《Aquatic Toxicology》：Unveiling the underlying mechanism: Metabolic reprogramming and oxidative stress mediate nanoplastic-induced hepatotoxicity in a freshwater fish (
Pseudorasbora parva)
编辑推荐：
纳米塑料粒径依赖性毒性研究揭示80nm颗粒通过抑制抗氧化酶活性引发代谢紊乱，200nm颗粒激活GPX4/PKM2通路诱导铁死亡，500nm颗粒导致免疫抑制。采用斑马鱼作为模型生物，整合生理生化、转录组和代谢组学分析，阐明不同粒径纳米塑料的毒性机制及生态风险等级。
孙旭|丹武|王青|周子涵|姜启晨|孙红山|郑浩然|沈宇曦|王颖|王子洲
南京工业大学环境工程学院，中国南京江宁科学园红泾大道1号，211167
摘要
本研究以Pseudorasbora parva为模型，系统研究了不同粒径（80纳米、200纳米、500纳米）纳米塑料的毒性效应。通过整合生理和生化指标、转录组学及代谢组学分析，发现纳米塑料的毒性效应显著依赖于粒径。其中，80纳米颗粒表现出最强的氧化损伤作用，显著抑制了SOD和CAT的活性，并诱导了代谢重编程，表现为关键糖酵解基因（LDHA, HK1）的上调以及有机酸和氨基酸代谢途径的显著紊乱。200纳米颗粒主要影响免疫相关功能，可能通过GPx4/PKM2途径诱导铁死亡；而500纳米颗粒则导致广泛的免疫抑制和炎症反应。结果表明，80纳米纳米颗粒通过破坏氧化防御系统和能量代谢稳态，对机体造成了最严重的初始生理损伤，这突显了其在纳米塑料生态风险评估中的特殊风险。
引言
作为新兴的全球污染物，微塑料对生态系统和人类健康构成潜在威胁（Li等人，2024年）。微塑料分为初级微塑料（工业颗粒、化妆品微珠）和次级微塑料（塑料的降解产物），通常以纤维、薄膜、泡沫、球体或碎片的形式存在（Chen等人，2024年）。它们广泛存在于水生环境、陆地土壤和大气中，甚至可通过食物链进入人体（Shi等人，2024年）。除了其自身的有毒单体和添加剂外，纳米塑料还可能携带各种污染物、抗生素抗性基因和病原微生物，对无意摄入这些微塑料的水生生物构成健康风险（Sewwandi等人，2024年）。
从海岸线的塑料垃圾到深海中的冰和雪，塑料污染无处不在。然而，它们的环境影响远非均匀，塑料颗粒的大小直接决定了其在环境中的迁移路径、持久性和生物可利用性（Chen等人，2024年）。毫米级的塑料大多滞留在表面环境中，是视觉污染的罪魁祸首；微米级的颗粒可通过洋流长距离传输，沉入海底或被浮游生物吸收（Zhao等人，2025年）；在纳米尺度上，它们几乎可以渗透到任何角落，包括地下水、大气，甚至动物和植物细胞内部（Lei等人，2024年）。2004年，Thompson在《科学》杂志上报告称，塑料在环境中的持续降解导致颗粒数量呈指数级增长（Thompson等人，2004年）。从“宏观”到“微米”再到“纳米”的这种尺寸谱构成了一个复杂而广泛的污染连续体，迫切需要我们进行系统研究。
P. parva是一种分布于欧亚大陆淡水水域的小型鲤科鱼类，具有体型小、性成熟早、繁殖力强和对环境压力耐受性高的特点（Chen等人，2021年）。这些生活史特征使其成为实验室研究的理想实验对象。更重要的是，P. parva是一种底栖-中杂食性鱼类，以藻类、浮游动物和有机碎屑为食。这种广泛的饮食使其极易通过自然环境中的摄食、鳃呼吸等方式主动或被动接触并摄入水中的不同粒径纳米塑料（Spikmans等人，2019年）。由于它位于水生食物网的中间位置，不仅能直接反映纳米塑料的暴露效应（如肠道积累和炎症反应），还能作为研究纳米塑料及其附着污染物在食物链中传递和放大效应的关键节点（Li等人，2021年）。因此，作为敏感的环境指示物种，P. parva为模拟现实世界的微塑料污染情景和在受控实验室条件下评估其生态风险提供了宝贵的生物学模型（Duan等人，2024年）。实地调查发现，从受污染水域采集的P. parva肠道中检测到了微塑料颗粒（Li等人，2021年）。这一证据证实了它们在自然条件下的摄入和积累情况，进一步支持了P. parva作为研究纳米塑料生态毒理学效应模型的可靠性。
