗粒（无、50、100和500 nm）和三种TCS浓度（0、25和200 μg/L），以科学地评估TCS和纳米塑料暴露对水生生物的单独和联合效应，并阐明其潜在的分子机制。

部分摘要

纳米塑料溶液的制备

我们从Sigma-Aldrich购买了TCS（CAS编号3380-34-5）和溶剂DMSO。每种处理中DMSO的最终浓度低于0.048%，并未对轮虫产生明显的毒性效应（Yang等人，2024年）。从北京中科黎明科技有限公司购买了三种未经功能化的聚苯乙烯纳米塑料颗粒（CAS编号9003-53-6），直径分别为50、100和500 nm。它们的形态特征和红外光谱可以在我们之前的研究中找到（Mao等人报告）

TCS与纳米塑料联合对B. plicatilis繁殖参数的影响

单独暴露于TCS和纳米塑料会对轮虫的繁殖产生不利影响。然而，当这两种污染物同时存在时，这些有害效应得到了缓解。在200 μg/L的TCS和50 nm纳米塑料共同作用下（T₂₀₀N₅₀处理），观察到拮抗作用：与T₂₀₀N₀和T₀N₅₀处理相比，轮虫的寿命更长，后代数量更多，成熟时间更短。

讨论

先前的研究（Montaseri和Forbes，2016年；Mora等人，2021年）表明，TCS的浓度范围很广，从0.201 μg/L到15.32 mg/L。在我们的研究中，我们选择了25和200 μg/L的浓度，这些浓度在水生环境中是可能存在的，以验证它们与纳米塑料的联合效应。

结论

总之，单独暴露于200 μg/L的TCS或50 nm的纳米塑料会抑制轮虫的发育和繁殖，引发氧化应激，并破坏其生物代谢过程。尽管200 μg/L的TCS和50 nm的纳米塑料共同作用表现出拮抗作用，减轻了对轮虫的毒性效应，但它们的共存仍然影响了轮虫的发育和繁殖、氧化应激和生物代谢过程。这些发现提供了新的见解

作者贡献声明

任吉龙：撰写——原始草稿、软件使用、方法学设计、数据分析。杨云红：数据可视化、实验设计。董梦：方法学设计、数据分析。魏晓蕾：方法学设计、数据分析。郭星如：资源准备、方法学设计。张梦迪：资源准备、方法学设计。杨佳欣：项目监督、资金申请。崔涵：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、项目监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：32470490 和 31772458）的支持。