本研究通过探讨不同粒径纳米塑料对P. parva的暴露效应，旨在揭示纳米塑料的生态风险显著依赖于粒径的事实。研究结果不仅能够阐明纳米塑料在鱼类个体层面的具体命运路径（如大颗粒的物理阻塞和小颗粒的组织渗透），还能准确评估纳米塑料引起的级联生物效应，包括生长抑制、炎症反应和生殖毒性。利用广泛分布的P. parva这一敏感指示物种作为模型，研究结果具有很高的生态代表性，可以为构建水生食物网中微塑料污染的预测模型和风险评估框架提供关键数据支持和理论基础，最终为制定针对性的环境污染预防和控制政策指明方向。
实验部分
P. parva的培养与塑料来源
P. parva来自江苏省淡水渔业研究所的扬中基地。实验前，将体重为18.2 ± 1.9克的个体适应环境一周。在驯化过程中，水温维持在26.2 ± 2.1°C，pH值维持在7.0 ± 0.3，溶解氧维持在约6.6 mg/L。驯化期间，每天8:00喂食P. parva，并在18:00收集剩余饲料和粪便，定期更换水质。
转录组学
图1-A数据显示，200纳米组与对照组相比有228个差异表达基因，500纳米组与对照组相比有689个差异表达基因，80纳米组与对照组相比有398个差异表达基因，500纳米组与80纳米组相比有620个差异表达基因。图1-B数据显示了各组间成对比较的相关性。图1-C数据显示了PCA分析的结果，显示了各组之间的差异。
讨论
本研究证实，纳米塑料对P. parva的生理毒性显著依赖于粒径，其中80纳米颗粒引发了更强烈的分子水平干扰（Yin等人，2019年）。综合分析表明，纳米塑料通过干扰关键基因表达和代谢途径，严重破坏了机体的氧化应激平衡和能量代谢稳态（Yu等人，2022年）。差异表达基因和代谢产物的功能...
结论
本研究明确揭示了纳米塑料对P. parva的毒性效应依赖于粒径，80纳米颗粒具有最强的生物破坏性。纳米塑料通过直接作用于抗氧化酶系统（抑制SOD和CAT的活性）、激活代谢重编程（上调LDHA和HK1）以及干扰氨基酸代谢，导致机体严重的氧化损伤和能量稳态失衡。相比之下，200纳米和500纳米颗粒则发挥不同的作用...
作者贡献声明
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孙旭：概念构思、方法设计、实验实施、初稿撰写。
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丹武：数据验证、正式分析、数据整理、可视化处理。
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王青：项目监督、资金筹集、撰写——审稿与编辑。
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周子涵：实验设计、资源调配、软件使用。
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姜启晨：方法设计、实验实施、数据整理。
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孙红山：
资源调配、数据验证。
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郑浩然：
正式分析、可视化处理。
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沈宇曦：
实验设计、数据整理。
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王颖：
撰写——
数据可用性
本文中呈现的所有转录组学和代谢组学数据在补充材料中也有更高分辨率的版本可供查阅。
作者贡献声明
孙旭：数据整理、概念构思。
丹武：项目管理、方法设计。
王青：撰写——审稿与编辑、实验设计。
周子涵：撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理。
姜启晨：项目监督、软件使用。
孙红山：软件使用、方法设计。
郑浩然：软件使用、资源调配。
沈宇曦：
